电子产品可靠性仿真评估软件-

CRAFE 电子产品可靠性仿真评估软件

一、简介

CRAFE 以具有原创性的确信可靠性理论为基础 ，全面兼容 IEC 最新版电子产品失效率预计标准  (FIDES Reliability Methodology for Electronic Systems ，IEC 标准草案)  和美国国家标准协会电子产品 使用寿命预计标准  (ANSI/VITA 51.2-2016 Physics of Failure Reliability Predictions)  ，支持用户基于热 分析、振动分析结果计算电子产品的确信可靠度、开展故障模式、机理与影响分析  (FMMEA)  以及 优化设计和加速试验设计。为航空、航天、汽车、轨道交通、核电站、电子通信、家电等各工业领域 的电子产品可靠性分析工作提供完整且便于操作的综合 解决方案 。

二、CRAFE 特点

1、坚实的理论基础----可靠性科学原理  

随着对确定性规律探索的不断精进和对不确定性认识的 不断深化 ，北京航空航天大学康锐教授提出了可靠性科学原理。在确信可靠性理论体系下 ，将可靠性 科学原理总结成裕量可靠原理、退化永恒原理与不确定原理。

1）裕量可靠原理：客体的性能裕量决定着客体的可靠程度

2）退化永恒原理：客体的性能沿着退化时矢进行不可逆退化

3）不确定原理：客体的退化过程和性能裕量是不确定的

4）可靠性科学原理的基本方程：CRAFE 对电子产品开展确信可靠性分析 ，实际上是围绕四个基本方程展开工作 ，包括学科交叉方程、性能退化方程、性能裕量方程与不确定性度量方程

2、科学的架构  

CRAFE 软件平台采用分层体系结构 ，包括用户接口层、工具应用层和 数据库 层。通过将基础理论内嵌入软件架构中 ，使原创理论能够实现软件工具化 ，提供理论指导实践的可操作途径。

1）用户接口层  适应不同领域用户需求提供云端接入和本地接入两种方式 ，云端接入方式快捷、方便 ，支持企业非敏感产品的快速可靠性评估和学习训练；本地接入方式功能强大、 数据库丰富 ，支持企业专业级可靠性评估和自有数据、模型的更新。

2）工具应用层  提供任务剖面建立、失效率预计、使用寿命预计和确信可靠度计算、故障模式机理及影响分析  ( FMMEA)  、加速试验设计等可靠性分析工具以及与 CADENCE、 SABER、ANSYS 和 ABAQUS 等工业软件的工具接口。

3）数据库层  提供丰富的数据和模型支持 ，包括根据电子产品主要使用场景预定义的数十种任务剖面 ，覆盖市场主要品类的电子产品材料和封装数据 ，超过 30 万条的国产电子元器 件数据 ，近 100 种故障物理和失效率预计模型。

3、完整的功能  

CRAFE为用户提供了完整的可靠性分析功能 ，包括任务剖面的建立、产品的 建模、FMMEA、应力仿真与寿命预计、失效率预计、确信可靠性评估、加速寿命试验设计等 ，为电子产品的可靠性设计、分析、验证提供完整的解决方案。

1）任务剖面建立——可以建立温度、湿度、温度循环、振动和化学等多种任务剖面。

2）产品建模 ——一键导入 EDA 设计软件生成的 odb 文件和 GenCAD 文件。可读取电子产品的stp 格式的三维模型。元器件库中拥有超过 35 万条国产元器件。

3）故障模式机理与影响分析( FMMEA) ——故障模式机理及影响分析( FMMEA) 是研究产品的每个组成部分可能存在的故障 模式、故障机理 ，并确定各个故障模式对产品其他组 成部分和产品功能影响的一种分析方法。CRAFE 中集成的 FMMEA 系统的梳理电子产品组成部分所有可能的故障机理及物理模型。

4）应力仿真与寿命预计——CRAFE 自带有限元仿真求解器可以进行温度、随机振动、简谐振动和冲击振动的有限元仿真。  同时也对接了 ANSYS 和 Abaqus 第三方商业求解器。可以二 维和三维查看仿真后处理结果 ，同时也可以直接读入实验结果云图。集成了美国国家标准 协会电子产品使用寿命预计标准  (ANSI/VITA 51.2-2016 Physics of Failure Reliability

