软件简介

CRAFE中文名电子产品故障行为与可靠性评估云仿真软件，是一款由北京航空航天大学联合北京蓝威技术有限公司开发的电子产品故障行为仿真与可靠性评估软件，也是国内外首款可用于MTBF计算的可靠性仿真软件。CRAFE能够实现电子产品可靠性仿真分析和评估全过程，实现多物理场的云仿真计算，快速评估产品的MTBF指标，帮助设计人员发现产品的薄弱环节，辅助其进行产品的可靠性设计，实现可靠性增长。

软件研发背景

随着电子技术的发展，电子产品的可靠性问题也逐渐突显出来，传统的利用商用或者军用标准进行电子产品可靠性预计的方法无法满足产品的可靠性设计改进和优化方面的需求，在外场统计数据极少的情况下，可靠性仿真分析和评估成为在设计阶段保证产品可靠性的重要手段。由于电子元器件种类繁多、使用环境多变，故障机理分析及其物理模型的建立过程十分复杂，设计人员需要掌握大量的跨专业领域的基础性问题才能进行可靠性仿真，导致了一般设计人员往往无法独立完成此过程，为了方便电子工程师对产品进行可靠性设计并对其进行评价，开发一款基于故障物理，包括热、振动、电、电磁等，通常需要占用大量的计算资源，随着云技术的发展，将仿真工作集成到云端，能够提高计算效率，节省软硬件的投入成本，也符合目前的仿真主流趋势。

软件架构

CRAFE软件平台是在JDK9、ubuntu及MySQL基础环境下开发，采用APDL、python及JAVA语言编程实现有限元的云计算接口。软件平台主体部署于超算中心云服务器内，Web 端集成了应力仿真软件的数据显示和输入界面，用户通过网页在线访问云端有限元软件并利用其计算资源，无需购买昂贵的正版软件，也无需下载CRAFE到本地，具有灵活高效的特点。

图1 CRAFE的软件架构

模块功能特色

• 电路板建模模块：通过自动化建模技术辅助用户建模，使用Excel导入数据快速建立二维模型，还能够完成二维到三维模型的精确数据对接。
• 任务剖面模块：采用蒙特卡洛仿真方法实现任务剖面的拓展以描述外因不确定性，结合产品内因参数的不确定性生成仿真样本。
• 智能FMMEA模块：根据用户建模输入，自动筛选适合选中器件的故障机理，并匹配故障物理模型，提供物理模型的试算和后台产品评估计算功能；
• 应力分析模块：创新地采用云计算技术实现多物理场仿真，能够完成设备级产品的热、振动、电磁、电和热辐射的云应力自动仿真以及计算结果的自动提取，而其他可靠性仿真软件只能实现电路模块级别的仿真，或者手动将商用有限元软件的结果输入到可靠性仿真软件。云计算技术能让用户高效的完成更复杂模型的仿真分析；
• 可靠性评估模块：综合前述任务剖面、故障物理模型及应力分析结果采用特有的考虑内外因不确定因素的基于故障行为的可靠性分析方法，能够解决电子产品MTBF的预计和评估问题，而其他可靠性仿真软件只能计算寿命或者首发故障时间；CRAFE还可以提供故障机理的分布直方图，对可靠性设计薄弱环节进行统计分析，以便定位问题并改进设计；
• 报告生成模块： 提供可靠性仿真报告模板，也可根据需求定制，实现自动化报告输出，提高工作效率。
• 数据库管理模块：集成故障物理模型库、材料参数库、故障行为库三个云端数据库，覆盖了36种元器件类型，53种故障机理以及89个故障物理模型，数据库还具有自动更新、云储存及云共享等功能；
  

适用于解决如下问题

• 系统故障模式机理分析（FMMEA）；
• 电子设备的可靠性指标MTBF预计；
• 元器件单故障机理可靠性及寿命计算；
• 元器件单故障机理可靠性及寿命计算；
• 电子设备级、PCB板级多物理场应力仿真分析；
• 暴露产品设计中的薄弱环节；
• 设计阶段电子产品可靠性增长；
• 鉴定阶段可靠性仿真评估。

