電子設(shè)備可靠性

1、電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)學(xué)院:機(jī)電學(xué)院班級(jí):1304011學(xué)號(hào)姓名:郭澤超摘要：在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，要進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和可靠性分析，以使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能保證達(dá)到規(guī)定的可靠性指標(biāo)，因此要進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)和可靠性分配，而同時(shí)預(yù)計(jì)又是分配的基礎(chǔ)。對(duì)于已有的電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)方法可分類為偶然失效 耗損失效和維修性，針對(duì)不同特點(diǎn)產(chǎn)品，處于不同壽命周期以及具有不同可靠性相關(guān)的電子產(chǎn)品（元器件、零部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)）應(yīng)選擇合適的可靠性預(yù)計(jì)方法，才能更加全面準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)可靠性的同時(shí)，提高其可靠性水平。引言：可靠性預(yù)計(jì)是為了估計(jì)產(chǎn)品在給定的工作條件下的可靠性而進(jìn)行的工作，它運(yùn)用以往的工作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前技術(shù)水平，尤其是以元器件，零

2、部件的失效率作為依據(jù)，預(yù)測(cè)產(chǎn)品實(shí)際可能達(dá)到的可靠度，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，并為可靠性增長試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)及費(fèi)用核算等方面的研究提供依據(jù)；同時(shí)，它為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行度決策、部件的選擇和使用、產(chǎn)品的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案、維修策略以及整個(gè)綜合后期保障要求的制定等重要的可靠性工作項(xiàng)目都起著非常關(guān)鍵的作用。因此，對(duì)電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用電子設(shè)備的重要保障。目前，可靠性預(yù)計(jì)有很多方法，其中包括性能參數(shù)法、數(shù)學(xué)模型法、相似設(shè)備法、相似電路法、失效率預(yù)計(jì)法，本文著重講解可靠性預(yù)計(jì)一般方法和電子、電器設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)?？煽啃灶A(yù)計(jì)方法的分類1.針對(duì)產(chǎn)品不同功能/結(jié)構(gòu)層次的方法根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)的產(chǎn)品層次不同，可將可靠性預(yù)計(jì)分

3、為單元可靠性預(yù)計(jì)和系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)。單元可靠性預(yù)計(jì)是指系統(tǒng)組成單元的可靠性預(yù)計(jì)。系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)是指在獲得其組成單元可靠性數(shù)據(jù)（既可以是預(yù)計(jì)結(jié)果，又可以是試驗(yàn)數(shù)據(jù)或外場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）的基礎(chǔ)上，通過建立分系統(tǒng)級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的可靠性模型，對(duì)其可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)。單元可靠性預(yù)計(jì)一般包括性能參數(shù)法、故障物理法、相似設(shè)備法、相似電路法、失效率預(yù)計(jì)法。性能參數(shù)法。這個(gè)方法的特點(diǎn)是在統(tǒng)計(jì)大量相似的系統(tǒng)的參數(shù)與可靠性關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行回歸分析，得出一些經(jīng)驗(yàn)公式，以便在方案論證及初步設(shè)計(jì)階段，能根據(jù)初步確定系統(tǒng)性能及機(jī)構(gòu)參數(shù)預(yù)計(jì)系統(tǒng)可靠性。故障物理法適用于產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析和故障機(jī)理分析，獲得各

4、種故障機(jī)理相關(guān)的應(yīng)力信息（包括幅值、頻率、變化率等）和故障點(diǎn)相關(guān)的材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸與封裝工藝特征參數(shù)等信息，然后利用對(duì)系統(tǒng)組成單元中某單一故障機(jī)理所建立的故障物理模型，分析過應(yīng)力突發(fā)效應(yīng)或耗損型失效的累積損傷效應(yīng)，計(jì)算該故障機(jī)理的故障前時(shí)間。相似產(chǎn)品法適用于具有繼承性的產(chǎn)品，在擁有相似產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)的前提下，分析相似因素，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能、設(shè)計(jì)、材料和制造工藝、使用剖面等的差異對(duì)可靠性的影響，利用比值分析法確定新產(chǎn)品的可靠性。這種方法適用于在數(shù)據(jù)極其缺乏的產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段。由于系統(tǒng)的可靠性與內(nèi)部存在的缺陷密切相關(guān)，從舊產(chǎn)品上可以獲得產(chǎn)品失效率與其內(nèi)部缺陷之間的關(guān)系系數(shù)k，來計(jì)算新產(chǎn)品的失效率

