《可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)》PPT課件.ppt

1、第十二章 可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn),12.1 概論 12.2 元器件的篩選 12.3.電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì) 12.4 降額設(shè)計(jì) 12.5 漂移失效（marginal failure）的設(shè)計(jì) 12.6 機(jī)械可靠性概率設(shè)計(jì):干涉理論 12.7可靠性試驗(yàn),12.1 概論,在高費(fèi)用及通貨膨脹時(shí)代，獲得有效的備用系統(tǒng)的關(guān)鍵是：在最低費(fèi)用的基礎(chǔ)上得到性能，可靠性及系統(tǒng)其它參數(shù)之間的折衷平衡。它們之間有一定的矛盾，這就要求設(shè)計(jì)人員能夠掌握更新的設(shè)計(jì)方法，以較快的周期更新產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員必須使用戶(hù)在產(chǎn)品的性能，可靠性，維修性及費(fèi)用幾個(gè)方面達(dá)到可接受的平衡關(guān)系。在確定了可靠性，維修性，費(fèi)用，性能的設(shè)計(jì)指標(biāo)以后求解它們的最

2、優(yōu)方案。,可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容,最大限度地提高固有可靠性，其中包括：原件的選擇與管理，降額設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)與漂移設(shè)計(jì)，環(huán)境防護(hù)，貯備設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化與分析，這些措施都有利于提高系統(tǒng)的固有可靠性。 設(shè)計(jì)中考慮降低生產(chǎn)與使用過(guò)程中可靠性的退化問(wèn)題，進(jìn)行退化分析，維修設(shè)計(jì)措施，包括早期故障的判斷，故障分析等。 制定元件的篩選或老練方案，可靠性試驗(yàn)。元件選擇及管理有以下幾個(gè)內(nèi)容： 確定完成所需功能元件類(lèi)型及預(yù)期的工作環(huán)境。 確定元件的臨界值，（額定值）,如果超過(guò)這個(gè)值有可能失效而 出現(xiàn)危險(xiǎn)情況等， 確定元件的質(zhì)量等級(jí)。 可靠性分配與優(yōu)化設(shè)計(jì)，重要度分析也是設(shè)計(jì)中的重要任務(wù)。 費(fèi)用設(shè)計(jì)，費(fèi)用的估計(jì)和分配技術(shù)。

3、可靠性分配與優(yōu)化 可靠性審查與評(píng)估 儲(chǔ)備設(shè)計(jì)方法,12.2 元器件的篩選,可靠性篩選的目的是盡快地縮短早期失效期并把失效率降低到可接受水平上。利用加速或增加應(yīng)力條件溫度可以加快篩選速度，表明同一種產(chǎn)品在不同條件下失效率不是相同的，因此在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)就可以提高應(yīng)力條件，使早期失效在較短的時(shí)間內(nèi)剔除。,可靠性篩選的特點(diǎn),可靠性篩選只能剔除一批元件中早期失效元件，而不能提高產(chǎn)品的可靠性的固有數(shù)值。例如工藝上的缺陷，設(shè)計(jì)上的問(wèn)題無(wú)法從篩選中排除，還氧樹(shù)脂龜裂就是一例。 經(jīng)過(guò)篩選后的元件要求不產(chǎn)生失效機(jī)理和失效分布的變化，它是一種非破壞性試驗(yàn)。 可靠性篩選是對(duì)100元件進(jìn)行試驗(yàn)，不是抽樣試驗(yàn)。,篩選

4、分類(lèi),檢查篩選：顯微鏡檢查,紅外線非破壞檢查,X射線非破壞檢查 密封性篩選：很多元器件是在密封條件才能正常，檢查漏氣是十分重要的一項(xiàng)提高可靠性的措施，如氦檢或效射性檢漏。 環(huán)境應(yīng)力篩選：振動(dòng)加速度篩選,沖擊加速度篩選,離心加速度篩選 20000g100000g加速度,溫度沖擊篩選 （40C85C沖擊鍺器件）（55C125C沖擊硅器件） 壽命儲(chǔ)存篩選:（i）高溫儲(chǔ)存篩選,（ii）功率老化篩選,應(yīng) 力 篩 選,例如某廠半導(dǎo)體3DG32加300毫瓦功率進(jìn)行摸底試驗(yàn)，得到試驗(yàn)時(shí)間與失效率的數(shù)據(jù)如表,篩選中的PDA值控制技術(shù),PDA是Percent Defective Allowable的縮寫(xiě)。意為“批

