一種基于加速退化試驗的pcb絕緣壽命快速預測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法及系統(tǒng)，所述預測方法包括如下步驟：步驟S1，對多塊PCB在高溫高濕條件下進行偏壓應力加速退化試驗，采集各PCB的表面絕緣電阻值；步驟S2，擬合PCB的表面絕緣電阻值得到性能退化軌跡模型，并根據(jù)所述性能退化軌跡模型計算得到各PCB的偽失效壽命；步驟S3，構建偏壓應力加速模型，根據(jù)偽失效壽命計算偏壓應力加速模型待估參數(shù)，進而根據(jù)所述偏壓應力加速模型得到PCB在高溫高濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命；步驟S4，構建高溫高濕條件與絕緣壽命的關系模型，根據(jù)所述關系模型得到PCB在室溫條件下的絕緣壽命。本發(fā)明通過構建加速模型解決了在有限時間內快速預測PCB絕緣壽命的問題，尤其適用于PCB可靠性技術領域。
【專利說明】
-種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法及系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及PCB絕緣壽命技術領域，尤其設及一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽 命快速預測方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 印刷電路板(Printed Circuit Boards,簡稱PCB)作為電子設備的基礎元件，巧妙 地實現(xiàn)了電路導通和基板絕緣的結合，在計算機、數(shù)控、電子儀器等領域中應用廣泛，地位 至關重要。其中，絕緣可靠性是PCB兩大可靠性之一，其可靠性水平成為影響電子設備完成 既定任務的重要因素。PCB的絕緣特性首先與基材類型相關，F(xiàn)R-4環(huán)氧玻璃布覆銅板，因其 具有良好的機械性能和介電性能，較好的耐熱性，成本適中等特點，在實際工程中應用廣 泛。但是環(huán)氧預浸料覆銅板具有較強的吸水性，而且所使用的半固化片具有較高的濕度敏 感性，同時金屬銅對電化學遷移化Iectrochemical Migration,簡稱ECM)也是十分敏感的， 因此在高溫高濕偏置電壓（Temperature,化midity and Bias,簡稱T皿)作用下PCB發(fā)生絕 緣失效的概率也較高，運對PCB的絕緣可靠性提出了挑戰(zhàn)。
[0003] PCB在膽存或使用過程中的失效，最具代表性的是由絕緣性能下降引起的漏電或 短路故障。其中，高溫、高濕及偏壓環(huán)境下的電化學遷移化CM)是PCB絕緣性能發(fā)生劣化甚至 導致短路故障發(fā)生的主要原因。ECM的定義根據(jù)《IPC-9 201Surface Insulation Resistance化iKlbook》中的描述"當PCB在高溫、高濕的惡劣環(huán)境中，其相鄰導體間又有偏 壓的情況下，逐漸發(fā)生的金屬離子遷移，并在板面析出金屬或其氧化物，該過程稱為ECM，析 出物質一般呈樹枝狀而被稱為枝晶。"國內外研究表明，在不同電場力作用下，枝晶生長速 率是隨著其加載的偏置電壓的變化而變化的，在高電壓作用下，枝晶生長速率較快，反之較 慢。隨著電路高度集成化的發(fā)展，PCB層數(shù)不斷增加，線寬和線距都趨于細化，因此PCB工作 在高溫、高濕的環(huán)境中發(fā)生ECM的概率進一步提高。運是由于在環(huán)境濕度較大地區(qū)的空氣水 分為金屬離子溶解和沉淀提供了溶液媒介，PCB在高速負載操作下運行溫度不斷上升從而 加深了化學反應程度，而運種濕熱的環(huán)境為離子遷移提供了通道，同時，PCB上的導電電路 本身處于帶電狀態(tài)，為ECM的形成提供了電勢差，使離子遷移和枝晶生長獲得了動力，枝晶 的形成最終導致PCB導線間或者孔間絕緣性能降低，嚴重時引起線路間的短路，甚至燒毀元 器件，運對PCB的絕緣可靠性提出了挑戰(zhàn)。
[0004] 目前工程中常用的可靠性預測與評估都是基于失效時間（壽命)數(shù)據(jù)的，然而，在 很多情況下產(chǎn)品的實際失效并不是突發(fā)失效，而是性能隨時間發(fā)生退化，也可W說，產(chǎn)品的 失效是由于性能退化導致的，運類失效稱為退化失效。在產(chǎn)品性能退化過程中，通常會對關 鍵特征（即該特征失效會引發(fā)產(chǎn)品甚至系統(tǒng)災難性失效)退化進行監(jiān)測，當退化量隨著時間 的累積發(fā)展并達到一定失效臨界值(通常稱為失效標準或失效閥值)時，產(chǎn)品就會發(fā)生故障 失效。運種通過產(chǎn)品性能指標退化量來估計產(chǎn)品可靠性的試驗，稱為退化試驗。退化試驗可 W在正常工作條件或加速條件下進行，后者稱為加速退化試驗(Accelerated Degradation Test,簡稱ADT)。加速退化試驗是在保證產(chǎn)品失效機理不變的前提下提高某些應力水平，使 產(chǎn)品性能加速退化，并通過分析高應力水平下的退化數(shù)據(jù)來估計產(chǎn)品可靠性的試驗方法。
[0005] 由于PCB屬于高可靠性、長壽命產(chǎn)品，在可靠性壽命試驗過程中會出現(xiàn)極少失效甚 至零失效的現(xiàn)象，運給可靠性評估與預測帶來了困難。考慮到產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)包含了 大量可靠性信息，本發(fā)明通過分析在不同環(huán)境下的性能退化數(shù)據(jù)W達到預測PCB正常工作 狀態(tài)下絕緣壽命的目的，在節(jié)省試驗時間和試驗費用的前提下，實現(xiàn)對PCB的絕緣可靠性快 速預測。
