一种基于多应力耦合失效机理的高导热凝胶寿命预测方法

本发明属于热界面材料可靠性评估领域，尤其涉及一种基于多应力耦合失效机理的高导热凝胶寿命预测方法。

背景技术：

1、高导热凝胶作为填充于芯片热源与散热器之间的热界面材料，在5g通信、新能源汽车及高功率电子器件中承担着至关重要的散热功能。其服役环境通常涉及高温、机械振动、热循环等多重应力因素的共同作用，随着服役时间延长，凝胶内部基体逐渐老化、填料界面发生脱粘，导致导热性能持续退化直至失效。

2、目前，行业内对高导热凝胶的寿命评估主要采用单一应力加速老化试验方法。例如，仅通过高温烘烤试验获取热阻随时间的退化曲线，再依据阿伦尼乌斯模型外推至实际工况。此类方法存在以下明显不足：

3、其一，单一应力试验无法反映温度与机械振动之间的交互耦合效应，而实际服役中温度升高会加速机械应力引起的界面疲劳，两者协同作用下的退化速率远高于单一应力的线性叠加；

4、其二，传统寿命模型（如阿伦尼乌斯模型与逆幂律模型）具有不同的物理量纲和数学形式，难以直接耦合使用，工程人员往往凭经验进行简单折算，缺乏严格的无量纲化统一框架；

5、其三，现有方法通常以退化量达到某一固定值作为失效判据，未能基于退化轨迹的随机过程特征提取伪失效寿命，对个体差异和测量噪声的鲁棒性不足。

6、因此，亟需一种能够设计多应力交叉耦合加速试验、建立考虑应力交互效应的无量纲化寿命预测模型、并基于随机退化过程提取伪失效寿命的高导热凝胶寿命预测方法。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种基于多应力耦合失效机理的高导热凝胶寿命预测方法，旨在解决上述问题。

2、本发明是这样实现的，一种基于多应力耦合失效机理的高导热凝胶寿命预测方法，包括以下步骤：

3、s1：确定高导热凝胶的关键失效表征参数，并设定判断其失效的性能临界阈值；

4、s2：设计并实施多应力交叉耦合的加速老化试验，实时采集高导热凝胶在不同应力水平组合下所述关键失效表征参数的退化数据；

5、s3：基于所述退化数据，计算并提取高导热凝胶在各加速应力组合条件下的伪失效寿命特征值；

6、s4：建立考虑多环境应力交互耦合效应的无量纲化寿命预测模型；

7、s5：利用步骤s3获取的各组伪失效寿命特征值对所述无量纲化寿命预测模型进行参数拟合，求解模型中的未知系数；

8、s6：获取高导热凝胶在实际服役工况下的实时多物理场应力数据，将其代入拟合完成的所述无量纲化寿命预测模型中，计算得到高导热凝胶的预测剩余使用寿命。

9、进一步的技术方案，在所述步骤s1中，所述关键失效表征参数为高导热凝胶的等效热阻或原位剪切强度，所述性能临界阈值定义为等效热阻较初始状态上升20%至50%范围内的预设阈值，或原位剪切强度较初始状态下降30%的阈值限。

10、进一步的技术方案，在所述步骤s2中，所述多应力交叉耦合的加速老化试验为热-力双应力耦合加速试验，施加的应力包括温度应力与机械剪切应力。

11、进一步的技术方案，所述热-力双应力耦合加速试验的试验矩阵采用全因子试验设计，包含至少三个离散的温度水平与至少三个离散的机械剪切应力水平。

12、进一步的技术方案，在所述步骤s4中，所述无量纲化寿命预测模型的具体模型方式为：

13、预测寿命的自然对数等于第一模型未知系数，加上第二模型未知系数乘以归一化后的无量纲温度参量，加上第三模型未知系数乘以归一化后的无量纲机械剪切应力参量，再加上第四模型未知系数乘以归一化后的无量纲温度参量与归一化后的无量纲机械剪切应力参量的乘积；

14、其中，预测寿命的单位为小时；第一模型未知系数、第二模型未知系数、第三模型未知系数和第四模型未知系数均为待拟合的模型未知系数；归一化后的无量纲温度参量与归一化后的无量纲机械剪切应力参量的乘积表征温度应力与机械剪切应力之间的非线性耦合效应项。