5、允許不合格率”。PDA不是試驗(yàn)方法，而是一種試驗(yàn)控制技術(shù)。PDA技術(shù)的引入使篩選的作用有一個(gè)質(zhì)的飛躍。在引入前，篩選只是100%的“過(guò)篩”，不合格的全“篩”下去，合格的當(dāng)然都將會(huì)使用，但這些合格器件的失效率仍是個(gè)未知數(shù)。PDA技術(shù)能部分解決這個(gè)問(wèn)題。應(yīng)用它能分辨出某批電路將來(lái)使用時(shí)失效率將較低，而某批電路“過(guò)篩”后的“合格”品失效率仍高，仍然必須整批報(bào)廢。,PDA技術(shù)可簡(jiǎn)述,事先確定PDA的控制值，如質(zhì)量S級(jí)的產(chǎn)品，PDA的控制值選3%，質(zhì)量B級(jí)選5%等。 經(jīng)規(guī)定的試驗(yàn)篩選后，有失效數(shù)為r，投入試驗(yàn)的產(chǎn)品數(shù)N，則定義批缺陷率P=r/N 將P與PDA值比較，如P值大，則該批拒收。如P值不大，則通

6、過(guò)該試驗(yàn)。 P值直接反映試驗(yàn)前該批產(chǎn)品的可靠性水平，即當(dāng)P值增加，產(chǎn)品可靠性急劇下降。,例12-1：設(shè)， ， 小時(shí)，從100個(gè)元件中，其中次品有10個(gè)，求達(dá)到系統(tǒng) 小時(shí)和0.0012小時(shí)的篩選時(shí)間。,12.3.電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì),產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)是在產(chǎn)品定型過(guò)程中，從元器件的可靠性參數(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與理論的分析計(jì)算，對(duì)產(chǎn)品可能達(dá)到的可靠性水平進(jìn)行一種預(yù)測(cè)過(guò)程。 產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)的目的是為了落實(shí)產(chǎn)品定量化的可靠性指標(biāo)，為使產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的可靠性要求，并為今后改進(jìn)產(chǎn)品的可靠性提供理論的基礎(chǔ)。,可靠性預(yù)計(jì)的目的,1、定量地給出產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)指標(biāo)； 2、通過(guò)預(yù)計(jì)了解產(chǎn)品的各元器件之間的可 靠性關(guān)系，并

7、為改進(jìn)和提高產(chǎn)品的可靠 性提供依據(jù)； 3、找出產(chǎn)品中的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)產(chǎn)品可 靠性提供措施； 4、通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)與分配，節(jié)約開(kāi)發(fā)費(fèi) 用；,可靠性預(yù)計(jì)的計(jì)數(shù)法,表12-1 半導(dǎo)體分立器件通用質(zhì)量系數(shù),可靠性預(yù)計(jì)的應(yīng)力法,基本失效率的數(shù)學(xué)模型,例12.2：金屬膜電阻，額定功率0.25W，20k，質(zhì)量等級(jí) ，環(huán)境溫度50C，耗散功率0.1W，,例12.3：固體鉭電解電容器，質(zhì)量等級(jí) ，額定工作電壓40v(直流)，額定電容量15 ，工作電壓16v(直流)，環(huán)境溫度70C，電容與電源之間回路電阻80,應(yīng)用實(shí)例,正電源電路元器件清單,12.4 降額設(shè)計(jì),通過(guò)設(shè)計(jì)有目的地降低元器件工作時(shí)實(shí)際承受的應(yīng)力，以降

