【行業新聞】為實施 SAE J3168 標準而展開的可靠性物理分析

一、 可靠性物理分析(RPA)標準

"電氣、電子、機電設備、模塊和組件的可靠性物理分析"的 SAE J3168 標準，是由 SAE 汽車電子系統可靠性標準委員會與 SAE 航空電子技術管理委員會聯合制定，是目前首套也是唯⼀⼀套專門針對航空航天、汽車、國防及其他高性能 (AADHP) 行業制定的可靠性物理分析 (RPA) 標準。

可靠性物理分析是將失效物理(PoF)模型和方法的科學原理用於工程應用。 SAE J3168 為 RPA 建立標準化方法給電子硬體設計和分析帶來重大優勢。這些優勢包含：

• 它是基於科學的方法

• 它比之前採用基於手冊的方法更準確

• 與測試相比，其效率更高、成本更低，可提升產品研發效率。

RPA 不僅需要強大的計算能力和計算技能，還需要準確的基於 PoF（失效物理）且需要隨著電子組件技術的快速發展而不斷更新的失效機制模型和數據，使用軟體是成功開展可靠性物理分析的一種切合實際的做法。

本文介紹了 SAE J3168 標準中的方法和內容，以及其在 AADHP 行業應用中實施時面臨的困難，還進⼀步介紹如何使用 Ansys Sherlock 軟體執行 SAE J3168 標準。

延伸閱讀: Ansys Sherlock 如何提高汽車可靠性 (SAE J3168) - 艾索科技

 

二、可靠性物理分析的興起

SAE J3168 標準的發布是幾十年來的一個重要里程碑，代表在 AADHP 行業，電子設備正向著基於科學的設計以及可靠性和安全性分析前進。奠定 PoF 和 RPA 基礎的科學原理已經問世了一百多年，但直到約三十年前，它們才開始在 AADHP 行業裡得到廣泛應用。在此之前，AADHP 行業已普遍使用基於統計數據的手冊方法。

• 手冊方法

基於手冊的方法最初在上世紀 50 年代由“電子設備可靠性顧問小組”提出，旨在滿足航空航天與國防行業對電氣、電子和機電 (EEE) 設備的可靠性進行全面改進及預測的需求。當時，電氣、電子和機電設備基於真空管和原始分立式電阻、電容以及部分晶體管進行設計，同時，當時用於數據分析與失效機制建模的計算方法局限於計算尺和機械加算器。

MIL-HDBK-217、SN29500（西門子）、IEC TR62380、UTE C80-811等手冊方法因使用簡便，其可靠性和安全性分析結果得到了廣泛認可。此外，由於電氣、電子和機電設備技術發展緩慢（以現今的標準衡量是這樣的），在將其應用於未來的可靠性預測之前，使用幾年甚至幾十年前生成的數據都是確實可行的。

 

隨著半導體技術的出現和迅速發展，手冊方法的缺點愈加明顯，這些缺點包括以下幾點：

1. 缺乏科學根據: 如圖1所示，左邊顯示的是“傳統”的浴缸曲線，而右邊的對比曲線是實際可靠性曲線，該曲線由多種孤立的失效綜合而成，每一種失效都有因組件承受的特定應力引發的特有機制。 PoF 和 RPA 是基於對特定失效機制和引起它們應力的科學理解。由此可知手冊方法是基於 EEE 組件的恆定失效率假設，對於實際失效機制和引發失效的應力缺乏科學依據。

2. 極少考慮失效: 手冊方法幾乎全部側重於 EEE 設備的零部件失效，很少考慮由於設計或生產技術控制引起的失效。

3. 準確性低: 手冊方法逐漸過時，因其較低的準確性導致該方法缺乏實際應用價值。

4. 無法滿足當前設計需求: EEE 技術發展迅速，手冊方法難以及時獲得實際性能的精確記錄和數據，無法滿足當前系統和設備設計的需求。

5. 現代方法更有效率: 現代數據分析和計算方法已能夠在系統和設備設計過程中即時展開 PoF 和 RPA 分析。

 

• RPA 的普及須建立共識、確立標準

大約在1990年，受益於對高度準確失效機制模型、先進電腦輔助計算以及數據方法的研究，PoF 和 RPA 的發展突飛猛進。隨著 RPA 的普及，其展開方式及其結果的報告和應用方式也諸多不同。因此，資訊不一致、方法性分歧，以及結果誤讀等問題的風險也在提升，因此，有必要在使用者間建立共識。特別是對 AADHP 行業的使用者而言，有必要建立共識，確立“標準”方法，以便將 RPA 應用到 EEE 設備、模塊和組件上，而 SAE J3168 制定了滿足這一需求的標準。

 

三、SAE J3168 標準有助於 RPA 流程標準化展開

儘管兼具技術和商業上的各種優勢，但由於缺乏將其結果應用於實際 AADHP 項目的標準方法，RPA 無法順利展開。

SAE J3168 標準發佈於2020年，旨在為 AADHP 行業使用的 EEE 系統、設備、模塊和裝配體確立部署 RPA 標準化方法。在 AADHP 行業中，失效後果通常十分嚴重，且設備在使用壽命期間始終在嚴苛的環境條件下運行，時間遠久於電腦、電信等其他電子設備。此外，在設備投入使用之前通常需要提供證據，確保系統能長期可靠地運行。

 

• SAE J3168 標準中確立的 RPA 流程可用於實現下列流程的標準化：

1. 評估新組件技術與封裝方法預期的可靠性和耐用性。

2. 檢驗及驗證 EEE 系統、設備、模塊和裝配體的設計。

3. 為可靠性、安全性及認證活動提供輸入數據。

4. 協助評估與驗收設計、配置變更。

在上述流程中，SAE J3168 標準中確立的 RPA 流程將提高各級 AADHP 供應鏈間的溝通效率。

 

