模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法

摘要

模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，步骤如下：1，选定一模拟电路，在EDA仿真软件中绘制出电路图；2，用焊点机械蠕变失效机理退化模型代替焊点机械蠕变失效机理在电路中的作用过程；3，在EDA仿真软件中，按故障注入方式，将焊点机械蠕变失效机理注入到所绘制的电路图中；4，设置EDA仿真软件中仿真的环境条件，进行电路仿真实验；5，记录每个测量节点不同时刻的输出值；6，计算出每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率；7，对每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率进行对比，找出变化最快的节点，按照表征参数的选取原则，将此节点代表的参数作为模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数。

权利要求

1.模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤1，选定一个模拟电路，在EDA仿真软件中绘制出其电路图；

步骤2，用焊点机械蠕变失效机理退化模型来代替焊点机械蠕变失效机理在电路中的作用过程；

步骤3，在EDA仿真软件中，按照故障注入方式，将焊点机械蠕变失效机理注入到所绘制的电路图中；

步骤4，按要求设置EDA仿真软件中仿真的环境条件，进行电路仿真实验；

步骤5，仿真完成后，记录每个测量节点不同时刻的输出值；

步骤6，计算出每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率；

步骤7，对每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率进行对比，找出变化最快的节点，按照焊点机械蠕变失效机理表征参数的选取原则，将此节点代表的参数作为模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数，完成表征参数的确定。

2.根据权利要求1所述的模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，其特征在于：在步骤3中所述的故障注入方式为：(1)获取选定的元器件类型，选取标准为利用此元器件能反映失效机理退化模型的变化规律；(2)通过查阅标准手册来确定该失效机理退化模型参数；(3)根据获取的参数计算具体的退化规律；(4)将选定的元器件添加到电路图中实际焊点的位置；(5)在建立的仿真文件中，将此元器件的变化规律设定为前述(3)中的退化规律。

3.根据权利要求1所述的模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，其特征在于：在步骤4中所述的仿真的环境条件是指输入电压、放大倍数和环境温度。

4.根据权利要求1所述的模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，其特征在于：在步骤5中所述的测量节点是指通过电路分析而选定的对输出有影响的节点，通过观测这些节点输出的变化能判断电路是否发生故障。

5.根据权利要求1所述的模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，其特征在于：在步骤7中所述的焊点机械蠕变失效机理表征参数的选取原则是：第一，所选取的表征参数要方便测量、易于获取；第二，所选的表征参数要能够灵敏的反映焊点机械蠕变失效机理的产生，即对所要表征的焊点机械蠕变失效机理较为敏感。

说明书

模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法

所属技术领域

[0001] 本发明涉及模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，属于系统工程系统可靠性技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，随着微电子技术、自动控制技术、计算机技术的飞速发展，电子元器件以及与之相关联的电子产品在工业生产中得到了广泛的应用，这些产品几乎遍及生产和生活领域的每一个角落。机电一体化设计亦成为机械工业产品设计的发展趋势。电子电气产品是机电一体化设备中的重要组成部分，电子电气产品以及与之相关联产品的可靠性设计己成为产品设计人员必须面对的课题。电子产品的故障可能会造成经济、政治、军事上的严重后果，因此必须把电子产品的可靠性问题和故障诊断问题作为一个专门的技术学科来进行研究。

[0003] 电子产品中，焊点机械性能失效是导致电子产品可靠性降低的主要原因之一，而机械蠕变则是其中一种重要的因素。焊点机械蠕变失效机理可能会导致模拟电路中发生不同的失效模式，相同的失效模式也可能是由不同的失效机理导致的，单纯的研究失效模式和表征参数之间的对应关系不能准确的判断出故障是否是由焊点机械蠕变失效机理导致的，从而不能提出有力的改进措施。

[0004] 针对这种情况，需要探索到一条确定模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数的具体途径。在总结国内外现有基于电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）的故障仿真基础上，利用EDA仿真软件进行电路仿真，结合故障注入技术，可以探索出一种模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的是：提供一种模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，能够准确快速地诊断出模拟电路中的故障是否是由焊点机械蠕变机理导致的。

[0006] 首先引入三个定义。

[0007] 定义1：故障注入：人为的将系统在真实工作情况下可能发生的故障施加到系统中，以研究这些故障对系统的工作和性能造成的影响。

[0008] 定义2：失效机理退化模型：通过数学关系式定量的描述了在失效机理作用过程中某特定量的变化规律，这些量反映了产品在物理上或化学上的某种损伤或消耗的积累过程。