应用案例及解决方案

1、多阶段多任务航天航空电子产品MTBF仿真计算

航空航天电子产品属于多阶段任务系统，在寿命周期内会由于承受不同任务、同一任务不同阶段的环境和载荷作用，考虑执行任务类型、地域、季节的影响，通过生成可靠性仿真样本，计算任务阶段的损伤累加效应，得到各仿真样本对应的产品在不同的任务组合下的故障前时间，从而得到可靠性指标MTBF的预计值。

2、关键电子产品设计薄弱环节定位

关键电子产品可以是集成了多块电路模块的电子设备，也可以是独立的电路模块。电子产品的设计问题要兼顾结构、热、电、电磁等多个领域，CRAFE平台可以通过多物理场的仿真以及故障物理模型的计算，定位产品设计中的薄弱环节，对于多阶段任务产品，可以得到不同场景下的薄弱环节统计结果，对于单一任务产品，可得到多个设计薄弱环节及其对应的故障机理，为设计改进工作提供依据。

3、民用电子产品可靠性仿真

针对家用消费电子、手机、工业程控机等领域的电子产品（电路板、电路模块），可以通过FMMEA得到产品的主要故障机理，进行用应力仿真分析得到产品在特定环境载荷条件下的应力响应，利用损伤累加原理得到单一或者多任务条件下的MTBF预计结果，同时可以查找设计薄弱环节，实现可靠性增长。

4、SiP模块的可靠性仿真与设计改进

片上系统是未来电子产品微型化、集成化的发展趋势，CRAFE可分析SIP的主要故障机理并匹配物理模型，进行应力仿真分析得到产品在特定环境载荷条件下的应力响应，利用损伤累加原理得到其单一或者多任务条件下的MTBF预计结果，同时可以查找设计薄弱环节，实现SIP模块的可靠性增长。

面向用户

产品设计工程师、可靠性设计工程师、非专业从事可靠性的研究人员、制定维修方案的部门工程师、有电子产品可靠性评估要求的航空航天产品、武器装备、商用电器等电子产品研发方和使用方等等

CRAFE2.0 简介

蓝威数值（珠海）科技有限公司是2019年注册成立的高科技软件企业。公司依托北京航空航天大学可靠性与系统工程学院康锐教授团队原创的确信可靠性理论与技术成果，进行商业开发转化，持续推出拥有自主知识产权的各类先进可靠性技术软件工具，为中国尖端制造业提供持续不断的可靠性技术支持和咨询服务。

CRAFE2.0 概况

CRAFE2.0 由蓝威数值（珠海）科技有限公司首席科学家、北京航空航天大学可靠性与系统工程学院康锐教授主持设计，面向航空、航天、汽车、轨道交通、核电站、电子通信、家电等各工业领域，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/VITA51.2-201 6 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，对电子产品可靠性分析工作提供完整的综合解决方案。

CRAFE2.0 软件平台架构

在软件架构上，CRAFE支持分层体系结构，包括以下三层：

（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。

CRAFE2.0 软件平台功能

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、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新。

4、使用寿命预计：CRAFE2.0 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。集成了焊点热疲劳C-M模型和能量模型、焊点振动疲劳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40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、确信可靠度计算：CRAFE2.0 集成了热和振动的确信可靠度计算。

6、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。FMMEA是产品可靠性分析的一项重要工作项目，也是做可靠性仿真试验、加速 寿命试验、加速性能退化试验、耐久性试验和耐久性仿真试验的基础。

7、加速试验设计：我们为您提供了加速寿命试验设计的一套新思路，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。

8、工具接口：CRAFE2.0 已经与Altium Designer、Cadence等EDA设计软件和ANSYS、Abaqus等有限元仿真软件实现数据接口无缝对接。也支持扩展更多的第三方EDA设计软件和有限元仿真软件的接口。