Predictions)  中的焊点热疲劳 C-M 模型和能量模型、焊点振动疲 Steinberg 模型和能量   模型、镀通孔疲劳模型、电化学类模型、半导体器件退化模型和阻容感连器件退化模型等87 多个故障物理模型 ，也支持集成用户自己的故障物理模型。

5）失效率预计——采用欧盟 FIDES企业标准，基于数据库模块 ，预计电子产品失效率 ，并完成对失效率数据的迭代更。

6）确信可靠性评估——CRAFE集成了热和振动的确信可靠度求解算法。

7）加速试验设计——利用CRAFE 软件计算得到的主故障机理及其 TTF，通过加速因子计算方法，对不同应力载荷剖面下的试验方案进行协同，帮助用户选择合理的加速因子和制定试验剖面。

4、开放的环境

CRAFE为多款EDA软件提供接口，嵌入多种有限元仿真软件内核，具有二次开发功能，为用户提供可更新的数据库管理环境。

1）支持多款EDA软件——CRAFE提供常用 EDA 软件接口，包括：Mentor、Cadence、Protel。同时软件还提供了数据的导入、导出功能，能够方便地将可靠性工程文件中的数据和 CAD 文件中的数据进行导入导出操作，便于实现数据的共享与传递等，通过 CRAFE 与第三方软件集成的手段，可方便地实现与业主 PDM 系统的集成，在实施过程中，按业主的PDM系统实施情况及 数据集 成的要求进行集成实施；可与MS Office 2003 集成，可直接导入Office 的数据，可直接导出 Office 数据的格式文件。

2）嵌入多种有限元仿真软件——CRAFE中集成了Calculix、ANSYS 以及Abaqus 有限元仿真软件内核。其中Calculix 是 开源 软件 ，充分考虑用户在知识产权方面的需求。

3）赋予二次开发功能——CRAFE 提供了灵活的二次开发功能，包括界面定制、流程定制、数据定制、计算定制及接口开发等；CRAFE 提供了开放数据库，支持面向数据库的开发。

5、广泛的应用  

CRAFE 已在航空、航天、核能、高铁、通讯等众多领域的电子产品可靠性分工作中展开了应用，并取得了显著的应用效果。例如，利用 CRARE中核武汉核电运行技术股份有限公司对 AC2000 核能控制电源模块进行了可靠性仿真分析与加速试验设计工作；北京广利核 系统工程有限公司借助 CRAFE 软件计算了各故障机理的风险排序，为确定健康监控参数提供了重 要依据，进一步完善了核电 DCS 硬件健康参数设计理论，该项目成果在核能行业有很好的推广应用价值。

三、CRAFE 的作用和优势

1、增强可靠性设计能力  

复杂产品研发周期长，投资规模大、产品的研发风险与可靠性和安全性风险(重大事故或试验失利)高度相关。研发过程重视可靠性，可以有效地减小这种风险，从而缩短研制周期及提高投资回报。引入确信可靠性理论以及CRAFE 支撑工具的应 用帮助客户着力掌握关键核心技术，完善产业链条，形成自主发展能力

2、降低产品研发成本  

复杂产品研发周期长，投资规模大、产品的研发风险与可靠性和安全性风险(重大事故或试验失利)高度相关。研发过程重视可靠性，可以有效地减小这种风险， 从而缩短研制周期及提高投资回报。在传统的可靠性实施方案下，可靠性物理实验在整体产品研发投入中占比超过 70%。主要原因是物理实验的方式投入周期长、成本巨大，而且还很难参与到新产品的设计研发早期阶段。  引入确信可靠性理论以及CRAFE工具支持， 产品设计研发的时间效率提升73% ，相关可靠性实验成本降低 21%。CRAFE支持从可用 的技术中选择最合适的技术并应用到产品寿命周期的合适的阶段，基于具体的信息把这些 技术合理的集成到产品寿命周期的不同阶段。最终实现在最小增加开发和制造成本的条件下达成保修和服务成本的降低。