15、进一步的技术方案，所述无量纲温度参量与无量纲机械剪切应力参量均须通过以下归一化方式处理以保证量纲一致性：

16、无量纲温度参量等于参考基准温度的倒数减去任意工况下的绝对温度的倒数所得差值，除以参考基准温度的倒数减去最高极限温度的倒数所得差值；

17、无量纲机械剪切应力参量等于任意工况下的机械剪切应力的自然对数减去参考基准应力的自然对数所得差值，除以最高极限应力的自然对数减去参考基准应力的自然对数所得差值；

18、其中，任意工况下的绝对温度的单位为开尔文；参考基准温度与最高极限温度分别为评估区间内的参考基准温度与最高极限温度，单位均为开尔文；任意工况下的机械剪切应力的单位为兆帕；参考基准应力与最高极限应力分别为评估区间内的参考基准应力与最高极限应力，单位均为兆帕。

19、进一步的技术方案，当任意工况下的绝对温度位于参考基准温度与最高极限温度之间且任意工况下的机械剪切应力位于参考基准应力与最高极限应力之间时，经过转化后的无量纲温度参量与无量纲机械剪切应力参量均为严格位于零到一区间内的纯数值，以此消除阿伦尼乌斯模型与逆幂律模型物理量纲不同的影响。

20、进一步的技术方案，在所述步骤s3中，采用非线性维纳过程建立退化轨迹模型，所述关键失效表征参数随时间的退化量满足以下关系：退化量等于表征退化速率的漂移系数乘以时间的α次方，加上表征个体差异及测量噪声的扩散系数乘以时间变换后的布朗运动；

21、其中，表征退化速率的漂移系数为漂移系数，反映非线性特征的时间尺度参数为时间尺度参数，表征个体差异及测量噪声的扩散系数为扩散系数，时间变换后的布朗运动表示时间变换后的布朗运动，其增量独立且服从均值为零、方差为时间间隔的α次方的正态分布；通过首达时间原理计算概率密度函数，提取累积失效概率达到50%时所对应的时间作为所述伪失效寿命特征值。

22、进一步的技术方案，在所述步骤s6中，获取高导热凝胶在实际服役工况下的实时多物理场应力数据的具体过程为：

23、通过部署在芯片热源与散热界面的微型传感器阵列，实时动态采集环境温度时序序列与振动应力时序序列，基于阿伦尼乌斯模型对温度时序进行等效、基于miner法则对机械剪切应力时序进行等效，将动态波动的时序应力折算为稳态恒定应力，随后代入至所述无量纲化寿命预测模型中进行迭代计算。

24、相比于现有技术，本发明的有益效果：

25、本发明中，通过设计热-力双应力交叉耦合加速老化试验，并采用全因子试验设计，覆盖至少三个温度水平和三个机械剪切应力水平，能够有效捕捉温度应力与机械剪切应力之间的非线性交互耦合效应，克服传统单一应力试验及简单线性叠加无法真实反映复杂服役工况的不足。

26、本发明中，建立考虑多环境应力交互耦合效应的无量纲化寿命预测模型，对温度参量采用基于阿伦尼乌斯模型的倒数温度归一化，对机械剪切应力参量采用对数归一化，使二者均转化为[0,1]区间内的纯数值，消除阿伦尼乌斯模型与逆幂律模型物理量纲不同的影响，并将温度与机械剪切应力的乘积项作为耦合效应项，提高模型拟合精度和工程适用性。

27、本发明中，采用非线性维纳过程建立退化轨迹模型，通过漂移系数、时间尺度参数和扩散系数分别表征退化速率、非线性特征以及个体差异与测量噪声，并利用首达时间原理计算概率密度函数，提取累积失效概率达到50%时对应的时间作为伪失效寿命特征值，从而减少随机波动和个体差异影响，获得更稳健的中位寿命特征值。

28、本发明中，通过部署在芯片热源与散热界面的微型传感器阵列，实时采集环境温度时序序列和振动应力时序序列，并基于阿伦尼乌斯模型和miner法则将动态波动的时序应力等效折算为稳态恒定应力，再代入已拟合完成的无量纲化寿命预测模型中进行迭代计算，从而弥合动态实际工况与静态模型输入之间的差异，实现高导热凝胶预测剩余使用寿命的实时、动态评估。