基于PoF模型和FTA的电子装备故障模式分析

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.011

摘要/Abstract

摘要：

针对电子装备的测试性验证试验中，因电路集成度较高，故障模式可能由一个或多个失效机理引起，利用热失效分析等传统手段已无法有效对电子装备进行深层故障模式分析而导致试验样本可信度降低的问题，提出了基于失效物理（physics of failure,PoF）模型和故障树(fault tree analysis, FTA)相结合的改进故障模式分析方法。以某型电子装备电源模块中过压保护电路为实例，运用失效物理模型从器件级故障模式分析入手，计算出故障率和危害度，得到过压保护电路的FMECA结果，并以故障树分析方法为引导，根据底事件概率重要度与电子元器件危害度定义的相通性，分别将二者优先排序相互比较后验证FMECA结果的正确性，而后按照此类方法层层向上解析，最终得到电子装备正确性高的故障模式分析结果，有效提高了测试性验证试验样本的可信度。

关键词: 电子装备, 故障模式, 故障模式、影响及危害性分析分析, 失效物理, 故障树

Abstract:

In the testability verification test of electronic equipment， due to the high degree of circuit integration， the fault mode may be caused by one or more failure mechanisms， and traditional means such as thermal failure analysis can no longer effectively analyze the deep fault mode of electronic equipment， which leads to the reduction of the credibility of test samples. An improved fault mode analysis method based on the combination of failure physics and fault tree is proposed. Taking the overvoltage protection circuit in the power module of an electronic equipment as an example， the failure physics model is used to calculate the failure rate and criticality from the device level failure mode analysis， and the FMECA results of the overvoltage protection circuit are obtained. Guided by the fault tree analysis method， the FMECA results are verified by comparing the priority of the two according to the similarity between the definition of the probability importance of the bottom event and the criticality of the electronic components. According to this method， the fault mode analysis results of electronic equipment are finally obtained with high accuracy， which effectively improves the reliability of testability verification test samples.

Key words: electronic equipment, failure mode, failure mode effect and critically analysis（FMECA）, failure physics, fault tree

中图分类号:

TP306.3

张宇, 程中华, 连光耀, 赵润泽, 邱雄飞. 基于PoF模型和FTA的电子装备故障模式分析[J]. 现代防御技术, 2023, 51(4): 86-96.

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图/表 13

图1 故障模式分析流程图

Fig.1 Flow chart of failure mode analysis

表1 失效机理及故障模式

Table 1 Failure mechanism and failure mode

典型电子元器件	失效机理	故障模式	主要影响因素
小功率二极管、三极管	腐蚀（COR）	开路	湿度、温度梯度
小功率二极管、三极管	电迁移（EM）	开路、短路、高阻、参数漂移	湿度、温度梯度
大功率晶体管	腐蚀（COR）	开路	电过应力、高电流密度、温度
大功率晶体管	电迁移（EM）	开路、短路、高阻、参数漂移	电过应力、高电流密度、温度
MOS管	电迁移（EM）	开路、短路、高阻、参数漂移	电过应力、温度、沟道区域较大电场
	热载流子效应（HCI）	短路
	时间相关的介质击穿（TDDB）	短路、阈值电压增大
电容	腐蚀（COR）	开路	电过应力、高工作电压、温度
电容	电迁移（EM）	开路、短路、高阻、参数漂移	电过应力、高工作电压、温度
电阻	腐蚀（COR）	开路	电过应力、高工作电压、温度

表2 失效机理的失效物理模型

Table 2 Failure physical model of failure mechanism

失效机理	失效物理模型
电迁移（EM）	$M T T F E M = A J - 2 e x p E a k A T$
腐蚀（COR）	$M T T F C O R = A (R H) - 2 e x p E a k A T$
热载流子效应（HCL）	$M T T F H C I = B (I s u b) - 2 e x p E a k A T$
时间相关的介质击穿（TDDB）	$M T T F E = t 0 e x p E a k A T - γ E x M T T F 1 E = τ 0 e x p G E x M T T F T D D B = M T T F E + M T T F 1 E M T T F E M T T F 1 E$