[0006] 現(xiàn)有測評技術中，在對長壽命產(chǎn)品進行可靠性評估時，需要大量的試驗時間去收 集失效數(shù)據(jù)，進而提高了預測成本，甚至一些高可靠產(chǎn)品在一定試驗時間內無數(shù)據(jù)失效或 極少數(shù)據(jù)失效，因而無法準確地對其可靠性進行評估?；诩铀偻嘶囼灱夹g，可W根據(jù)產(chǎn) 品的性能退化量隨時間的變化規(guī)律來對產(chǎn)品的可靠性進行評估，因此，運是解決高可靠、長 壽命產(chǎn)品可靠性評估問題的良好途徑。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于加速退化試驗 的PCB絕緣壽命快速預測方法及系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽 命快速預測方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟SI,對多塊PCB在高溫高濕條件下進行偏壓應力加速退化試驗，采集各PCB的 表面絕緣電阻值；
[0010]步驟S2,擬合PCB的表面絕緣電阻值得到性能退化軌跡模型，并根據(jù)所述性能退化 軌跡模型計算得到各PCB的偽失效壽命；
[0011] 步驟S3，構建偏壓應力加速模型，根據(jù)偽失效壽命計算偏壓應力加速模型待估參 數(shù)，進而根據(jù)所述偏壓應力加速模型得到PCB在高溫高濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命；
[0012] 步驟S4,構建高溫高濕條件與絕緣壽命的關系模型，根據(jù)所述關系模型得到PCB在 室溫條件下的絕緣壽命。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:通過采用執(zhí)行高溫高濕條件下的偏壓應力退化試驗，擬合 性能退化軌跡模型、構建偏壓應力加速模型W及建立溫度和濕度應力與失效壽命的關系函 數(shù)等技術手段，能夠解決現(xiàn)有技術中在有限時間內快速預測PCB絕緣壽命的技術問題。
[0014] 在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可W做如下改進
[0015] 進一步地，步驟Sl的具體實現(xiàn)為：
[0016] 步驟Sll，將多塊PCB放置在高低溫濕熱環(huán)境試驗箱中，試驗箱的溫度設定為T，濕 度設定為畑；
[0017] 步驟S12，將多塊PCB分為S組，S>4，每組包括m塊PCB，m> 3，i表示第i組，且i = 1， 2，…，S，將塊數(shù)為m，ri2，…，ns的PCB分別放在偏壓應力水平為Vi，V2，…，Vs下進行恒加退化 試驗；
[0018] 步驟S13,每隔一段時間，測量并記錄各PCB的表面絕緣電阻值。
[0019] 采用上述進一步方案的有益效果是:通過提高環(huán)境溫度和濕度應力，實施加速偏 壓應力性能退化試驗，可W快速得到PCB絕緣退化軌跡特性，同時可W更真實地描述工作環(huán) 境因素對PCB絕緣失效的影響，加速絕緣預測過程，有效節(jié)約試驗時間和成本。
[0020] 進一步地，步驟S2的具體實現(xiàn)為：
[0021] 將所述性能退化軌跡模型中PCB的表面絕緣電阻值下降到預設失效臨界值時對應 的壽命作為PCB的偽失效壽命。
[0022] 采用上述進一步方案的有益效果是:通過采用性能退化數(shù)據(jù)分析技術，可W在PCB 絕緣壽命預測中失效數(shù)據(jù)不足甚至零失效的情況下，也能方便地執(zhí)行絕緣壽命預測，克服 現(xiàn)有技術中缺乏失效壽命數(shù)據(jù)的問題。
[0023] 進一步地，步驟S3的具體實現(xiàn)為：
[0024] 步驟S31，構建絕緣壽命分布模型3
，式中，i = l，2,…，S，t 表示絕緣壽命，化表示特征壽命，Hli表示形狀參數(shù)，F(xiàn)(t)表示W(wǎng)t為變量的函數(shù)；
[0025] 在所述絕緣壽命分布模型中，將偽失效壽命當作絕緣壽命，采用最好線性不變估 計方法計算得到特征壽命化和形狀參數(shù)Hli ;
[00%] 步驟S32,構建偏壓應力加速模型為：
[0027]
[002引式中，a，b表示待估參數(shù)，Vi表示偏壓應力；
[0029] 根據(jù)步驟S31中計算得到的特征壽命化，計算得出待估參數(shù)a和b;
[0030] 步驟S33,利用構建的絕緣壽命分布模型和偏壓應力加速模型，計算PCB在高溫高 濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命。
[0031] 采用上述進一步方案的有益效果是:構建出絕緣壽命分布模型和偏壓應力加速模 型，把偽失效壽命當做絕緣壽命，計算得到模型的待估參數(shù)，進而計算出高溫高濕條件下不 同偏壓應力下的絕緣壽命。
[0032] 進一步地，步驟S4的具體實現(xiàn)為：
[0033] 擊驢SAl -尬活編錫去溫度和濕度的關系模型為；
[0034]
[0035] 式中，t表示絕緣壽命，RH表示濕度，T表示溫度，Ea表示激活能，k表示玻爾茲曼常 數(shù)，m，n表示待估參數(shù)；
[0036] 步驟S42,根據(jù)高溫高濕條件下的絕緣壽命，計算得出室溫條件下的絕緣壽命。
[0037] 采用上述進一步方案的有益效果是:通過采用構建溫度、濕度應力和絕緣壽命的 關系模型，把高溫高濕條件下的絕緣壽命外推到室溫時的絕緣壽命，能夠解決現(xiàn)有技術中 在有限的試驗時間內快速預測PCB絕緣壽命的問題。
[0038] 本發(fā)明解決上述技術問題的另一種技術方案如下：一種基于加速退化試驗的PCB 絕緣壽命快速預測系統(tǒng)，包括表面絕緣電阻值采集模塊、性能退化軌跡建模模塊、偏壓應力 建模模塊和絕緣壽命預測模塊.
