產(chǎn)品可靠度MTBF原理

1、MTBF&產(chǎn)品可靠度驗(yàn)證產(chǎn)品可靠度驗(yàn)證 編寫: 王維兵 Date:2010-07-27隨著電子技術(shù)的發(fā)展,對(duì)電子設(shè)備也提出了更高的要求,由于設(shè)備技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)要求等方面的提高,可靠性問題愈顯突出,如果沒有可靠性保證,高性能指標(biāo)是沒有任何意義的. 一一. .可靠度的基本概念可靠度的基本概念現(xiàn)代用戶買產(chǎn)品就是買可靠性,對(duì)生產(chǎn)廠家來說,可靠性就是信譽(yù),就是市場(chǎng),就是經(jīng)濟(jì)效益.從整機(jī)來講,可靠性貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理中,從部件、元器件的角度來講,電子元器件的可靠性水平?jīng)Q定了整機(jī)的可靠性程度?？煽啃詫儆谫|(zhì)量的范疇,是產(chǎn)品質(zhì)量的時(shí)間函數(shù),從基本概念上講,可靠性指標(biāo)與質(zhì)量的性能指標(biāo)所強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容是不同的,可靠

2、性的基本概念與時(shí)間有關(guān),這些基本概念的具體化,就是產(chǎn)品故障或壽命特征的數(shù)學(xué)模型化,只有通過可靠性試驗(yàn)才能確定產(chǎn)品故障或壽命特征符合哪一種數(shù)學(xué)分布,才可以決定產(chǎn)品的可靠性指標(biāo),進(jìn)而推算產(chǎn)品的可靠程度,在可靠性工程中,最常見的壽命分布函數(shù)有指數(shù)分布,威布爾分布,對(duì)數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布. 二二. .可靠性試驗(yàn)的特點(diǎn)和分類可靠性試驗(yàn)的特點(diǎn)和分類電子設(shè)備的可靠性指標(biāo)是一些綜合性、統(tǒng)計(jì)性的指標(biāo)，與質(zhì)量性能指標(biāo)完全不同，不可能用儀表、儀器或其它手段得到結(jié)果，而是要通過試驗(yàn)，從試驗(yàn)的過程中取得必要的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)分析，處理才能得到可靠性指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)量?？煽啃灾笜?biāo)的實(shí)現(xiàn)主要依靠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或模擬現(xiàn)場(chǎng)條件試驗(yàn)，一般

3、說電子設(shè)備的可靠性試驗(yàn)可以分為研制階段的試驗(yàn)，可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)，可靠性增長試驗(yàn)，元器件老煉試驗(yàn)，極限試驗(yàn)，負(fù)荷及過負(fù)荷試驗(yàn)，過載能力試驗(yàn)等，這類試驗(yàn)的目的是了解設(shè)計(jì)是否滿足了可靠性指標(biāo)的要求，找出或排除設(shè)計(jì)與制造過程中的缺限和不足，證明設(shè)計(jì)可靠性能否實(shí)現(xiàn).對(duì)于不同的電子設(shè)備，所要達(dá)到的目的不同，可以進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)形式也就各異.因此可靠性試驗(yàn)對(duì)于電子設(shè)備來說是一個(gè)系統(tǒng)工程，溫度、振動(dòng)、沖擊及高溫壽命、加速壽命等試驗(yàn)在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛。 三三.MTBF術(shù)語術(shù)語MTBF:即平均無故障時(shí)間英文全稱:Mean Time Between Failure定義:衡量一個(gè)產(chǎn)品（尤其是電器產(chǎn)品）的可靠性指標(biāo),單

4、 位為“小時(shí)”.它反映了產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量,是體現(xiàn)產(chǎn)品在 規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力.具體來說,是指相鄰 兩次故障之間的平均工作時(shí)間，也稱為平均故障間 隔,它僅適用于可維修產(chǎn)品,同時(shí)也規(guī)定產(chǎn)品在總的使 用階段累計(jì)工作時(shí)間與故障次數(shù)的比值為MTBF ,磁 盤陣列產(chǎn)品一般MTBF不能低于50000小時(shí)。 四四. MTBF測(cè)試原理測(cè)試原理1. 1.加速壽命試驗(yàn)加速壽命試驗(yàn) (Accelerated Life Testing)(Accelerated Life Testing) 1.1 執(zhí)行壽命試驗(yàn)的目的在於評(píng)估產(chǎn)品在既定環(huán)境下之使用 壽命. 1.2 常規(guī)試驗(yàn)耗時(shí)較久,且需投入大量的金錢,而產(chǎn)品可靠度