表2 失效机理的失效物理模型

Table 2 Failure physical model of failure mechanism

失效机理	失效物理模型
电迁移（EM）	$M T T F E M = A J - 2 e x p E a k A T$
腐蚀（COR）	$M T T F C O R = A (R H) - 2 e x p E a k A T$
热载流子效应（HCL）	$M T T F H C I = B (I s u b) - 2 e x p E a k A T$
时间相关的介质击穿（TDDB）	$M T T F E = t 0 e x p E a k A T - γ E x M T T F 1 E = τ 0 e x p G E x M T T F T D D B = M T T F E + M T T F 1 E M T T F E M T T F 1 E$

表3 失效物理模型相关参数参考值

Table 3 Reference value of relevant parameters of failure physical model

参数	数值	参数	数值
A/（μF·cm^-2）	2	B/（cm·s^-1）	10
J/（A·cm^-2）	0.1×10⁶	I_sub/A	40
E_a/V	-0.1e	t₀ /（cm²·V^-1·s）	6.3e14
K/（eV·K^-1）	8×10^-5	τ₀ /nm	1.0e-11
T/K	300	G/（MV·cm^-1）	350
γ/（cm·mV^-1）	7	RH/%	50

表4 过压保护电路严酷度类别及定义

Table 4 Severity category and definition of overvoltage protection circuit

严酷度类别	严重程度定义
I	电子装备电源模块的过压保护功能完全丧失并对电子装备造成破坏
II	电子装备电源模块的过压保护功能部分丧失或下降
III	电子装备电源模块不能正确地向操作者报告其工作状态
IV	电子装备电源模块的过压保护功能无影响，但是需要进行非计划维修

表5 MOS管的危害性分析相关结果

Table 5 Results of MOS tube hazard analysis

器件	故障模式	$α j$	$β j$	$λ p × 10 - 6$	严酷度等级	$λ j × 10 - 6$	$C m j × 10 - 6$	$C r × 10 - 6$
MOS管	短路	0.45	0.049	0.846	I	0.018 6	0.055 8	0.055 8
	高阻	0.50	0.027		II	0.011 4	0.034 2	0.062 4
	开路	0.35	0.030		II	0.009 4	0.028 2	0.062 4
	参数漂移	0.30	0.018 2		III	0.004 5	0.013 5	0.027 7
	阈值电压增大	0.20	0.028		III	0.008 1	0.014 2	0.027 7

表5 MOS管的危害性分析相关结果

Table 5 Results of MOS tube hazard analysis

器件	故障模式	$α j$	$β j$	$λ p × 10 - 6$	严酷度等级	$λ j × 10 - 6$	$C m j × 10 - 6$	$C r × 10 - 6$
MOS管	短路	0.45	0.049	0.846	I	0.018 6	0.055 8	0.055 8
	高阻	0.50	0.027		II	0.011 4	0.034 2	0.062 4
	开路	0.35	0.030		II	0.009 4	0.028 2	0.062 4
	参数漂移	0.30	0.018 2		III	0.004 5	0.013 5	0.027 7
	阈值电压增大	0.20	0.028		III	0.008 1	0.014 2	0.027 7

图2 故障树分析流程图

Fig. 2 Flow chart of fault tree analysis

图3 过压保护电路故障树

Fig. 3 Fault tree of overvoltage protection circuit

表6 故障树事件含义

Table 6 Fault tree event meaning

事件编号	事件名称	事件编号	事件名称
T	电源电路过电压保护失效	x₄	r9电阻器开路
M₁	电源故障	x₅	v13三极管开路
M₂	过压保护电路故障	x₆	c7电容器短路
M₃	电源无输出	x₇	c8电容器短路
M₄	电源正端与地短接	x₈	r12电阻器开路
M₅	过压保护电路两端断开	x₉	v4MOS管开路
M₆	过压保护电路输出端无法通导	x₁₀	v5MOS管参数漂移
M₇	过压保护电路两端直接相连	x₁₁	v5MOS管阈值电压增大
x₁	v3双极型晶体管开路	x₁₂	v5MOS管短路
x₂	v5MOS管高阻	x₁₃	v6MOS管短路
x₃	v11稳压二极管短路