• SAE J3168 標準制定了評估板級可靠性及耐用性的基本流程，涉及五種主要的潛在失效機制如下：

1. 熱循環引起的焊點疲勞

2. 機械振動引起的焊接件疲勞

3. 結構衝擊引起的焊點疲勞

4. 熱循環引起的印刷電路板通孔疲勞

5. 因電遷移、氧化分解、偏壓溫度不穩定以及熱載流⼦注⼊引起的微電路老化和損耗

 

( RPA 流程如圖2的流程示意圖所示)

基本流程可採用 SAE J3168 標準中確立的流程，或者（根據未來發行計劃）採用除上述情況針對其他失效機制的⼀系列“增補流程”。

除了基本失效機制之外，J3168 標準中的流程還能用於評估設計和使用 EEE 系統所引起的其它失效機理，詳情參見 J3168 標準的第6.6、6.7和6.8節（以及流程圖中方框6.6、6.7、6.8）。

圖2：RPA流程的流程圖，詳情記錄見SAE J3168標準。

 

四、執行 SAE J3168 標準時，可靠性分析軟體必須具備的特性

可以用於 EEE 系統設計、可靠性分析和安全性分析的軟體工具多不勝數，但具有在 AADHP 系統、設備、模塊和裝配體上執行 RPA 所需全部關鍵特性的軟體卻屈指可數。必備的特性如下：

• 基於科學: RPA 軟體的一項必備特性是基於經過驗證且被廣泛接受的科學原理和理論，包含從根本上理解：(1)受分析組件中關鍵材料的力學屬性及溫度相關參數；(2)受分析系統的性能及使用壽命要求；以及(3)最有可能導致失效的機制，如裂紋形成和生長、腐蝕、微電路老化和損耗等。此外，從 RPA 分析中得到的結果可通過實驗重現。

• 基於數據: 集成到有效 RPA 軟體中的模型、模型參數和加速因子自相關測試、實際（工作中）運行、組件製造商或綜合性文獻搜索中獲得相關的可信數據。此外，數據基於因果分析而非經驗（即以往的關聯數據）。

• 應用針對性: 有效的 RPA 分析應在具體應用中針對具體設計和材料展開。數據和模型、模型參數和加速因子與下列因素相關：(1)被分析的系統設計、材料中的相關失效機制；(2)相關組件的實際（工作中）運行狀況；以及(3)能夠引發相關失效機制的應力。

• 定期更新: 眾所周知，電子技術迅速發展，相關數據和分析方法會很快的過時。因此有必要根據從實驗或實際（工作中）上能取得的最新相關數據，來定期更新 RPA 軟體的方法、模型和模型參數。更新使用的資訊須與電子技術的創新與發展保持一致，經同行審定並發表在權威論壇上。

• 易於使用: 即使最基礎的 RPA 分析在技術上也相當複雜，但應用於相關系統的設計、支援與維護時，效率也最高。因此對大部分 EEE 系統、設備和模塊設計或可靠性研究的工程師而言，最有效的 RPA 軟體應該是最易於獲得和使用的，這些工具也能夠在工程師普遍使用的電腦設備上運行。​

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五、Ansys Sherlock 的優勢

Ansys Sherlock 對於電子的模擬基礎上的 RPA 領域處於業界領先地位。 Sherlock 與現有工作流程無縫集成，部署在整個設計流程（如功能模塊研發、部件佈局、最終佈局）時能實現最大價值。憑藉豐富的部件/材料庫，Sherlock 自動導入行業標準的 ECAD/EDA 文件，然後通過使用嵌入式部件、封裝和電子物件資料庫，可在幾分鐘內創建任何電路板裝配體的 FEA 模型。 Sherlock 隨後利用有效的閉合方程及 3D 有限元模擬，在組件、電路板和系統層面上對基於 RPA 的預測進行計算。 Sherlock 主要用於電子 RPA，可供各類工程師使用，有利於普及穩定性的設計流程。

 

六、汽車行業利用 Sherlock 執行 SAE J3168 標準

焊球疲勞是汽車行業日益關注的問題，他們正在努力加快整合可靠性較低的商用物件，並滿足自動駕駛對更長工作週期要求。  Sherlock 可通過其獨特的幾何結構與局部環境捕獲能力，結合經過驗證的 RPA 算法對焊球疲勞失效率進行極為準確的預測進行計算。

• 優越的 ECAD 文件解析能力

對部件及 PCB 幾何結構的設想可能導致預測和實際性能之間出現嚴重偏差，因此 Sherlock 通過整合真實的設計資訊來捕獲幾何結構。 Sherlock 具有獨特的 ECAD 文件解析能力，可輸出多種能直接用於 FEA 的幾何結構和單元類型。 CAE 工具中這種絕無僅有的功能可幫助 Sherlock 用戶深入了解 PCB 的關鍵特性，如焊盤大小和過孔堆疊，它們在焊點失效中發揮重要作用。 Sherlock 還可幫助使用者評估、驗證緩解措施（如角落鉚合和底部填充）效果。

• 與 Ansys Icepak 雙向交流 補足溫度條件假設問題

我們必須捕捉由功耗造成的局部升溫，RPA 計算的通病之一是其假設全板溫度一致 ，但實際上並非如此，尤其是對於功率-溫度-循環(PTC)下的計算引擎和電源逆變器而言。由於 Sherlock 能與 Ansys Icepak 進行雙向資訊交流，可以無縫地將各種溫度差異考慮在內， 將焊球疲勞重要參數納入到 RPA 活動中給了終端客戶極大信心。