5、資訊又不能及時(shí)獲得並加以改善. 1.3 可在實(shí)驗(yàn)室裡以加速壽命試驗(yàn)的方法,在可接受的試驗(yàn)時(shí) 間裡評(píng)估產(chǎn)品的使用壽命. 1.4 是在物理與時(shí)間上,加速產(chǎn)品的劣化肇因,以較短的時(shí)間 試驗(yàn)來推定產(chǎn)品在正常使用狀態(tài)的壽命或失效率.但基本 條件是不能破壞原有設(shè)計(jì)特性. 1.5 一般情況下, 加速壽命試驗(yàn)考慮的三個(gè)要素是環(huán)境應(yīng) 力,試驗(yàn)樣本數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間. 1.6 一般電子和資訊業(yè)的零件可靠度模式及加速模式幾乎 都可以從美軍規(guī)範(fàn)或相關(guān)文獻(xiàn)查得,也可自行試驗(yàn)分析, 獲得其數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式. 1.7 如果溫度是產(chǎn)品唯一的加速因素,則可採用阿氏模型 (Arrhenius Model),此模式最為常用. 1.8 引進(jìn)溫

6、度以外的應(yīng)力,如濕度,電壓,機(jī)械應(yīng)力等,則為 愛玲模型(Eyring Model),此種模式適用的產(chǎn)品包括電燈, 液晶顯示元件,電容器等.1.9 反乘冪法則(Inverse Power Law)適用於金屬和非金屬材 料,如軸承和電子裝備等.1.10 復(fù)合模式(Combination Model)適用於同時(shí)考慮溫度 與電壓作為環(huán)境應(yīng)力的電子材料(如電容如下式為電 解電容器壽命計(jì)算公式)1.11 一般情況下,主動(dòng)電子零件完全適用阿氏模型,而電子 和資訊類成品也可適用阿氏模型,原因是成品類的失 效模式是由大部分主動(dòng)式電子零件所構(gòu)成.因此,阿氏 模型廣泛應(yīng)用於電子,資訊行業(yè).2. 2. 阿氏模型的加速

7、因子阿氏模型的加速因子 2.1 阿氏模型起源於瑞典物理化學(xué)家Svandte Arrhenius 1887 年提出的阿氏反應(yīng)方程式. R: :反應(yīng)速度 speed of reaction A:溫度常數(shù) a unknown non-thermal constant EA:活化能 activation energy (eV) K:Boltzmann常數(shù),等於8.623*10-5 eV/0K. T:為絕對(duì)溫度(Kelvin) 2.2 加速因子 加速因子即為產(chǎn)品在使用條件下的壽命(Luse)和高測(cè)試應(yīng) 力條件下(Laccelerated)的壽命的比值. 如果產(chǎn)品壽命適用於阿氏模型,則其加速因子為:AF=

8、eEa/K(1/Ts-1/Tu) Ts:室溫+常數(shù)273 Tu:高溫+常數(shù)273 K: :Boltzmann常數(shù),等於8.623*10-5 eV/0K. 2.3 加速因子中活化能Ea的計(jì)算 2.3.1 一般電子產(chǎn)品在早夭期失效之Ea為0.20.6Ev,正 常有用期失效之Ea趨近於1.0Ev;衰老期失效之Ea 大於1.0Ev. 2.3.2 根據(jù) HP 可靠度工程部(CRE)的測(cè)試規(guī)範(fàn),Ea是機(jī) 臺(tái)所有零件Ea的平均值.如果新機(jī)種的Ea無法計(jì) 算,可以將Ea設(shè)為0.67Ev,做常數(shù)處理. 2.3.3 但是,Dell和Motorola機(jī)種的Ea因客戶有特殊要求 須設(shè)為0.6Ev. 2.3.4 如按機(jī)

9、臺(tái)所有零件Ea的平均值來計(jì)算,則可按以 以例證參考進(jìn)行.注注:對(duì)各類電子零部件其對(duì)各類電子零部件其Ev值可按上述參考值進(jìn)行計(jì)算值可按上述參考值進(jìn)行計(jì)算 五五. MTBF推算方法推算方法 1. 由MTBF定義可知,規(guī)定產(chǎn)品在總的使用階段累計(jì)工作 時(shí)間與故障次數(shù)的比值為MTBF, 指數(shù)(Exponential)分布 是可靠度統(tǒng)計(jì)分析中使用最普遍的機(jī)率分布.指數(shù)分布 之MTBF數(shù)值為失效率的倒數(shù),故一旦知道值,即可 由可靠度函數(shù)估算產(chǎn)品的可靠度. MTBF= Total Operating(Hrs)/Total Failures 2. MTBF的估計(jì)值符合卡方分配原理, 其語法為: CHIINV(p