[0039] 所述表面絕緣電阻值采集模塊，用于對多塊PCB在高溫高濕條件下進行偏壓應力 加速退化試驗，采集各PCB的表面絕緣電阻值；
[0040] 所述性能退化軌跡建模模塊，用于擬合PCB的表面絕緣電阻值得到性能退化軌跡 模型，并根據(jù)所述性能退化軌跡模型計算得到各PCB的偽失效壽命；
[0041] 所述偏壓應力建模模塊，用于構建偏壓應力加速模型，根據(jù)偽失效壽命計算偏壓 應力加速模型待估參數(shù)，進而根據(jù)所述偏壓應力加速模型得到PCB在高溫高濕條件不同偏 壓應力下的絕緣壽命；
[0042] 所述絕緣壽命計算模塊，用于構建高溫高濕條件與絕緣壽命的關系模型，根據(jù)所 述關系模型得到PCB在室溫條件下的絕緣壽命。
[0043] 本發(fā)明的有益效果是:通過采用執(zhí)行高溫高濕條件下的偏壓應力退化試驗，擬合 性能退化軌跡模型、構建偏壓應力加速模型W及建立溫度和濕度應力與失效壽命的關系函 數(shù)等技術手段，能夠解決現(xiàn)有技術中在有限時間內快速預測PCB絕緣壽命的技術問題。
[0044] 在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可W做如下改進
[0045] 進一步地，所述表面絕緣電阻值采集模塊包括：
[0046] 試驗條件設定單元，用于將多塊PCB放置在高低溫濕熱環(huán)境試驗箱中，試驗箱的溫 度設定為T，濕度設定為Wl;
[0047] 退化試驗單元，用于將多塊PCB分為S組，S>4，每組包括m塊PCB，m > 3，i表示第i 組，且i = 1，2，…，S，將塊數(shù)為m，ri2，…，ns的PCB分別放在偏壓應力水平為Vi，V2，…，Vs下進 行恒加退化試驗；
[0048] 采集單元，用于每隔一段時間，測量并記錄各PCB的表面絕緣電阻值。
[0049] 采用上述進一步方案的有益效果是:通過提高環(huán)境溫度和濕度應力，實施加速偏 壓應力性能退化試驗，可W快速得到PCB絕緣退化軌跡特性，同時可W更真實地描述工作環(huán) 境因素對PCB絕緣失效的影響，加速絕緣預測過程，有效節(jié)約試驗時間和成本。
[0050] 進一步地，所述性能退化軌跡建模模塊的具體實現(xiàn)為：
[0051] 將所述性能退化軌跡模型中PCB的表面絕緣電阻值下降到預設失效臨界值時對應 的壽命作為PCB的偽失效壽命。
[0052] 采用上述進一步方案的有益效果是:通過采用性能退化數(shù)據(jù)分析技術，可W在PCB 絕緣壽命預測中失效數(shù)據(jù)不足甚至零失效的情況下，也能方便地執(zhí)行絕緣壽命預測，克服 現(xiàn)有技術中缺乏失效壽命數(shù)據(jù)的問題。
[0053] 進一步地，所述偏壓應力建模模塊包括：
[0化4]失效壽命分布建模單元，用于構建PCB絕緣壽命分布模型關
式中，i = l，2,…，S，t表示絕緣壽命，化表示特征壽命，IIii表示形狀參數(shù)，F(xiàn)(t)表示W(wǎng)t為變量 的函數(shù)；
[0055] 在所述絕緣壽命分布模型中，將偽失效壽命當作絕緣壽命，采用最好線性不變估 計方法計算得到特征壽命化和形狀參數(shù)HH ;
[0056] 偏壓應力加速模型構建單元，用于構建偏壓應力加速模型為：
[0化7]
[0化引式中，a，b表示待估參數(shù)，Vi表示偏壓應力；
[0059] 根據(jù)所述失效壽命分布建模單元中計算得到的特征壽命ru，計算得出待估參數(shù)a 和b;
[0060] 高溫高濕條件下絕緣壽命計算單元，用于利用構建的絕緣壽命分布模型和偏壓應 力加速模型，計算PCB在高溫高濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命。
[0061] 采用上述進一步方案的有益效果是:構建出絕緣壽命分布模型和偏壓應力加速模 型，把偽失效壽命當做絕緣壽命，計算得到模型的待估參數(shù)，進而計算出高溫高濕條件下不 同偏壓應力下的絕緣壽命。
[0062] 進一步地，所述絕緣壽命預測模塊包括：
[0063] 絕緣壽命橫巧構建單元，用于構建絕緣壽命、溫度和濕度的關系模型為：
[0064]
[0065] 式中，t表示絕緣壽命，RH表示濕度，T表示溫度，Ea表示激活能，k表示玻爾茲曼常 數(shù)，m，n表示待估參數(shù)；
[0066] 室溫絕緣壽命計算單元，用于根據(jù)高溫高濕條件下的絕緣壽命，計算得出室溫條 件下的絕緣壽命。
[0067] 采用上述進一步方案的有益效果是:通過采用構建溫度、濕度應力和絕緣壽命的 關系模型，把高溫高濕條件下的絕緣壽命外推到室溫時的絕緣壽命，能夠解決現(xiàn)有技術中 在有限的試驗時間內快速預測PCB絕緣壽命的問題。
【附圖說明】
[0068] 圖1為本發(fā)明所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法的流程圖；
[0069] 圖2為本發(fā)明所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測系統(tǒng)的結構圖；
