(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211269128.9 (22)申请日 2022.10.17 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 陈岑　孙祺森　蒋威钧　王知非　 张笑生　叶雪荣　翟国富　 (74)专利代理 机构 哈尔滨龙 科专利代理有限公 司 23206 专利代理师 冯建 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06K 9/62(2022.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 111/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于多模型协同的数模混合电路设备 可靠性预计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于多模型协同的数模 混合电路设备可靠性预计方法， 所述方法包括如 下步骤： S1、 建立适用于可靠性预计的数模混合 电路设备电、 热耦 合数字样机模型； S2、 基于数字 样机模型， 分析数模混合电路设备电子元器件失 效模式、 失效机理， 确定可靠性薄弱的电子元器 件及其失效物理模型； S3、 建立融合性能退化和 功能失效的数模混合电路设备可靠性预计模型， 基于蒙特卡洛及电热耦合仿真法求解得到给定 预计工作环境应力及故障判据对应的可靠度曲 线。 本发明能够解决数模混合电路电子设备电路 仿真建模、 电子元器件退化与失效行为模拟、 电 热耦合下同时考虑电子元器件功能失效与性能 退化的可靠性预计困难的问题。 权利要求书3页 说明书10页 附图4页 CN 115510718 A 2022.12.23 CN 115510718 A 1.一种基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法， 其特征在于所述方法包 括如下步骤： 步骤S1、 建立 适用于可靠性预计的数模混合电路设备电、 热耦合数字样机模型； 步骤S2、 基于步骤S1建立的数字样机模型， 分析数模混合电路设备电子元器件失效模 式、 失效机理， 确定可靠性薄弱的电子元器件及其失效物理模型； 步骤S3、 结合步骤S1建立的数字样机模型和步骤S2确定的可靠性薄弱电子元器件的失 效物理模型， 建立融合性能退化和功能失效的数模混合电路设备可靠性预计模型， 基于蒙 特卡洛及电热耦合仿真法求 解得到给定预计工作环境应力及故障判据对应的可靠度曲线。 2.根据权利要求1所述的基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法， 其特 征在于所述步骤S1中， 数字样机模型由两部分组成： 数字样机电学模型、 数字样机热学模 型， 其中： 所述数字样机电学模型是通过EDA软件建立的电路模型， 其函数化表达形式为[W(t), E]＝GE(t,Sin,Τ,RE)， 其特征包括： ①能够进行数模混合电路的稳态电应力仿真分析， 可基 于给定的电路应力条件Sin得到数模混合电路设备中所有电子元器件的电应力参 数向量E＝ {V1,I1,P1,…Vi,Ii,Pi,…}， 其中i为设备电子 元器件编号， Vi、 Ii、 Pi分别表示元器件i的电压 有效值、 电流有效值、 功率有效值； ②能够进行数模混合电路的瞬态电性能仿真分析， 可基 于给定的电路应力条件Sin得到设备关键输出节点的电压波形矩阵W(t)＝{w1(t),…wk (t),…}， 其中wk(t)表示输出节点k随时间t变化的电压波形； ③能够基于电学模型参数向 量RE模拟设备中电子元器件的开路、 短路、 无信号输出、 位随机误码故障， 及信号幅值、 信号 坡度、 信号时延参数变化、 功能关键参数变化； ④能够基于接口将E中的Pi参数传递给数字 样机热学模型， 并接受热学模型传递回的温度参数向量 其中 分别表示电子元器件i的平均壳温和平均结温； 所述数字样机热学模型是可通过有限元软件建立的热学模型， 其函数化表达形式为Τ ＝GS(E,Sin,RS)， 其中RS为热仿真所需材料属性参数及其他参数所构成的向量， 数字样机热 学模型特征包括： ①能够进行数模混合电路的稳态热仿真分析， 可基于给定的电子元器件 功率有效值、 电路应力条件得到各电子元器件的平均壳温和平均结温； ②能够通过接口接 收数字样机电学模型传递 来的电应力参数向量E， 并传递回温度参数向量T。 3.根据权利要求1所述的基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法， 其特 征在于所述步骤S2中， 数字样机模型中将电子元器件划分为功能失效型元器件和性能退化 型元器件， 其中： 功能失效型元器件特征为其各项性能参数不随电、 热应力和时间变化而显 著变化， 在故障发生时由完美运行状态突变到故障状态； 性能退化型电子元器件特征为其 性能参数在电、 热应力作用下随时间变化而显著变化。 4.根据权利要求1所述的基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法， 其特 征在于所述步骤S2中， 电子元器件失效物理模 型包括性能退化模型和功能失效模 型， 其中： 性能退化模型用于描述电子元器件性能参数在电、 热应力作用下随时间变化的规律， 其一 般形式为Pri(t)＝fi(t,Ti,Ei,Pfi)， 其中Pri表示电子 元器件i的某一特性参数， Ti、 Ei分别表 示电子元器件i所受的温度应力和电应力向量， fi表示应力、 时间与特性参数之间的映射函 数， Pfi为函数fi的具有分布特性的系数矩阵； 功能失效模 型用于描述电子元器件在电、 热应权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115510718 A 2力作用下功能丧失时间的规律， 其一般形式为Li＝gi(Ti,Ei,Pgi)， 其中Li表示电子元器件i 的功能丧 失时间， Ti、 Ei分别表示电子元器件i所受的温度应力和电应力向量， gi表示应力与 功能丧失时间之间的映射函数， Pgi为函数gi的具有分布特性的系数矩阵； λw＝hw(Tw,Ew, Phw)， 其中λw表示数字电子元器件端口w的位输出误码率， Tw、 Ew分别表示端口w所受的温度应 力和电应力向量， hw表示应力与输出误码率之间的映射函数， Phw为函数hw的具有分布特性 的系数矩阵。 5.根据权利要求1所述的基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法， 其特 征在于所述 步骤S2中， 确定可靠性薄弱的电子元器件的具体步骤为： 步骤S21、 根据数模混合电路设备的电子元器件类型进行典型性能退化与功能失效模 式梳理； 步骤S22、 根据电子元器件性能退化类型的失效模式， 进行灵敏度分析， 采用K均 值聚类 算法划分灵敏因素与非灵敏因素； 步骤S23、 根据电子元器件功能失效类型的失效模式， 利用故障树分析的方法， 确定发 生功能失效会影响数模混合电路设备功能的电子元器件。 6.根据权利要求5所述的基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法， 其特 征在于所述步骤S22中， 对于任意电子元器件参数xi， 设备性能yj(x)对xi的灵敏度 表示 为： 式中， 表示yj(x)对设计 变量xi的敏感程度， Δxi为电子元器件参数变化 量。 7.根据权利要求5所述的基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法， 其特 征在于所述步骤S22中， 针对性能参数yj， 采用K均值聚类算法划分灵敏因素与非灵敏因素 的具体步骤如下： 步骤S221、 从灵敏度向量 中随机选取2个作为初始质心向量{ μ1, μ2}。 步骤S222、 对于i＝1,2,…n， 计算 和质心向量的距离： 将距离较小的作为1簇， 距离较大的作为2簇； 步骤S223、 对1、 2簇重新计算质心作为新的质心向量{ μ1, μ2}， 并重复步骤S222直至所有 的2个质心向量 都没有发生变化， 则两簇中均值较大的为灵敏因素、 均值较小的为 非灵敏因 素。 8.根据权利要求1所述的基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法， 其特 征在于所述 步骤S3的具体步骤如下： 步骤S31、 数模混合电路设备工作环境的电热应力作 为输入条件， 代入步骤S1建立的数权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115510718 A 3