基于竞争失效的数控系统PCB性能退化可靠性建模与评估研究

To predict the reliability of CNC PCB under the action of the external environment stress and the internal circuit completely, objectively and accurately, in the background to verify whether the reliability design of CNC system could meet the requirement and CNC system could be reliably working, this project focuses on the crucial and key problem of the reliability analysis and evaluation with CNC PCB as studied object. It obviously accords with the fact. Firstly, based on the failure mechanism and accelerated degradation test, the change rules of the insulating property are studied, and the performance degradation is assessed. Accordingly, the accelerated model of CNC PCB is built under the action of several stress. Secondly, based on competing failure analysis and theory, in consideration of the mechanism and relation among multiple failure modes, the typical accelerated model of CNC PCB is proposed on competing failure. Then, in consideration of the characteristics of the degradation data, an identifying method and the verification for the reliability model are proposed in the case of the small sample based on statistical analysis. This can improve the nicety of reliability evaluation, and it solves the reliability evaluation problem existing multiple failure modes. The research results offer effective and scientific support for the reliability growth of CNC system. The research is meaningful for the application and scientific theory.

为全面、客观、准确地评估数控系统PCB在外部环境和内部线路结构作用下的可靠性水平，验证其是否满足数控系统可靠性设计的要求及其在实际工作环境中能否支持系统可靠地工作，本项目以数控系统成品PCB为研究对象，从可靠性分析和评估中的核心和关键问题入手开展研究，更加符合工程实际：基于PCB失效物理/化学分析，依据加速退化试验技术，探索PCB绝缘性能变化规律，预测数控系统PCB性能退化，构建PCB多应力加速退化试验可靠性统计模型；基于多失效机理竞争失效分析，依据理论公式和工程技术，研究多种失效机理作用机制，构建基于竞争失效的PCB可靠性统计模型；基于性能退化数据统计分析，提取和分析性能监测数据包含的可靠性信息，研究在小样本情况下的模型参数辨识和模型验证问题，提高PCB可靠性评估的准确度，解决PCB在多失效机理下的可靠性评估问题。为数控系统可靠性增长提供科学有效的支撑，具有重要的科学研究意义和应用价值。

随着数控系统工作领域的扩展和PCB结构设计的复杂化，环境应力、工作应力和线路结构对数控系统PCB绝缘可靠性的影响不容忽视。本项目围绕环境应力（温度和湿度）、工作应力（电压）和线路结构（导线间距）对数控系统PCB绝缘失效的影响，研究数控系统PCB可靠性评估问题，为数控系统PCB绝缘失效防护和可靠性增长提供参考。①通过分析PCB绝缘失效的模式和原因，得到高温、高湿和工作电压作用下发生的电化学迁移是数控系统PCB绝缘失效的主要原因。②基于电化学迁移失效机理，分别研究环境应力（湿度）和工作应力（电压）对数控系统PCB绝缘失效的影响，设计和开展数控系统PCB加速寿命/退化试验，探索数控系统PCB绝缘性能变化规律，构建数控系统PCB湿度应力加速模型和电压应力加速模型；推导数控系统PCB寿命分布函数；并基于试验数据统计分析，研究小样本情况下的参数辨识和模型验证方法，最终得到数控系统PCB单应力下的可靠性评估模型。③为了进一步缩短试验时间，更加真实、准确地反映实际工作环境，项目再分别研究环境应力（温度）和线路结构（导线间距）、工作应力（电压）和线路结构（导线间距）的综合作用对数控系统PCB绝缘失效的影响，构建数控系统PCB多应力加速模型；为了验证模型，设计和开展数控系统PCB加速寿命/退化试验，对模型进行参数辨识和验证，验证了模型的合理性和可行性，可以有效预测数控系统PCB在不同应力水平下的可靠性特征量。④考虑到性能退化可能诱发突发性失效，因此数控系统PCB绝缘失效存在竞争性，据此项目基于竞争失效机理，通过分析性能退化失效与突发性失效之间的联系，分别建立了性能退化失效与突发性失效独立及相关情形下的可靠性模型，解决PCB多失效模式的可靠性评估问题，更加准确预测数控系统PCB在复杂工作条件下的可靠度，且更符合实际工程情况。