[0009] 定义3：模拟电路：处理时间和幅度都连续的信号（连续的含义是在某取值范围内可以取无穷多个数值）的电子电路。

[0010] 本发明的技术方案：在EDA仿真软件中绘制出电路图，用焊点机械蠕变失效机理退化模型来代替焊点机械蠕变失效机理在电路中的作用过程；在电路模型特定位置进行故障注入，并按要求设置仿真环境进行电路故障仿真实验；对电路可测节点进行检测，获取故障数据；对故障数据进行处理，提取焊点机械蠕变失效机理的表征参数。

[0011] 本发明是一种模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法，其步骤如下：

[0012] 步骤1，选定一个模拟电路，在EDA仿真软件中绘制出其电路图；

[0013] 步骤2，用焊点机械蠕变失效机理退化模型来代替焊点机械蠕变失效机理在电路中的作用过程；

[0014] 步骤3，在EDA仿真软件中，按照故障注入方式，将焊点机械蠕变失效机理注入到所绘制的电路图中；

[0015] 步骤4，按要求设置EDA仿真软件中仿真的环境条件，进行电路仿真实验；

[0016] 步骤5，仿真完成后，记录每个测量节点不同时刻的输出值；

[0017] 步骤6，计算出每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率；

[0018] 步骤7，对每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率进行对比，找出变化最快的节点，按照焊点机械蠕变失效机理表征参数的选取原则，将此节点代表的参数作为模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数，完成本发明所述方法—表征参数的确定。

[0019] 其中，步骤3中故障注入方式为：(1)获取合适的元器件类型，选取标准为利用此元器件可以反映失效机理退化模型的变化规律；（2）通过查阅标准手册来确定该失效机理退化模型参数；（3）根据获取的参数计算具体的退化规律；（4）将选定的元器件添加到电路图中发生故障的位置；（5）在建立的仿真文件中，将此元器件的变化规律设定为（3）中的退化规律。

[0020] 其中，步骤4中仿真的环境条件指输入电压、放大倍数、环境温度。

[0021] 其中，步骤5中测量节点是指通过电路分析而选定的对输出有影响的节点，通过观测这些节点输出的变化可以判断电路是否发生故障。

[0022] 其中，步骤7中焊点机械蠕变失效机理的表征参数的选取原则是：第一，所选取的表征参数要方便测量、易于获取;第二，所选的表征参数要能够较为灵敏的反映焊点机械蠕变失效机理的产生，即对所要表征的焊点机械蠕变失效机理较为敏感。

[0023] 本发明与现有技术相比有如下优点：

[0024] 第一，本发明从实验的角度给出了确定模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数的具体流程。

[0025] 第二，本发明综合了故障注入技术和电路仿真方法。

附图说明

[0026] 图1为故障注入方式流程图

[0027] 图2为本发明所述方法流程图

[0028] 图3为在EDA仿真软件中绘制的电路图

[0029] 图4为电阻加入后的电路图

[0030] 图3、4中符号说明如下：

[0031] L：导线

[0032] Q：三极管

[0033] R：电阻

[0034] V：电源

[0035] S：焊点

[0036] K：电阻值单位

[0037] Vdc:电压值单位

[0038] OUT：输出端

[0039] RS：后加入代替焊点的电阻

具体实施方式

[0040] 本发明所述的模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数确定方法见图2所示，该方法的具体实施方式步骤如下：

[0041] 步骤1，选定一个模拟电路，在EDA仿真软件中绘制出其电路图；

[0042] 步骤2，用焊点机械蠕变失效机理退化模型来代替焊点机械蠕变失效机理在电路中的作用过程，焊点机械蠕变失效机理退化模型为：

[0043]

[0044] 式中，ΔR为焊点机械蠕变过程中电阻的变化率；η为焊点机械蠕变过程中裂纹的生长速率，随着焊点机械蠕变不同阶段而不同；W和L分别为焊点在与电流相互垂直方向上的宽和长；t为试验的时间；Δt为时间间隔。

[0045] 发生焊点机械蠕变时，焊点电阻随时间的变化规律为：

[0046]

[0047] 其中，R(t)为t时刻电阻的实际阻值；ΔR为焊点机械蠕变过程中电阻的变化率；R0为焊点的初始电阻，R0的计算公式为：

[0048]

[0049] 其中，ρ为电阻率，h为焊点厚度，W、L的意义同式（1）

[0050] 步骤3，在EDA仿真软件中，按照故障注入方式，将焊点机械蠕变失效机理注入到所绘制的电路图中，见图1所示，其详细步骤如下：

[0051] 步骤301，在EDA仿真软件中，选取电阻作为合适的元器件，选取标准为焊点机械蠕变失效机理退化模型，如式（1）所示，是关于电阻变化率的关系式；

[0052] 步骤302，查阅IPC标准，获取焊点机械蠕变失效机理退化模型的参数；

[0053] 步骤303，根据获得的参数计算焊点机械蠕变失效机理具体的退化规律；

[0054] 步骤304，将电阻加入到原电路图中实际是焊点的位置，即发生焊点机械蠕变的位置；

[0055] 步骤305，在EDA仿真软件中，通过参数扫描法，设置加入的电阻的变化规律为步骤303获取的退化规律。参数扫描法具体操作方式为：在建立的仿真文件中，选择“参数扫描”选项，将需要设置的参数的变化规律添加到指定位置。