10、robability,degrees_freedom)或2X(probability,degrees_freedom) 故有以下公式:MTBFTrlower222212(,)MTBFTrupper22212(,)T= Total Hoursr=Number of failures =Confidence interval注: If there are no failures then:(如果未有不良發(fā)生) MTBFlower = T/-ln(Confidence Interval) 六六.DMTBF計(jì)算計(jì)算DMTBF:平均無故障時(shí)間驗(yàn)證英文全稱:Demonstration Mean time

11、Between failures 計(jì)算方法:以溫度為加速壽命試驗(yàn)且采用阿氏加速壽命模式 (Arrhenius Model) 計(jì)算公式:(實(shí)際使用中,如需要可在分子上乘上24Hrs以方便計(jì)算時(shí)數(shù))Duration =(MTBFDuration =(MTBFspecspec/2)/2)* * GEM GEMfactorfactor/(DC/(DC* *Sample sizeSample size* *AfAfpowrpowr* *AF)AF) Duration:持續(xù)測(cè)試時(shí)間 MTBFspec:平均無故障時(shí)間 GEMfactor: General Exponential Model綜合指數(shù) DC:

12、Duty cycle占空比 Sample size:樣本數(shù) Afpower:加速系數(shù) AF:加速因子1. Duration:持續(xù)測(cè)試時(shí)間 即一個(gè)單位或幾個(gè)單位的樣品在進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)總的需 要測(cè)試的時(shí)間2. GEMfactor: General Exponential Model綜合指數(shù) 此指數(shù)一般取常數(shù),其取值標(biāo)準(zhǔn)為按照Confidence Level進(jìn) 行取值,常用的值為80%信心水準(zhǔn)取3.22;而90%信心水準(zhǔn) 時(shí)取2.3026.(華億現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)均采用80%信心水準(zhǔn))3. DC: Duty cycle占空比 即在機(jī)臺(tái)進(jìn)行開關(guān)運(yùn)行過程中,運(yùn)行時(shí)間占總時(shí)間的百 分比.(如45min ON/15m

13、in OFF則其DC值即為: 45min/(45min+15min)=0.754. Sample size:樣本數(shù) 根據(jù)實(shí)際狀況確認(rèn)的作壽命試驗(yàn)的機(jī)臺(tái)數(shù)5. MTBFSpec:平均無故障時(shí)間 規(guī)格書上訂明的機(jī)臺(tái)MTBF時(shí)間數(shù)6. AFpower:加速系數(shù) 即在機(jī)臺(tái)進(jìn)行開關(guān)運(yùn)行過程中,1小時(shí)時(shí)間和一個(gè)Cycle的 ON和OFF時(shí)間之和的比值,如: 機(jī)臺(tái)選擇25min ON/5min OFF則Afpower值為: AFpower=60min/(25+5)min=27. AF:加速因子,產(chǎn)品在使用條件下的壽命(Luse)和高測(cè)試應(yīng) 力條件下(Laccelerated)的壽命的比值(見2.2所述) 七

14、七.進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)時(shí)間和取樣數(shù)的變異技巧進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)時(shí)間和取樣數(shù)的變異技巧 在進(jìn)行機(jī)種可靠性驗(yàn)證計(jì)劃時(shí),如算得的實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)過長,可 以以增加驗(yàn)證機(jī)臺(tái)數(shù)量按比例來減少壽命測(cè)試的時(shí)間的 修正方法,如: 在進(jìn)行可靠性計(jì)劃時(shí)如果算得的1個(gè)單位的機(jī)臺(tái)其壽命測(cè) 試時(shí)間為1280Hrs,則可以增加實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)數(shù),如使用10個(gè)單 位的機(jī)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,而1個(gè)單位的總測(cè)試時(shí)間可平均分配 至10個(gè)單位的機(jī)臺(tái)上,即1280Hrs/10=128Hrs或7 Days 八八.實(shí)例實(shí)例1.根據(jù)客訴根據(jù)客訴/退不良計(jì)算量產(chǎn)機(jī)種退不良計(jì)算量產(chǎn)機(jī)種MTBF:70899*435*24Total Hours/Total Failures2. 2.根據(jù)根據(jù)spec MTBFspec MTBF計(jì)算可靠性驗(yàn)證時(shí)數(shù)和取樣數(shù)計(jì)算可靠性驗(yàn)證時(shí)數(shù)和取樣數(shù)(EA(E