[0070] 圖3為本發(fā)明所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法的顯示采 集的PCB加速退化數(shù)據(jù)的結構圖；
[0071] 圖4為本發(fā)明所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法的不同偏 壓應力水平下PCB的絕緣電阻退化軌跡示意圖。
【具體實施方式】
[0072] W下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0073] 下面是本發(fā)明中設及到的名詞解釋和試驗前提條件。
[0074] 性能退化是指產(chǎn)品在其內部機理與外界環(huán)境的綜合作用下，性能隨時間延長呈一 定規(guī)律變化的一種復雜的物理/化學過程。當運種變化達到失效臨界值時，就會導致產(chǎn)品發(fā) 生失效。對于一些性能退化過程非常緩慢的長壽命產(chǎn)品，一般采用加速退化試驗方法來獲 取性能退化數(shù)據(jù)。即在保證產(chǎn)品失效機理不變的前提下提高某些應力水平，使產(chǎn)品性能加 速退化。
[0075] 為保證加速退化試驗能正常進行，首先需要保證試驗具有加速性。加速退化試驗 通常是在下面3個基本假定下進行的：
[0076] 假定1:在各加速應力水平及正常應力水平下，產(chǎn)品失效機理保持不變；
[0077] 假定2:在各應力水平下產(chǎn)品存在有規(guī)律的加速過程；
[0078] 假定3:在各應力水平下，產(chǎn)品的退化過程服從同族隨機過程，即應力水平變化時， 產(chǎn)品退化過程保持不變，改變的只是過程參數(shù)。
[0079] 圖1為本發(fā)明所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法的流程圖。
[0080] 如圖1所示，一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法，包括如下步驟：
[0081] 步驟Sl，對多塊PCB在高溫高濕條件下進行偏壓應力加速退化試驗，采集各PCB的 表面絕緣電阻值；
[0082] 在本發(fā)明的具體實施例中，所述PCB可W為FR-4環(huán)氧玻璃布覆銅板，為加速試驗進 程，試驗環(huán)境設定為高于正常工作應力水平，在本發(fā)明中，將多塊PCB放置在高低溫濕熱環(huán) 境試驗箱中，試驗箱的溫度設定為T，濕度設定為RH，其中30°C《T《100°C，65 % 100%;將多塊PCB分為S組，S>4,每組包括m塊PCB，m>3，i表示第i組，且i = l，2,…，S，將 塊數(shù)為m，m，…，ns的PCB分別放在偏壓應力水平為Vi，V2，…，Vs下進行恒加退化試驗；
[0083] 在該試驗中，性能退化特性參數(shù)的選取必須具備兩個條件:一是有準確定義而且 能夠進行監(jiān)測；二是隨著試驗時間的延長，有明顯的趨勢性變化，能客觀反映 PCB的工作狀 態(tài)。通過查閱國內外相關PCB的性能規(guī)范與測試方法得到，PCB絕緣性能的評價基本是通過 表面絕緣電阻值來表征，且表面絕緣電阻值可W很好地滿足性能退化特性參數(shù)具備的兩個 條件，故本發(fā)明選取表面絕緣電阻值作為退化特征參數(shù)。在性能退化試驗中，對PCB的性能 退化數(shù)據(jù)進行連續(xù)監(jiān)測是比較困難的，因此一般采取定時測量的方法。假設k組樣本分別在 ti，t2,…，tr時刻測量性能退化數(shù)據(jù)，共測r次，數(shù)據(jù)記錄如圖3所示。圖3為本發(fā)明所述一種 基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法的顯示采集的PCB加速退化數(shù)據(jù)的結構圖， 圖3中，-IV為應力水平Vk下的第nk個樣本在時刻tr的性能退化數(shù)據(jù)。一般情況下，同一應力 水平下的測試時間相同，但不要求不同應力水平下的測試次數(shù)與時間一致，也不要求各應 力水平下的試驗樣本數(shù)目相同；每隔一段時間，測量并記錄各PCB的表面絕緣電阻值。
[0084] 步驟S2,擬合PCB的表面絕緣電阻值得到性能退化軌跡模型，并根據(jù)所述性能退化 軌跡模型計算得到各PCB的偽失效壽命；
[0085] 在本發(fā)明的具體實施例中，步驟S2的具體實現(xiàn)為:將所述性能退化軌跡模型中PCB 的表面絕緣電阻值下降到預設失效臨界值時對應的壽命作為PCB的偽失效壽命。失效臨界 值依據(jù)國際標準IPC-TM-650或者J-STD-004來確定。在本發(fā)明中，規(guī)定PCB的絕緣失效臨界 值為IOOM Q。