[0056] 以某典型放大电路为例，在EDA仿真软件中绘制出其电路图，如图3所示。通过查-6阅IPC-SM-782A标准，得到L=1.65mm，W=0.57mm,h=0.15mm，η=1×10 m/s，Δt=1s，代入式（1）中，得到

[0057]

[0058] 假设焊点采用的材料是Sn-3.5Ag，查得其电阻率ρ=12.31uΩ·cm，利用式（3）可以得到初始电阻R0=19.633uΩ。

[0059] 按照式(2)得到电阻具体的退化规律，如式(5)所示，其中t的单位为s，且t的取值范围是0≤t≤547.286s，

[0060]

[0061] 将电阻加入到初始电路图后得到的电路图如图4所示，其中RS1-RS7为加入的电阻，图4中圆圈处代表实际中焊点的位置。

[0062] 在EDA仿真软件中，通过参数扫描法，设置RS1-RS7的变化规律如式(5)所示。

[0063] 步骤4，按要求设置EDA仿真软件中仿真的环境条件，进行电路仿真实验，仿真的环境条件指输入电压、放大倍数、环境温度；

[0064] 步骤5，仿真完成后，记录每个测量节点不同时刻的输出值，测量节点是指通过电路分析而选定的对输出有影响的节点，通过观测这些节点输出的变化可以判断电路是否发生故障；

[0065] 该实验中，设置仿真环境为输入电压2v，放大倍数-5，环境温度为27°C。之后开始进行故障仿真实验，使电阻阻值从19.633uΩ增大到1982.933uΩ，每增加196.33uΩ进行一次仿真，由此可以得到随着焊点机械蠕变的发生及其发展对外部电路造成的影响。

[0066] 当焊点机械蠕变发生时，会对该电路中的V（OUT）、V（R13:2）、I(R13)、I(R14)、V（R15:1）、I（R15）节点输出造成影响，在实验过程中需记录输出数据。

[0067] 步骤6，计算出每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率；

[0068] 步骤7，对每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率进行对比，找出变化最快的节点，按照焊点机械蠕变失效机理表征参数的选取原则，将此节点代表的参数作为模拟电路焊点机械蠕变失效机理的表征参数，完成本发明所述方法—表征参数的确定。

[0069] 焊点机械蠕变失效机理的表征参数的选取原则是，第一，所选取的表征参数要方便测量、易于获取;第二，所选的表征参数要能够较为灵敏的反映焊点机械蠕变失效机理的产生，即对所要表征的焊点机械蠕变失效机理较为敏感。

[0070] 该实验中，计算出每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率，结果如表1所示。通过数据分析可知，累计变化率最大的节点是V（R13:2），即焊点机械蠕变发生时，该节点随时间变化得最快，可以较为灵敏的反映出该电路中焊点机械蠕变的发生，因此按照焊点机械蠕变失效机理的表征参数的选取原则，将V（R13:2）确定为此电路中的焊点机械蠕变失效机理的表征参数。

[0071] 表1每个测量节点的各个时刻输出值的累计变化率

[0072]t/s R/uΩ V(OUT)/% V(R13:2)/% I(R13)/% I(R14)/% V(R15:1)/% I(R15)/%
0 19.633 0 0 0 0 0 0
547.186 215.963 1E-05 0.1143 1.17E-05 1.15E-05 1.33E-07 0.00856
547.236 412.293 2.9E-05 0.2517 2.32E-05 2.35E-05 -6.54E-06 0.01716
547.253 608.263 3.8E-05 0.3891 3.47E-05 3.50E-05 -6.54E-06 0.02533
547.261 804.953 5.7E-05 0.5210 4.67E-05 4.65E-05 -1.25E-05 0.03393
547.266 1001.2836.7E-05 0.6530 5.82E-05 5.80E-05 -1.25E-05 0.04253
547.270 1197.6138.6E-05 0.7904 6.97E-05 7.00E-05 -1.92E-05 0.05070
547.272 1393.9430.00011 0.9223 8.17E-05 9.30E-05 -2.52E-05 0.05929
547.274 1590.2730.00012 1.0597 0.00059 0.00010 -2.52E-05 0.06746
547.275 1786.6030.00013 1.1916 0.00010 0.00012 -3.19E-05 0.07606
547.276 1982.9330.00014 1.3235 0.00012 0.00013 -3.19E-05 0.08466