5、。設(shè)新產(chǎn)品的總數(shù)為nr，原產(chǎn)品缺陷總數(shù)為nb，ni為新引進(jìn)的缺陷總數(shù)，ne為已排除的缺陷總數(shù)，則:nr=nb+ni-ne故新產(chǎn)品的失效率為相似電路法。若已知新老的電路相似，并知道老系統(tǒng)各種電路的失效率和新系統(tǒng)的各種電路數(shù)，可按照經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)新系統(tǒng)的失效率：式中：新系統(tǒng)的失效率老系統(tǒng)第i種電路的失效率新系統(tǒng)有條第i中電路N新系統(tǒng)的電路種類數(shù)失效率預(yù)計(jì)法。當(dāng)研制工作發(fā)展到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，已有了產(chǎn)品原理圖和結(jié)構(gòu)圖，選出元部件，已知它們的類型、數(shù)量、 使用環(huán)境及應(yīng)力，并已具有試驗(yàn)常溫條件下測(cè)得失效率時(shí)，可采用失效率預(yù)計(jì)法。這種方法對(duì)電子產(chǎn)品和非電子產(chǎn)品均使用，具體步驟如下：（1）根據(jù)產(chǎn)品功能畫出可靠性框

6、圖畫出可靠性邏輯框圖建立可靠性 模型元部件基本保障率系統(tǒng)原理圖 環(huán)境因子降額因子改進(jìn)設(shè)計(jì)來滿足系統(tǒng)可靠性指標(biāo)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì) (2按可靠性框圖建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型(3確定個(gè)框圖中元部件及設(shè)備的失效率，該失效率應(yīng)為工作失效率(4系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求預(yù)計(jì)基本可靠性或工作可靠性。2.系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)則根據(jù)預(yù)計(jì)的目標(biāo)不同分為基本可靠性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)?，F(xiàn)有的兩種可靠性預(yù)計(jì)方法為基本可靠性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)?；究煽啃灶A(yù)計(jì)的目的是，用基本可靠性模型來估計(jì)系統(tǒng)及其組成單元故障引起的維修及保障要求，即任一單元發(fā)生故障均要引起維修及保障要求。因此，基本可靠性模型是一個(gè)全串聯(lián)模型，即使存在冗余單元

7、仍要按串聯(lián)處理，其預(yù)計(jì)方法包括上下限法和元器件計(jì)數(shù)法。任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)的目的是，度量系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中完成規(guī)定功能的能力。任務(wù)可靠性模型是用來描述完成任務(wù)過程中系統(tǒng)各組成單元及其構(gòu)成的系統(tǒng)能否發(fā)揮預(yù)定作用、有效工作的一種可靠性模型。目前，常用的任務(wù)可靠性模型包括可靠性框圖模型（如串聯(lián)、并聯(lián)、k/n表決、旁聯(lián)、混聯(lián)等）、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、事件樹、故障樹、動(dòng)態(tài)故障樹、馬爾科夫過程、廣義Petri網(wǎng)模型及其擴(kuò)展模型、GO圖模型和混合模型等基于圖論的系統(tǒng)可靠性模型。利用已得到的系統(tǒng)組成單元的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果或其他來源的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)模型所表達(dá)的系統(tǒng)及其組成單元的狀態(tài)、功能或故障邏輯關(guān)系來建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)計(jì)系統(tǒng)的

8、可靠性。除了用到系統(tǒng)可靠性模型之外，也可將系統(tǒng)的功能/結(jié)構(gòu)模型的用于其任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)?；谙到y(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模型的可靠性預(yù)計(jì)方法通過建立產(chǎn)品的數(shù)學(xué)解析模型或描述系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)仿真模型，將系統(tǒng)的輸入和功能/結(jié)構(gòu)參數(shù)視為隨機(jī)變量，若已知其服從何種概率分布和符合何種隨機(jī)過程，則可以通過對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣的方式，對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行分析。對(duì)于具有復(fù)雜行為的系統(tǒng)來說蒙特卡羅仿真分析法是一個(gè)有力且有效的分析工具。若抽樣的次數(shù)足夠多，根據(jù)大數(shù)定理，可以得到系統(tǒng)性能能夠滿足規(guī)定閾值的百分比，并將這個(gè)百分比定義為系統(tǒng)的性能可靠度。這種方法稱為容差分析法。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)如有限元分析等的發(fā)展和各種仿真軟件工具

9、的大量出現(xiàn)，對(duì)于蒙特卡羅仿真的方法除了用到參數(shù)的隨機(jī)變量，還擴(kuò)展為對(duì)系統(tǒng)行為影響的各種因素，包含了功能與結(jié)構(gòu)參數(shù)、外部環(huán)境與輸入?yún)?shù)的隨機(jī)變量的綜合分析，這樣就可以模擬系統(tǒng)在各種真實(shí)使用條件下，以及考慮系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)確定或隨機(jī)時(shí)的系統(tǒng)行為，獲得其可靠性的統(tǒng)計(jì)估計(jì)值，這個(gè)估計(jì)值可以是時(shí)變的或?qū)δ硞€(gè)時(shí)間點(diǎn)的估計(jì)。2. 采用不同預(yù)計(jì)模型的方法（1）基于協(xié)變量模型的可靠性預(yù)計(jì)方法。基于手冊(cè)/標(biāo)準(zhǔn)的可靠性預(yù)計(jì)方法中用到的數(shù)據(jù)為來自外場或試驗(yàn)的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以此給出產(chǎn)品故障率與產(chǎn)品類型、質(zhì)量等級(jí)與使用條件等因素的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，本文將這類故障率模型稱為協(xié)變量模型，將這種方法稱為基于協(xié)變量模型的可靠性預(yù)計(jì)。這