[0086] 在本發(fā)明的具體實施例中，通過分析表面絕緣電阻值，建立性能退化軌跡模型，如 圖4,為本發(fā)明所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法的不同偏壓應力水 平下PCB的絕緣電阻退化軌跡示意圖。性能退化軌跡是指PCB性能失效特征量隨時間變化的 曲線，目前最常見的有線性模型、指數(shù)模型、幕模型、自然對數(shù)模型等，需要根據(jù)采集的性能 退化數(shù)據(jù)進行擬合，選擇適應的性能退化軌跡模型，并利用有效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，計算退化 軌跡模型參數(shù)。在本發(fā)明中，在線性化處理PCB性能退化模型后，采用最小二乘法進行參數(shù) 辨識，對于退化特征不明顯的PCB，退化軌跡需要用回歸分析等方法進行統(tǒng)計描述，再根據(jù) 性能退化軌跡模型和失效臨界值，外推求出PCB的偽失效壽命。
[0087] 步驟S3,構建偏壓應力加速模型，根據(jù)偽失效壽命計算偏壓應力加速模型待估參 數(shù)，進而根據(jù)所述偏壓應力加速模型得到PCB在高溫高濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命；
[0088] 在本發(fā)明的具體實施例中，利用偽失效壽命對PCB的壽命分布模型進行參數(shù)估計。 高可靠、長壽命PCB的失效壽命一般服從We化ull分布、正態(tài)分布或對數(shù)正態(tài)分布。從功能角 度來說，PCB的絕緣失效是一個最小極值問題，因此，本發(fā)明假定PCB壽命分布服從We i bu 1 1分布。構建絕緣壽命分布模型為巧。=1-哪[-(?//7;)'"']，式中，1 = 1，2^。，5，*表示絕緣 壽命，化表示特征壽命，Hli表示形狀參數(shù)，F(xiàn)(t)表示W(wǎng) t為變量的函數(shù)；
[0089] 在所述絕緣壽命分布模型中，將偽失效壽命當作絕緣壽命，采用最好線性不變估 計方法計算得到特征壽命化和形狀參數(shù)HH ;
[0090] 在本發(fā)明的具體實施例中，根據(jù)PCB失效機理分析和逆幕律模型，建立絕緣壽命與 偏壓應力水平關系的加速模型t= l/(dV"〇 =AV^,式中，t表示絕緣壽命，A、d、c表示待定常 數(shù)，V表示偏壓；
[0091] 當產(chǎn)品退化失效機理不變時，We i bu 1 1分布的形狀參數(shù)Hii為與時間和應力無 關的常量，特征壽命ru為與應力有關的時變參量，因此，當加速應力為偏置電壓時，根據(jù)t = l/(dVK)=AV氣勾建偏壓應力加速模型為：
[0092]
[0093] 式中，a，b表示待估參數(shù)，且a = lnA，b = -c;V康示偏壓應力；
[0094] 在所述偏壓應力加速模型中，根據(jù)計算得到的不同偏壓應力水平下的特征壽命 化，利用加權最小二乘法和Gauss-Markov定理，計算得出待估參數(shù)a和b;
[0095] 在本發(fā)明的具體實施例中，利用構建的絕緣壽命分布模型和偏壓應力加速模型， 計算PCB在高溫高濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命。
[0096] 步驟S4,構建高溫高濕條件與絕緣壽命的關系模型，根據(jù)所述關系模型得到PCB在 室溫條件下的絕緣壽命。
[0097] 在本發(fā)明的具體實施例中，步驟S4的具體實現(xiàn)為：
[0098] 步驟S41，構建絕緣壽命、溫度和濕度的關系模型為：
[0099]
[0100] 式中，t表示絕緣壽命，RH表示濕度，T表示溫度，Ea表示激活能，k表示玻爾茲曼常 數(shù)，m，n表示待估參數(shù)；
[0101] 步驟S42,根據(jù)高溫高濕條件下的絕緣壽命，計算得出室溫條件下的絕緣壽命。
[0102] 圖2為本發(fā)明所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測系統(tǒng)的結構圖。
[0103] 如圖2所示，一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測系統(tǒng)，包括表面絕緣 電阻值采集模塊、性能退化軌跡建模模塊、偏壓應力建模模塊和絕緣壽命預測模塊；
[0104] 所述表面絕緣電阻值采集模塊，用于對多塊PCB在高溫高濕條件下進行偏壓應力 加速退化試驗，采集各PCB的表面絕緣電阻值；
[0105] 在本發(fā)明的具體實施例中，所述表面絕緣電阻值采集模塊包括：
[0106] 試驗條件設定單元，用于將多塊PCB放置在高低溫濕熱環(huán)境試驗箱中，試驗箱的溫 度設定為T，濕度設定為Wl;
[0107] 退化試驗單元，用于將多塊PCB分為S組，S>4，每組包括m塊PCB，m>3，i表示第i 組，且i = 1，2，…，S，將塊數(shù)為m，ri2，…，ns的PCB分別放在偏壓應力水平為Vi，V2，…，Vs下進 行恒加退化試驗；