表7 底事件故障率和危害度

Table 7 Bottom event failure rate and criticality

底事件 $x j$	严酷度	故障率 $λ j × 10 - 6$	危害度 $C m j × 10 - 6$
x₁	I	0.034 2	0.102 6
x₂	II	0.011 4	0.034 2
x₃	I	0.082 1	0.246 3
x₄	II	0.019 8	0.059 4
x₅	II	0.030 7	0.092 1
x₆	I	0.017 8	0.053 4
x₇	I	0.017 8	0.053 4
x₈	II	0.019 8	0.059 4
x₉	II	0.009 4	0.028 2
x₁₀	III	0.004 5	0.013 5
x₁₁	III	0.048 2	0.144 2
x₁₂	I	0.018 6	0.055 8
x₁₃	I	0.018 6	0.055 8

表7 底事件故障率和危害度

Table 7 Bottom event failure rate and criticality

底事件 $x j$	严酷度	故障率 $λ j × 10 - 6$	危害度 $C m j × 10 - 6$
x₁	I	0.034 2	0.102 6
x₂	II	0.011 4	0.034 2
x₃	I	0.082 1	0.246 3
x₄	II	0.019 8	0.059 4
x₅	II	0.030 7	0.092 1
x₆	I	0.017 8	0.053 4
x₇	I	0.017 8	0.053 4
x₈	II	0.019 8	0.059 4
x₉	II	0.009 4	0.028 2
x₁₀	III	0.004 5	0.013 5
x₁₁	III	0.048 2	0.144 2
x₁₂	I	0.018 6	0.055 8
x₁₃	I	0.018 6	0.055 8

表8 底事件概率重要度

Table 8 Probability importance of bottom event

底事件 $x j$	概率重要度 $I P (j)$	底事件 $x j$	概率重要度 $I P (j)$
x₁	0.781 2	x₈	0.765 1
x₂	0.768 2	x₉	0.761 7
x₃	0.822 1	x₁₀	0.020 7
x₄	0.765 1	x₁₁	0.036 4
x₅	0.778 4	x₁₂	0.768 8
x₆	0.768 2	x₁₃	0.768 8
x₇	0.768 2

表8 底事件概率重要度

Table 8 Probability importance of bottom event

底事件 $x j$	概率重要度 $I P (j)$	底事件 $x j$	概率重要度 $I P (j)$
x₁	0.781 2	x₈	0.765 1
x₂	0.768 2	x₉	0.761 7
x₃	0.822 1	x₁₀	0.020 7
x₄	0.765 1	x₁₁	0.036 4
x₅	0.778 4	x₁₂	0.768 8
x₆	0.768 2	x₁₃	0.768 8
x₇	0.768 2

表9 MOS管危害度与概率重要度对比

Table 9 Comparison of MOS tube hazard and probability importance

底事件	严酷度	危害度	概率重要度
x₂	II	0.034 2	0.768 2
x₉	II	0.028 2	0.761 7
x₁₀	III	0.013 5	0.020 7
x₁₁	III	0.014 2	0.036 4
x₁₂，x₁₃	I	0.055 8	0.768 8

