AMSAA(美國陸軍裝備系統分析活動中心)失效物理研究資訊

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一、失效物理專案背景AMSAA在過去的幾年中一直在進行失效物理計劃,以實現陸軍裝備設計和分析的超高可靠性。這種事前可靠性方法由於提前進行潛在失效機理的預計,因此可在生產和試驗之前消除這些失效。研究這一方法是基於這樣一種觀念,即瞭解產品如何運轉很重要,但瞭解其在預定操作環境中如何失效也同樣重要。正是環境條件對產品產生了應力。這些應力是由一些條件的組合引起的,如溫度迴圈、加速負載、濕度、輻射效應等。這些應力最終會導致失效,因此要為這些條件確定適當的應力-失效關係。這些關係可以通過熟悉的技術按特定條件加以轉用,必要時也可自己建立關係。一旦建立了這些關係後,就可計算出預期壽命,如果不符合要求,則要重新進行設計。

AMSAA正在與大學、企業、聯邦政府、軍方實驗室和陸軍領導進行接洽,以發展失效物理方法在國防部的使用。由於用失效物理方法有可能設計出更可靠的產品,並且可支援重設計以及民用技術/部件的引入,從而降低試驗、操作及保障費用,因此這項工作得到了廣泛的關注。

二、可靠性評價過程改進演示(RAPID)獲得成功這一工作由陸軍裝備系統分析活動中心(AMSAA)和空軍電子系統中心聯合投資進行。該專案重點預計多軍種電臺中的控制模組的可靠性,該模組包括有3個印刷線路板(PWB)。選這一電臺的原因在於它具有以下特點:多軍種應用,數位技術,多層印刷線路元件,表面安裝和通孔技術,民用元器件,高針數器件,並且密度較高。另外,該電臺是重新進行設計的,剛剛進入生產,生產廠也願意實施本專案的研究結果。

本專案用CALCE模型預計PWB的失效機理和失效位置。模型的結果用於確定加速壽命試驗和預計壽命預期值。生產線生產的控制模組要經過加速壽命試驗。試驗的結果與模型的預計結果進行比較,以驗證失效機理、位置和預計壽命的預計值。

失效物理模型的結果表明,板元件的設計壽命呈兩極分化,元件的預計壽命要不超過30年,要不少於10年(即在10年和30年之間沒有預計元件失效)。建模過程發現有9個無引線片式元件會因熱迴圈引起的焊接疲勞而出現永久失效。因此電路卡的總可靠性是受幾個元件所左右。

加速試驗的結果證實了模型的預計值,並發現了另外兩個生產問題。模型預計值與加速試驗資料比較結果表明,模型預計的焊接疲勞失效有99%都在試驗中出現了。從模組設計中消除這些永久失效後,估計在5000個電臺現場使用的20年壽命中可避免90,000電路卡的維修,可節約3200萬美元的維護費,並節約大量的時間。

三、BFIST任務處理器和顯示CCA的可靠性評價BFIST(Bradley Fire Support Team)任務處理器和顯示CCA(電路卡元件)的失效物理可靠性評價最近已經完成。CCA屬於對4個COTS產品和兩個軍用標準設計所進行的一項研究一部分。該研究需要評價CCA的操作和環境應力,並根據這些輸入應力確定元件的焊接可靠性和板的通孔疲勞壽命。研究中採用了CalcePWA 失效物理可靠性軟體。

四、機械失效物理專案啟動AMSAA用失效物理方法評價了陸軍電子產品的可靠性。目前陸軍武器系統中電路卡元件(CCA)的失效物理分析已經成為幫助陸軍產品管理人瞭解潛在可靠性問題的手段。這些工作的成功引起了高級陸軍領導對機械失效物理的興趣。AMSAA已經採取措施組織工作以滿足機械失效物理的需要。AMSAA與來自政府和學術界的工程人員進行合作,這些組織包括有TARDEC開發業務小組,衣阿華大學電腦輔助設計中心,俄克拉何馬州大學,阿伯丁試驗中心和OPTEC評價分析中心。該專案的短期目標是對陸軍計劃進行機械失效物理分析,並驗證使用的方法。

五、衝擊與振動MANTECH專案美國陸軍系統中的電路卡元件(CCA)維持費用是極高的。根據1996年的資料,美國陸軍每年現場使用127,746個包括CCA在內的電子產品(如處理器、電腦等),要花38300萬美元的費用。到1997年9月,僅對前300種電子產品(占38300萬美元中的31800美元),陸軍的投資就達59100萬美元。在這些電子產品中,由於惡劣的軍用環境,有許多因衝擊和振動而出現失效。某些潛在的生產缺陷(如焊料量低)會增加電子產品對衝擊和振動的敏感性。因此需要有一種方法(包括方法和工具)設計並生產出能抵抗衝擊和振動的健壯特性。而目前的電子可靠性評價工具並沒有涉及生產過程對衝擊和振動應力引起的設備失效所產生的影響。

本專案將研究出提高抗衝擊和振動能力的設計、生產方法和軟體工具(包括生產缺陷的影響)。研究出的方法和工具將對UMD CALCE電子系統和產品中心(EPSC)和AMSAA現有的研究和開發產生影響。這些方法和軟體工具將在陸軍系統上演示,並將通過試驗來驗證分析。