Sherlock软件如何指导电子产品可靠性分析？

作者：李桂花

上海安世亚太公司

电子产品可靠性是对电子产品在期望的生命周期内在客户环境中执行特定功能的能力的度量。在设计中我们必须要考虑产品的可靠性。传统的基于手册的可靠性设计方法，如MIL-HDBK-217F，主要基于恒定故障率的假设，很少考虑到由于设计或生产过程控制导致的故障，体现出显著的局限性。取而代之的是，一种基于失效机理、失效模式和失效应力的根本原因分析的可靠性评估技术即失效物理分析技术（physics of failure，POF），被证明对预防、检测和校正与产品设计、制造、运行相关的失效非常有效。

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Ansys Sherlock软件：于ECAD模型和CAE模型中架起桥梁

Ansys Sherlock软件集成了设计规则，最佳实践和基于物理的产品可靠性理解，是电子产品可靠性物理仿真分析的行业领导者。Sherlock与现有的工作流无缝集成，可以在整个设计过程中（例如功能块开发、部件放置、最终布局）实现其最大化价值。凭借其丰富的部件和材料库，Sherlock可以自动导入行业标准的ECAD/EDA文件，然后使用部件、封装和电子材料的嵌入式库，在几分钟内就可以构建电路板组装的FEA模型。该FEA模型可用于后续的精确有限元应力分析，大大减少了有限元分析中PCB板的复杂建模时间，可以说Sherlock在ECAD模型和CAE模型中架起了一座桥梁。

图1  Sherlock——ECAD到CAE的桥梁

此外，Sherlock利用经过验证的封闭式方程和三维有限元模拟来分析组件、板和系统级电子产品在承受各种不同环境条件下的应力，经过验证，仿真和试验误差在20%以内。

图2 可靠性物理经验公式

图3 仿真精度经过验证

 

目前Sherlock软件可以评估电路板中以下五种主要的潜在失效机制:

1、  焊点热循环疲劳

2、  机械振动导致焊点疲劳

3、  机械冲击导致焊点失效

4、  电路板通孔由于热循环产生的疲劳

5、  由于电迁移、氧化物击穿、偏置温度不稳定和热载流子注入而造成的微电路老化和磨损

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分析流程自动化，有效提升设计效率

使用Sherlock软件进行仿真，主要由以下几个过程组成：

 

1、导入ECAD设计文件，解析模型元器件

图4  Sherlock元器件库

 

2、定义可靠性目标以及要求设备运行的预期环境和使用条件。

 

图5  产品生命周期和使用环境定义

 

3、执行特定设计和应用的耐久性仿真来计算寿命预期、可靠性分布和风险优先级。

 

图6 Sherlock支持的分析类型

4、查看分析结果。与传统有限元仿真不同的是，Sherlock不仅提供给我们变形和应力信息，还将仿真和产品的生命周期联系起来。它可以评估和预测哪些部件会在规定的条件下失效，从而识别设计中的故障风险。

 

图 7 仿真结果：元器件失效表和对应图形，红色：失效；黄色：危险；绿色：安全

图 8 随机振动下应变云图和失效曲线

 

5、通过仿真反馈的信息，评估设计是否通过。如果未通过，考虑采用减缓由于特定条件如机械冲击和振动、温度循环造成的PCB故障风险的策略，进行重新评估。一般而言，可采用如下策略：

• 确保从高应变区域去除应变敏感元件

• 移动或增加安装点，以减轻板子和组件的压力

• 重新选择材料

• 通过灌封打胶的方法减小敏感元件的变形

图9 初始产品设计的失效率（2年内达到5%）

图10  移动组件U27到合适的位置、增加约束条件、填充灌封胶降低失效率

 

以上分析流程自动化，只需要几个小时内即可完成设计返工，根本无需几周或几月时间。通过分析，可以为产品的可靠性和生命周期提供有价值的见解，大大减少了测试迭代和设计时间，提高了产品设计效率，缩短了产品上市时间。