[0108] 采集單元，用于每隔一段時間，測量并記錄各PCB的表面絕緣電阻值。
[0109] 所述性能退化軌跡建模模塊，用于擬合PCB的表面絕緣電阻值得到性能退化軌跡 模型，并根據(jù)所述性能退化軌跡模型計算得到各PCB的偽失效壽命；
[0110] 在本發(fā)明的具體實施例中，所述性能退化軌跡建模模塊的具體實現(xiàn)為：
[0111] 將所述性能退化軌跡模型中PCB的表面絕緣電阻值下降到預設失效臨界值時對應 的壽命作為PCB的偽失效壽命。
[0112] 所述偏壓應力建模模塊，用于構建偏壓應力加速模型，根據(jù)偽失效壽命計算偏壓 應力加速模型待估參數(shù)，進而根據(jù)所述偏壓應力加速模型得到PCB在高溫高濕條件不同偏 壓應力下的絕緣壽命；
[0113] 在本發(fā)明的具體實施例中，偏壓應力建模模塊包括：
[0114] 失效壽命分布建模單元，用于構建PCB絕緣壽命分布模型夫 式中，i = l，2,…，S，t表示絕緣壽命，化表示特征壽命，Hii表示形狀參數(shù)，F(xiàn) (t)表不t為變量 的函數(shù)；
[0115] 在所述絕緣壽命分布模型中，將偽失效壽命當作絕緣壽命，采用最好線性不變估 計方法計算得到特征壽命化和形狀參數(shù)HH ;
[0116] 偏壓巧力加巧標巧構律單元，用于構建偏壓應力加速模型為；
[0117]
[011引式中，a，b表示待估參數(shù)，Vi表示偏壓應力；
[0119] 根據(jù)所述失效壽命分布建模單元中計算得到的特征壽命IU，利用加權最小二乘法 和Gauss-Markov定理，計算得出待估參數(shù)a和b;
[0120] 高溫高濕條件下絕緣壽命計算單元，用于利用構建的絕緣壽命分布模型和偏壓應 力加速模型，計算PCB在高溫高濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命。
[0121] 所述絕緣壽命計算模塊，用于構建高溫高濕條件與絕緣壽命的關系模型，根據(jù)所 述關系模型得到PCB在室溫條件下的絕緣壽命。
[0122] 在本發(fā)明的具體實施例中，所述絕緣壽命預測模塊包括：
[0123] 絕緣壽命模型構建單元，用于構建絕緣壽命、溫度和濕度的關系模型為：
[0124]
[0125] 式中，t表示絕緣壽命，RH表示濕度，T表示溫度，Ea表示激活能，k表示玻爾茲曼常 數(shù)，m，n表示待估參數(shù)；
[0126] 室溫絕緣壽命計算單元，用于根據(jù)高溫高濕條件下的絕緣壽命，計算得出室溫條 件下的絕緣壽命。
[0127] W下為一個具體的實施例。
[0128] 首先，選擇FR-4型覆銅板W-定間隔放置在高低溫濕熱環(huán)境試驗箱中，試驗箱溫 度設定為85°C，相對濕度設置為85%畑，當設置環(huán)境穩(wěn)定運行后再對試驗樣板施加電壓，電 壓應力水平分別為12V，24V，220V和380V。一定時間后，測量并記錄其不同應力水平下的PCB 的表面絕緣電阻，具體如圖3所示。結果可見，在不同偏壓應力水平下絕緣電阻值(I R)隨時 間（t) W-定趨勢變化，變化趨勢明顯，在PCB被施加電壓150h后，絕緣電阻值隨著試驗時間 的延長，呈現(xiàn)規(guī)律性變化，能客觀反映 PCB的工作狀態(tài)。
[0129] 接著，基于采集到的15化后的退化數(shù)據(jù)，對各偏壓應力水平下的PCB進行退化軌跡 模型擬合。根據(jù)退化數(shù)據(jù)隨時間變化的趨勢，通過對絕緣電阻值取對數(shù)進行線性化處理，得 到絕緣電阻對數(shù)化的值隨時間的軌跡，可見基本呈線性，因此得到PCB在高溫高濕偏壓環(huán)境 下的加速性能退化曲線基本符合線性模型的變化規(guī)律，即：yi(t) = lnRi(t)=ai+0i ? t，其 中，t為試驗時間，R功絕緣電阻值，ai、e功待計算參數(shù)。
[0130] 接著，通過最小二乘法對每一個樣本的退化軌跡模型的參數(shù)進行估計。最小二乘 法為本領域技術人員所熟知，因此在此不再具體詳述，直接列出計算公式如下：
[0131]
[0132] 由此計算得到各PCB的退化軌跡模型參數(shù)如下表，該擬合過程為本領域技術人員 所熟知，因此在此不再詳述。同時，參考國際標準I PC-TM-650method和J-STD-004,本發(fā)明 規(guī)定PCB的絕緣失效閥值為IOOMQ，將其代入到各退化軌跡模型中，外推求出各PCB板的偽 失效壽命數(shù)據(jù)如下表所示：
[01331
[i
[01對接著，基于偽失效壽命數(shù)據(jù)，利用加權最小二乘法和Gauss-Markov定理，計算PCB 偏壓應力加速模型的待估參數(shù)a和b，計算公式如下
[0136]
[0137]
[OU 引
， ，其中年!?？刹椤犊煽啃栽囼炗帽怼帆@得。為了計算式中系數(shù)H和M值， 先要計算特