10、些標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中假設(shè)產(chǎn)品壽命服從指數(shù)分布，所用的故障率模型即為協(xié)變量模型中比例風(fēng)險(xiǎn)模型的形式，它們大體分為4種表達(dá)形式：有的手冊(cè)中的基本故障率直接給出數(shù)值，有的則是給出基本故障率與溫度、電應(yīng)力的關(guān)系圖/表，這種關(guān)系圖或表格也是一種非參數(shù)的協(xié)變量模型；元器件在給定條件下的故障率為基本故障率乘以協(xié)變量參數(shù)的轉(zhuǎn)換變量 因子（由協(xié)變量參數(shù)決定），或者各影響因素的基本故障率乘以 因子的加和，或者以上兩種混合的形式；單元級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的故障率為所組成元器件故障率之和，或者在前者基礎(chǔ)上再乘以某些單元級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的 因子的形式；有些手冊(cè)/標(biāo)準(zhǔn)中還給出基于貝葉斯理論的外場和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的故障率修正模型。這些比例風(fēng)險(xiǎn)模型中的

11、協(xié)變量的確定，需要獲取以下信息：通過對(duì)產(chǎn)品的壽命剖面信息進(jìn)行詳細(xì)的分析，獲得產(chǎn)品所經(jīng)受的溫度、電、溫循、機(jī)械、化學(xué)、相對(duì)濕度、工作占空比等各種應(yīng)力信息；系統(tǒng)選擇的元器件類型、數(shù)量、質(zhì)量等級(jí)的清單，以及產(chǎn)品的材料及其屬性、結(jié)構(gòu)、尺寸、封裝工藝、安裝方式、生產(chǎn)年限等各種設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造工藝信息；元器件供應(yīng)商的質(zhì)量能力與可靠性控制能力信息；其他需要的信息。這些協(xié)變量決定了比例風(fēng)險(xiǎn)模型中的因子。(2基于PoF模型的可靠性預(yù)計(jì)方法基于應(yīng)力-損傷模型的可靠性預(yù)計(jì)方法通過解析計(jì)算、真實(shí)試驗(yàn)或仿真建立產(chǎn)品故障前時(shí)間與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造工藝與使用條件等信息的關(guān)系模型，IEEE 1413.1稱之為應(yīng)力-損傷模型，即P

12、oF模型中的故障時(shí)間模型。故此，這種方法稱為基于PoF模型的可靠性預(yù)計(jì)方法。目前，常用的基于PoF模型的預(yù)計(jì)方法主要針對(duì)元器件和電路板。元器件可靠性預(yù)計(jì)的PoF方法包括對(duì)半導(dǎo)體器件、微電路封裝、連接器的故障機(jī)理和電容等具有耗損型故障的元器件的故障機(jī)理建模，例如，評(píng)估集成電路故障機(jī)理的模型，包括時(shí)經(jīng)電介質(zhì)擊穿，電遷移，熱載流子注入和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)性等。電路板可靠性預(yù)計(jì)的PoF方法涉及到4類分析技術(shù)，在分析時(shí)要基于概率力學(xué)的基本原理，可應(yīng)用CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）軟件工具來實(shí)施：電氣/電子性能和變異性建模用來評(píng)估在不可避免的具有公差和漂移的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)前提下，電氣/電子電路的性能的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是否滿足在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)使用條件下要求。電磁兼容分析和信號(hào)完整性分析來評(píng)估電路板對(duì)電磁干擾敏感性以及是否能夠穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換高頻信號(hào)。 應(yīng)力分析用來評(píng)價(jià)電路板的物理封裝能否保持結(jié)構(gòu)和電路互聯(lián)的完整性，以及能否在給定的環(huán)境條件下保持可靠的功能運(yùn)行，并能確定電路板對(duì)過應(yīng)力故障的敏感性。 耗損耐久性和可靠性建模應(yīng)用應(yīng)力分析結(jié)果來預(yù)計(jì)在長期應(yīng)力施加條件下的老化、逐漸退化和耗損的過程。4種分析都需要在獲得一個(gè)多學(xué)科綜合虛擬工程樣機(jī)的前提下進(jìn)行，以能夠發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，及其對(duì)故障機(jī)理的敏感性，以便在設(shè)計(jì)早期階段實(shí)施可靠性預(yù)計(jì)。結(jié)論與展望：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)的結(jié)果