● 摘要
具有实时的“故障预测”和“健康管理”能力已日益成为下一代大型复杂系统的一个主要特征。故障预测与健康管理（PHM，Prognostics and Health Management）是指利用尽可能少的传感器采集系统的各种数据信息，借助各种智能推理算法（如物理模型、神经网络、数据融合、模糊逻辑、专家系统等）来监测系统自身的健康状态，在系统故障发生前对其故障进行预测，并结合各种可利用的资源信息提供一系列的维修保障措施以实现系统的视情维修和自主式保障。本论文通过深入调研国内外在PHM方面的研究成果和应用现状，指出了电子产品PHM方面研究的不足和存在的难点问题。对电子产品PHM的系统框架和应用技术、基于特征参数监测和故障物理（PoF，Physics of Failure）的电子产品PHM方法和流程、电子产品失效机理的故障物理模型、电子产品失效机理的确认和验证技术以及电子产品PHM实验案例验证等几个方面进行了研究，可以为工程中实际构建电子产品的PHM系统提供理论指导和实践参考。首先，在总结和分析目前PHM系统研究和应用现状的基础上，以视情维修的开放系统体系结构（OSA-CBM，Open System Architecture for Condition-based Maintenance）为主线，对PHM系统应用和实施可能选用的一般性技术和方法的研究和应用现状进行分析和总结，主要包括传感器应用与数据采集、数据传输、数据预处理、状态监测、健康评估和故障预测、数据融合与推理决策以及系统接口等。对可用于电子产品故障预测的三类基本方法进行了研究。给出了基于特征参数概率分布趋势进化进行故障预测的基本方法、流程和算法；给出了基于故障物理方法对电子产品进行故障预测的基本流程；分析讨论了故障物理方法的理论和模型基础（主要包括失效机理及其分类、故障物理模型以及剩余寿命预测模型等）；给出了基于“内建损伤标尺”的故障预测方法的基本原理。对电连接器的主要失效模式、机理及其主要影响因素进行了分析和总结；以振动条件下摩擦腐蚀失效机理造成的电连接器接触失效为关注点，对其进行了实验设计和多应力水平的加速实验；以接触电阻的退化数据为基础给出了不同应力条件下其寿命（可靠性）评估结果；并通过扫描电镜（SEM, Scanning Electron Microscopy）和X射线能谱分析（EDS, Energy Dispersive Spectrometer）对上述失效机理的实验结果进行了验证。对于印制线路板电镀通孔（PTH，Plated Through Hole）的疲劳断裂失效机理，业界采用的IPC（美国电子电路和电子互连行业协会）方法分应力-应变评估和低周疲劳寿命评估两个步骤对其疲劳寿命进行评估。对IPC应力-应变评估模型中存在的问题进行了说明，并利用有限元模型（FEM, Finite Element Model）对PTH孔壁镀层中的应力-应变分布进行了研究。对印制线路板几何设计参数对PTH疲劳寿命的影响进行了灵敏度分析。此外，还基于Mirman模型对PTH外部焊盘转角处应力评估简化模型中的边界条件取值对评估结果的影响进行了初步研究。电子产品失效机理确认和验证是电子产品PHM实施过程中的难点和关键技术之一。对失效分析（FA，Failure Analysis）在PHM实施各阶段的作用进行了分析和讨论。给出了典型的电子产品失效分析流程。针对工程实际发生失效的具有灌封线圈结构的机电类产品案例，采用传统的破坏性物理分析和时域反射仪（TDR，Time Domain Reflectometry）测试相结合的方法，确定了该型器件的失效部位，并通过热应力模拟实验对造成该型器件失效的可能原因进行了分析。最后，选取典型的电子产品案例（闪存），对上述电子产品PHM的基本方法和流程进行了实验验证。案例中通过考虑实验样品的芯片失效机理（包括电迁移失效和热载流子退化失效）以及封装失效机理（包括有引脚形式焊点疲劳失效和PTH疲劳失效），对经历各种不确定的实验环境条件后样品的剩余寿命进行预测。同时在实验中选定存储速率作为性能参数对其健康状态进行监测。通过实验案例验证研究，明确了电子产品PHM实施过程中和实验验证上的技术细节问题，为工程实际中构建电子产品的PHM系统提供了实践积累。