征壽命In化和形狀參數(shù)HH估計值。對于小樣本的情況下，一般希望估計量的均方 差最小，最好線性無偏估計等方法得到的無偏估計量的均方差不一定是最小的，而最好線 性不變估計得到的估計量的均方差小于其他估計的均方差，因此將偽失效壽命數(shù)據(jù)視為完 全壽命數(shù)據(jù)，對不同應力水平下的Weibull分布參數(shù)lnru，mi采用最好線性不變估計方法進 行求解，計算結果如下表所示。
[0139]
[0140] 接著，根據(jù)上表計算得到a和b的估計值為
目此，得到偏壓 應力加速模型：1〇化=7.72-0.36 ? InV，即n = 2252.96 ? y-°'36。
[0141] 同時根據(jù)《可靠性試驗用表》，PCB絕緣壽命分布總體參數(shù)m的估計為
[0142]
[0143] 式中數(shù)值可按照近似計算公式：
，其中，巧?？刹椤犊煽啃栽囼炗?表》獲得。
[0144] 由Weibull分布的平均壽命公式可W計算出PCB的絕緣壽命為
[0145]
[0146] 式中，r (?)為伽馬函數(shù)。
[0147] 由于在ECM過程中，當PCB工作在高于65°C溫度時，環(huán)境濕度對PCB發(fā)生ECM的影響微乎 其微，因此可W忽略濕度對PCB壽命的影響。據(jù)此根據(jù)構建的絕緣壽命、溫度和濕度的關系模型， 近似計算PCB在25°C/45%RH環(huán)境下的絕緣壽命夫
。 由此完成對PCB在高溫高濕偏壓條件下的絕緣壽命快速預測過程。
[014引 W偏壓應力水平為220V時PCB可靠性評估為例，當V = 220V時，通過偏壓應力加速 模型可W得到lnru = 7.72-0.36Xln220 = 5.76，即得到在85°C/85%RH條件下PCB特征壽命 1185 = 2252.96 ? 220-^36 = 323.21化），接著根據(jù)上述公式計算PCB在85°C/85%RH條件下的 絕緣壽命具體為：
，最后外 推PCB在25°C/45%RH環(huán)境下的絕緣壽命為t25 = e邱（1.2 ? ln3082389.13) =61187816.75 化）。其他可靠性指標的估計可W類似得到。由此完成對PCB在高溫高濕環(huán)境下不同偏壓應 力的絕緣壽命快速預測。
[0149] 在本說明書的描述中，參考術語"實施例一"、"實施例二"、"示例"、"具體示例"、或 "一些示例"等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體方法、裝置或者特點包含于本發(fā) 明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是 相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、方法、裝置或者特點可W在任一個或多個實 施例或示例中W合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可W將 本說明書中描述的不同實施例或示例W及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
[0150] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟S1，對多塊PCB在高溫高濕條件下進行偏壓應力加速退化試驗，采集各PCB的表面 絕緣電阻值； 步驟S2,擬合PCB的表面絕緣電阻值得到性能退化軌跡模型，并根據(jù)所述性能退化軌跡 模型計算得到各PCB的偽失效壽命； 步驟S3，構建偏壓應力加速模型，根據(jù)偽失效壽命計算偏壓應力加速模型待估參數(shù)，進 而根據(jù)所述偏壓應力加速模型得到PCB在高溫高濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命； 步驟S4,構建高溫高濕條件與絕緣壽命的關系模型，根據(jù)所述關系模型得到PCB在室溫 條件下的絕緣壽命。2. 根據(jù)權利要求1所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法，其特征在 于，步驟S1的具體實現(xiàn)為： 步驟S11，將多塊PCB放置在高低溫濕熱環(huán)境試驗箱中，試驗箱的溫度設定為T，濕度設 定為RH; 步驟S12,將多塊PCB分為S組，S彡4,每組包括ru塊PCB，ru彡3，i表示第i組，且i = l， 2，…，S，將塊數(shù)為m，n2，…，ns的PCB分別放在偏壓應力水平為Vi，V2，…，Vs下進行恒加退化 試驗； 步驟S13,每隔一段時間，測量并記錄各PCB的表面絕緣電阻值。3. 根據(jù)權利要求1所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法，其特征在 于，步驟S2的具體實現(xiàn)為： 將所述性能退化軌跡模型中PCB的表面絕緣電阻值下降到預設失效臨界值時對應的壽 命作為PCB的偽失效壽命。4. 