CRAFE电子产品可靠性综合评估软件-用户案例
SiP芯片可靠性仿真
随着人工智能、5G互连以及物联网时代来临，全球终端电子产品渐渐走向多功能整合及低功耗设计，因而使得可将多颗裸晶整合在单一封装中的SIP技术日益受到关注。当产品功能越来越多，同时电路板空间布局受限，无法再设计更多元件和电路时，设计者会将此PCB板功能连带各种有源或无源元件集成在一种IC芯片上，以完成对整个产品的设计，即SIP应用。SiP芯片尺寸小、成本低、但同时产生了封装可靠性、散热、电磁干扰等诸多可靠性问题。CRAFE软件通过任务剖面的建立，最大程度还原芯片的工作环境，通过仿真确定芯片在该工作工况下的温度分布、最大位移、最大应变、损伤等，通过分析芯片可能产生的故障模式深入分析故障机理，选择相应的故障物理模型，最终得到芯片在每个故障物理模型下的TTF准确数据，发现SiP芯片的封装互连可靠性问题。CRAFE通过二次仿真，为研发工程师提供了改进方向，帮助其解决SiP芯片的封装互连可靠性问题。
新能源客车集成控制器电路板应力仿真与可靠性预计
为实现商用电动汽车集成控制器的可靠性预计与提升，采用应力仿真与故障物理相结合的方法对其关键电路板进行可靠性预计。
针对集成控制器电路板的数字样机开展热、振动仿真应力分析，采用故障模式机理及影响分析（FMMEA）方法分析电路板可能存在的故障模式和故障机理，确定潜在故障模式的故障物理模型。将应力分析的结果作为故障物理模型的输入，进行基于故障物理的可靠性预计，寻找设计薄弱环节并提出改进措施。该方法基于故障物理，相对传统的基于手册的可靠性预计方法精度更高，同时能够在产品研制阶段与性能设计并行，通过分析和改进产品设计达到正向可靠性设计的目的，为新能源汽车领域电子产品的可靠性预计提供了新的思路。
基于CRAFE的电源模块维修建议
CRAFE软件可以对电子产品进行可靠性仿真评估，得到产品的MTTF，这一结果可以帮助用户确定维修方案。我们对某电源模块进行可靠性仿真评估，利用CRAFE平台，对该电源模块进行了环境应力仿真、参数测定、模型校核等工作，得到了热分析结果，进而评估了该电源模块的可靠性。
CRAFE计算的结果表明不考虑维修情况时，得到半载条件下电源模块在考虑薄弱器件影响时的MTTF约为11.4年，满载条件下MTTF约为8.2年。电源模块可以通过预防性维修等措施延长其寿命，根据模块的历史故障及维修数据，我们建议电源模块在寿命周期内可以进行2次预防性维修，分别为模块运行后第6年和第10年；最后运行2年后作报废处理。对于长周期库存备件建议每隔2年进行一次开机，以激活元器件，避免性能提前衰退。
基于CRAFE振动仿真的设计改进
电子产品中元器件由于振动的原因引起的故障机理包括如由于振动量值过大引起管脚断裂、由于随机振动或者周期性正弦振动引起振动疲劳等。振动分析的目的是利用振动仿真数字样机，来计算在给定条件下的振动应力分布，为故障时间计算提供输入，也可为产品的抗振设计提供依据。CRAFE可以为用户提供完整的振动仿真分析结果，帮助用户定位产品的振动薄弱环节。
我们对某控制板模块产品进行了振动仿真分析，发现该控制板模块上的盖板加速度均方根值较大。其原因是盖板重量较大且悬空，在振动环节下容易产生较大的加速度。
产品研制单位对该控制板模块进行了振动改进设计，将大质量元器件利用紧固方式安装到印制板上，将电感器、铝电解电容器先安装在专用支座中，后用灌封胶将器件与支座间隙填满。线绕电阻器等利用灌封胶将器件固定在印制板上。圆形连接器处的导线先用热缩套管集束后再放到出线夹中，出现夹用安装螺钉等紧固件固定。改进后改产品振动薄弱环节被消除
基于CRAFE热仿真的设计改进
电子产品在储存、运输和使用过程中，经常受到周围环境的影响，温度就是一种典型的环境条件。高温可能来自周围环境温度升高，也可能来自元器件内部电流密度提高造成的电热效应。热仿真分析的目的是利用热仿真数字样机，计算产品在给定条件下的温度分布，为故障时间计算提供输入，也可为产品的热设计提供依据。CRAFE可以为用户提供完整的热仿真分析结果，帮助用户定位产品的热薄弱环节。
我们对某显示器产品进行了热仿真分析，发现该设备的模块部分器件温度偏高。电路板正面多个器件温度较高。其中，电源芯片和多个集成电路器件在70℃极端环境下，温度超过110℃。
我们对显示器电路模块进行了热测试试验，在环境温度40℃保温测试时，发现该电路模块上的电源模块的壳温就超过105℃，而显示屏幕左上角出现蓝色亮斑及条纹。在进行环境温度70℃保温测试时，屏幕显示异常，电流不稳，测得模块中器件最高元器件壳温达到130℃。经分析，造成温度高的原因是机箱体积小，电路板采用叠层布局，不利于散热。测量试验的结果验证了仿真结果的正确性，同时也说明了，通过仿真试验，能够在设计的早期阶段发现薄弱环节。
产品研制单位对显示电路板进行了降功耗设计，并局部改变结构，使其能与后盖板直接接触，同时还增加了后盖板散热槽的散热面积，利用后盖板将显示电路板的热量传导并散发到周围环境中。经过设计改进后，器件最高壳温不超过100℃。
高速数据存储器加速试验技术研究
高速数据存储器包括读写控制模块、数据处理模块和对外接口模块等，器件众多、逻辑较为复杂，同时长时间处于数据高速读写状态，容易产生较高的温度和较大的振动，从而对其寿命和可靠性产生影响。因此，本项目通过对高速数据存储器进行系统分析（包括FMMEA、可靠性热仿真分析和振动仿真分析），找出可靠性薄弱环节，指明潜在故障发生的位置和原因并进行故障预计，以指导产品设计改进，提高产品的可靠性水平，并进一步通过开展高加速寿命试验（HALT），加速激发产品设计和工艺缺陷，对产品的可靠性进行验证和评估。
首先，通过FMMEA，找出产品的潜在故障模式及机理，分析其对产品功能产生的影响。然后，利用CRAFE软件有限元仿真，对整机进行热仿真分析和振动仿真分析，进行数字样机建模，构建故障预计模型，部分仿真结果及故障预计模型。
仿真结果表明，受试产品整机热设计合理， 数据管理 模块热设计相对薄弱，存在热集中区且模块上的3个元器件温度相对较高，发现薄弱环节5个，均为器件。故障预计模型结果表明，最薄弱环节为数据管理模块的某个器件，故障机理是温度相对较高致使长时间工作发生疲劳，受试产品的故障时间约为43012小时。基于仿真分析的结果，甲方针对产品薄弱环节更改产品设计方案。
进一步地，对改进的产品实施HALT试验，系统地施加逐步增大的环境应力和工作应力，具体方式为低温步进、高温步进和高低温循环试验。试验结果表明，改进后的产品的工作应力极限为低温-75℃，高温120℃；试验样本在试验中出现参数漂移现象，但在各应力水平下均未发生失效，在回到常温后测试性能指标恢复正常。
通过本项目的仿真分析和试验验证，对高速数据存储器的薄弱环节定位及故障机理分析较为准确，指导了产品的设计改进，提升了产品的固有可靠性水平。
