在故障间隔的平均时间内使用可靠性物理分析的3个原因

在确定电子组件的产品可靠性和潜在故障风险时，工程师经常使用两种类型的可靠性分析:基于手册的平均故障间隔时间(MTBF)分析和基于仿真的可靠性物理分析(RPA)。

当工程师仅仅依靠基于手册的方法进行可靠性预测时，会出现许多限制。在这篇博客中，我们将讨论只使用手册mtbf的潜在后果，以及将模拟应用于产品可靠性分析的优势。

什么是MTBF?

MTBF代表故障之间的平均时间，并预测机械或电子系统在正常系统操作期间固有故障之间的经过时间。MTBF采用基于历史部件数据的经验故障率计算。这些数据在不同的手册中独立编译，如Telcordia SR-332和MIL-HDBK-217。

当工程师仅依赖基于手册的MTBF方法进行可靠性测试时，会出现许多限制:

1.过度和不足预测产品失败

基于手册的MTBF方法的一个局限性是，它假设故障在本质上是随机的，并且在故障率计算生成后以恒定的速率发生。然而，假设故障是随机的并且以恒定的速率发生并不总是准确的。研究已经表明，这些手册中产生的故障率可以有很大的差异，无论是在不同的手册之间(MIL手册和Telcordia手册之间)，还是从手册到实际的现场故障数据。更糟糕的是，它们可以在两个方向上变化，既可以过度预测失败，也可以不足预测失败。

表1:手册MTBF分析的一般最终输出

在“MTBF与可靠性物理的局限性”网络研讨会中了解更多关于MTBF故障率计算的信息。

2.MTBF不能解释所有的设计决策

依赖MTBF分析的最大限制可能是它不能直接解释许多全局装配效应。分析的初始输入包括可以在平均物料清单(BOM)、组件数据表和通用操作环境中找到的组件信息。然而，随着设计的成熟，不能输入更详细的输入，例如详细的外壳几何形状、板布局、夹具等等，这将使工程师在设计板时评估可靠性。这是非常有限的，因为MTBF分析没有考虑可能对产品故障产生重大影响的关键设计特征，例如应力集中安装点靠近敏感部件或选择不当的外壳材料对机械可靠性的影响。

3.受限环境输入和负荷应用

MIL和Telcordia手册定义了严格的定性环境，电子组件在可靠性测试之前必须分配。这些环境由Telcordia标准定义，包括地面固定环境、地面移动环境、机载环境等。这些环境中的每一个都对应一个故障率修改Pi因子，该因子决定了每个电子部件的总体故障率。随着环境严重程度的增加，Pi系数也会增加，组件的故障率也会增加。

表2:MTBF经验地考虑了带温度因子的稳态环境温度，并假设故障率随着温度的升高而增加(这个假设不一定正确)。MTBF可以包含产品的不同操作温度和在这些温度下所花费的时间，但它通常不会直接说明像这样的热循环剖面。来源:有限元分析软件

不幸的是，没有机会使用此方法将特定的加载条件应用于程序集。具体的冲击或振动剖面或操作环境的详细热特性很难(如果不是不可能的话)包含在手册中的MTBF分析中。工程师通常必须选择最适合他们用例的手册定义的环境。这是一个犯错的机会，因为手册环境可能无法充分涵盖每个特定的、复杂的环境。

基于仿真的可靠性物理分析(RPA)对可靠性测试的好处

RPA被定义为一种工程产品开发方法，它应用失效物理(PoF)开发的失效机制、模型和知识来生产无故障的产品和系统。当与仿真相结合时，RPA可以为工程师提供有关产品故障风险的可操作信息，这些信息通常比仅基于手册的MTBF数字更准确和详细。

了解有关Ansys Sherlock如何实现可靠性物理分析(RPA)的更多信息。

RPA对可靠性测试的三大好处是:

1.健壮和可操作的数据

可靠性物理方法更关注组装物理过程的因果关系，而手册MTBF方法更关注将数据聚合为单个值以进行比较。RPA深入挖掘某些部件在特定条件下发生故障的原因，为工程师提供有价值和可操作的见解，有助于为产品设计的未来迭代提供信息。

表3:Ansys Sherlock结合几何图形来确定组件布局和板尺寸如何影响潜在的故障模式。来源:有限元分析软件

此外，由于RPA在评估可靠性时考虑特定的几何形状和环境条件，因此可以提供更多可操作的数据。如果没有基于模拟的RPA，设计工程师可能不会发现潜在的设计问题，直到他们建立原型并对电路板进行物理测试。例如，通过对机械冲击事件进行有限元模拟，并使用可靠性物理分析所产生的板应变，可以明确识别高风险组件，并建议调整安装点或底填充组件等缓解技术。

RPA的基本理念是帮助工程师更好地理解潜在设备故障的方式和原因，以便更好地预防这些风险，而MTBF方法只是简单地说:该设备以这种速率故障。

2.详细的模型输入和负载应用

MTBF分析的局限性之一是模型输入和负载应用的约束标准。这就是基于模拟的RPA真正发挥作用的地方。通过仿真，工程师可以建立产品的三维模型，并包括重要参数，如部件的形状和重量、板安装条件和厚度。此外，它还为工程师提供了升级设计过程的选择，包括外壳或其他支撑结构的影响，或者深入一个层次，查看单个组件以及内部特征(如模具附件结构或引线框架形状)如何影响可靠性行为。

表4:印刷电路板组件(PCBA)的RPA结果集示例，显示了通过模拟计算的冲击应变和由此产生的可靠性预测。来源:有限元分析软件

在分析中包含这些特征允许工程师捕捉可能影响故障行为的影响，例如由于不足或过度约束的组件以及系统中的模态振型和固有频率而导致的过度应变场。

3.RPA支持多次迭代

RPA仿真的最后一个重要好处是，由于其迭代特性，它使工程师能够在整个设计过程中不断地重新量化可靠性。RPA模拟不仅可以捕获直接影响装配可靠性的几何图形和特定使用环境，而且还可以快速迭代设计更改，如更改挂载点、不同的环境或组件固定。然后，该分析允许优化这些更改，以确定它们将如何影响产品故障风险，并得出哪些更改最有利于整个产品设计。与单独的MTBF分析相比，这确实使可靠性物理模拟成为一个非常强大的工具。