根據(jù)權利要求2所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法，其特征在 于，步驟S3的具體實現(xiàn)為： 步驟S31，構建絕緣壽命分布模型為式中，i = l，2,…，S，t表示 絕緣壽命，m表示特征壽命，mi表示形狀參數(shù)，F(xiàn) (t)表示以t為變量的函數(shù)； 在所述絕緣壽命分布模型中，將偽失效壽命當作絕緣壽命，采用最好線性不變估計方 法計算得到特征壽命ni和形狀參數(shù)mi; 步驟S32，構建偏壓應力加速模型為：式中，a，b表示待估參數(shù)，Vi表示偏壓應力； 根據(jù)步驟S31中計算得到的特征壽命ru，計算得出待估參數(shù)a和b; 步驟S33,利用構建的絕緣壽命分布模型和偏壓應力加速模型，計算PCB在高溫高濕條 件不同偏壓應力下的絕緣壽命。5. 根據(jù)權利要求1所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測方法，其特征在 于，步驟S4的具體實現(xiàn)為： 步驟S41，構建絕緣壽命、溫度和濕度的關系模型為：式中，t表示絕緣壽命，RH表示濕度，T表示溫度，Ea表示激活能，k表示玻爾茲曼常數(shù)，m， η表示待估參數(shù)； 步驟S42,根據(jù)高溫高濕條件下的絕緣壽命，計算得出室溫條件下的絕緣壽命。6. -種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測系統(tǒng)，其特征在于，包括表面絕緣電 阻值采集模塊、性能退化軌跡建模模塊、偏壓應力建模模塊和絕緣壽命預測模塊； 所述表面絕緣電阻值采集模塊，用于對多塊PCB在高溫高濕條件下進行偏壓應力加速 退化試驗，采集各PCB的表面絕緣電阻值； 所述性能退化軌跡建模模塊，用于擬合PCB的表面絕緣電阻值得到性能退化軌跡模型， 并根據(jù)所述性能退化軌跡模型計算得到各PCB的偽失效壽命； 所述偏壓應力建模模塊，用于構建偏壓應力加速模型，根據(jù)偽失效壽命計算偏壓應力 加速模型待估參數(shù)，進而根據(jù)所述偏壓應力加速模型得到PCB在高溫高濕條件不同偏壓應 力下的絕緣壽命； 所述絕緣壽命計算模塊，用于構建高溫高濕條件與絕緣壽命的關系模型，根據(jù)所述關 系模型得到PCB在室溫條件下的絕緣壽命。7. 根據(jù)權利要求6所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測系統(tǒng)，其特征在 于，所述表面絕緣電阻值采集模塊包括： 試驗條件設定單元，用于將多塊PCB放置在高低溫濕熱環(huán)境試驗箱中，試驗箱的溫度設 定為Τ，濕度設定為RH; 退化試驗單元，用于將多塊PCB分為S組，S彡4，每組包括m塊PCB，m彡3，i表示第i組，且 i = 1，2，…，S，將塊數(shù)為m，n2，…，ns的PCB分別放在偏壓應力水平為V!，V2，…，Vs下進行恒加 退化試驗； 采集單元，用于每隔一段時間，測量并記錄各PCB的表面絕緣電阻值。8. 根據(jù)權利要求6所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測系統(tǒng)，其特征在 于，所述性能退化軌跡建模模塊的具體實現(xiàn)為： 將所述性能退化軌跡模型中PCB的表面絕緣電阻值下降到預設失效臨界值時對應的壽 命作為PCB的偽失效壽命。9. 根據(jù)權利要求7所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測系統(tǒng)，其特征在 于，所述偏壓應力建模模塊包括： 失效壽命分布建模單元，用于構建PCB絕緣壽命分布模型^式 中，i = l，2,…，S，t表示絕緣壽命，ru表示特征壽命，ΠΗ表示形狀參數(shù)，F(xiàn)(t)表示以t為變量的 函數(shù)； 在所述絕緣壽命分布模型中，將偽失效壽命當作絕緣壽命，采用最好線性不變估計方 法計算得到特征壽命ni和形狀參數(shù)mi; 偏壓應力加速模型構建單元，用于構建偏壓應力加速模型為：式中，a，b表示待估參數(shù)，Vi表示偏壓應力； 根據(jù)所述失效壽命分布建模單元中計算得到的特征壽命Hi，計算得出待估參數(shù)a和b; 高溫高濕條件下絕緣壽命計算單元，用于利用構建的絕緣壽命分布模型和偏壓應力加 速模型，計算PCB在高溫高濕條件不同偏壓應力下的絕緣壽命。10. 根據(jù)權利要求6所述一種基于加速退化試驗的PCB絕緣壽命快速預測系統(tǒng)，其特征 在于，所述絕緣壽命預測模塊包括： 絕緣壽命模型構建單元，用于構建絕緣壽命、溫度和濕度的關系模型為：式中，t表示絕緣壽命，RH表示濕度，T表示溫度，Ea表示激活能，k表示玻爾茲曼常數(shù)，m， η表示待估參數(shù)； 室溫絕緣壽命計算單元，用于根據(jù)高溫高濕條件下的絕緣壽命，計算得出室溫條件下 的絕緣壽命。
【文檔編號】G01R31/28GK105954667SQ201610265343
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】解傳寧, 應華
【申請人】煙臺大學