表10 过压保护电路FMECA结果

Table 10 FMECA result of overvoltage protection circuit

单元	功能	故障模式（器件级）	故障原因	故障影响	严酷度	$C m j × 10 - 6$	$C r × 10 - 6$
某信号控制电子装备电源模块过压保护电路	能够将电子装备中的电压值维持在一个相对稳定的状态下，起到保护作用	v3双极型晶体管开路	温度梯度大等导致腐蚀、热疲劳断裂等	过压保护功能失效	I	0.102 6	I：0.567 3 II：0.237 3 III：0.027 7
		v5MOS管高阻	过电应力击穿，过热击穿	电源模块发生故障	II	0.034 2
		v11稳压二极管短路	温度梯度大、湿度大等导致电迁移	电路电源无输出	I	0.246 3
		r9电阻器开路	温度、湿度下电阻膜腐蚀、过电绝缘击穿	电路电源无输出	II	0.041 4
		v13三极管开路	温度梯度大等导致腐蚀、热疲劳断裂等	电路电源无输出	II	0.092 1
		c7电容器短路	过电应力击穿，过热击穿	电源正端与地短接	I	0.053 4
		c8电容器短路	温度梯度大、湿度大等导致电迁移	电源正端与地短接	I	0.053 4
		r12电阻器开路	温度、湿度下电阻膜腐蚀、过电绝缘击穿	过压保护电路两端断开	II	0.041 4
		v4MOS管开路	过电应力导致的介质击穿等	过压保护电路两端断开	II	0.028 2
		v5MOS管参数漂移	温漂和电负荷导致的老化	驱动电压产生波动	III	0.013 5
		v5MOS管阈值电压增大	电压、温度作用下产生的介质击穿	过压保护电路输出端通导所需电压变化	III	0.014 2
		v5MOS管短路	电压、温度作用下产生界面电荷、热载流子、TDDB	过压保护电路两端直接相连	I	0.055 8
		v6MOS管短路	电压、温度作用下产生界面电荷、热载流子、TDDB	过压保护电路两端直接相连	I	0.055 8

表10 过压保护电路FMECA结果

Table 10 FMECA result of overvoltage protection circuit

单元	功能	故障模式（器件级）	故障原因	故障影响	严酷度	$C m j × 10 - 6$	$C r × 10 - 6$
某信号控制电子装备电源模块过压保护电路	能够将电子装备中的电压值维持在一个相对稳定的状态下，起到保护作用	v3双极型晶体管开路	温度梯度大等导致腐蚀、热疲劳断裂等	过压保护功能失效	I	0.102 6	I：0.567 3 II：0.237 3 III：0.027 7
		v5MOS管高阻	过电应力击穿，过热击穿	电源模块发生故障	II	0.034 2
		v11稳压二极管短路	温度梯度大、湿度大等导致电迁移	电路电源无输出	I	0.246 3
		r9电阻器开路	温度、湿度下电阻膜腐蚀、过电绝缘击穿	电路电源无输出	II	0.041 4
		v13三极管开路	温度梯度大等导致腐蚀、热疲劳断裂等	电路电源无输出	II	0.092 1
		c7电容器短路	过电应力击穿，过热击穿	电源正端与地短接	I	0.053 4
		c8电容器短路	温度梯度大、湿度大等导致电迁移	电源正端与地短接	I	0.053 4
		r12电阻器开路	温度、湿度下电阻膜腐蚀、过电绝缘击穿	过压保护电路两端断开	II	0.041 4
		v4MOS管开路	过电应力导致的介质击穿等	过压保护电路两端断开	II	0.028 2
		v5MOS管参数漂移	温漂和电负荷导致的老化	驱动电压产生波动	III	0.013 5
		v5MOS管阈值电压增大	电压、温度作用下产生的介质击穿	过压保护电路输出端通导所需电压变化	III	0.014 2
		v5MOS管短路	电压、温度作用下产生界面电荷、热载流子、TDDB	过压保护电路两端直接相连	I	0.055 8
		v6MOS管短路	电压、温度作用下产生界面电荷、热载流子、TDDB	过压保护电路两端直接相连	I	0.055 8

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