8、低元器件的工作失效率。其設(shè)計(jì)的依據(jù)是：GJB/Z35-93。 降額的基本參數(shù)各個(gè)不同工程領(lǐng)域不完全相同，一般大家熟悉的有這樣一些參數(shù)：電壓，電流，功率，轉(zhuǎn)矩，速度，濕度，溫度等。,降 額 設(shè) 計(jì),國(guó)產(chǎn)可控硅的降額因子,漂移失效,在可靠性的研究中，大多數(shù)失效是指突發(fā)性失效，這種失效是偶然性的，服從某種隨機(jī)的規(guī)律，但許多產(chǎn)品的失效除了突發(fā)性的以外還有隨時(shí)間的積累而產(chǎn)生的一種漂移性的參數(shù)改變。這種軟故障到達(dá)一定的程度以后不能滿(mǎn)足確定功能要求，實(shí)際上也判為失效或故障，現(xiàn)在從失效的觀點(diǎn)來(lái)研究漂移失效。電路的漂移分析，或有時(shí)叫容差分析，主要是應(yīng)用于關(guān)鍵電路。 由于某個(gè)變量超過(guò)界限值而引起的失效就叫界限失效

9、。如果這種界限，隨時(shí)間慢慢的漂移最終超過(guò)界限值，這種場(chǎng)合稱(chēng)之為漂移失效，又稱(chēng)退化失效。,12.5 漂移失效（marginal failure）的設(shè)計(jì),靈敏度與方差系數(shù),例12.4 一個(gè)LC調(diào)諧回路，其中的電感為50微亨誤差10%，電容為30微微法誤差5%，設(shè)頻率漂移的最大允許值200Hz，求原設(shè)計(jì)的電感和電容能否滿(mǎn)足上述頻率漂移要求，如果不滿(mǎn)足，應(yīng)如何提高元器件的精度？,機(jī)械可靠性,機(jī)械部件的失敗一般不完全遵守指數(shù)分布規(guī)律，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，有些機(jī)械部件的壽命采用威布爾分布形式，磨損失效是影響機(jī)械零件及設(shè)備可靠性的主要因素，例如由于潤(rùn)滑不好，配對(duì)材料質(zhì)量欠佳，密封泄漏，高速或高溫條件潤(rùn)滑情況惡化

10、等原因，引起零件的磨損、擦傷和膠合等不同的失效模式，盡管可靠性理論在機(jī)械部件中的研究近十年來(lái)已有進(jìn)展，但是不同的部件或者環(huán)境的作用影響很大，磨損耗量隨時(shí)間增長(zhǎng)，其離散性越來(lái)越大，分布參數(shù)也有較大的不確定性，因此機(jī)械部件的可靠性理論有待進(jìn)一步深入研究。一種用于強(qiáng)度研究的概率論分析受到廣泛的應(yīng)用，由于模型中考慮到強(qiáng)度與應(yīng)力分布之間的干涉關(guān)系，所以這種理論又稱(chēng)干涉理論。,12.6 機(jī)械可靠性概率設(shè)計(jì):干涉理論,例12.5 設(shè)計(jì)一拉桿，已知作用于桿的拉力載荷 kgf，拉桿材料為低合金鋼，其強(qiáng)度極限 kgf/mm2，標(biāo)準(zhǔn)偏差kgf/mm2，求可靠度為0.999時(shí)拉桿的截面半徑。,例12.3由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)

11、計(jì)知道，零件（浮動(dòng)花鍵軸）在工作到小時(shí) 時(shí)，磨損量的平均值為 微米， 微米，設(shè)計(jì)上允許零件的磨損量為 微米，試問(wèn)達(dá)到工作時(shí)間t的零件耐磨可靠度？,12.7可靠性試驗(yàn) 12.7.1 引言,為了了解各種外界因素的影響量（應(yīng)力）對(duì)產(chǎn)品可靠性和環(huán)境適應(yīng)性的作用，需要進(jìn)行可靠性試驗(yàn),可靠性試驗(yàn)是評(píng)價(jià)和分析產(chǎn)品可靠性的基本工作環(huán)節(jié)。 通過(guò)可靠性試驗(yàn)可以確定電子產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下工作或貯存時(shí)的可靠性特征量，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用提供有用的數(shù)據(jù)；也可以充分暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造等方面所存在的問(wèn)題。 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是最客觀最有意義的試驗(yàn)，但這不是一件容易的事，往往需要很長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間，而且要有準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)可靠性使用數(shù)據(jù)報(bào)告，

12、 可靠性試驗(yàn)是生產(chǎn)高可靠性產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。,可靠性試驗(yàn)分類(lèi),可靠性試驗(yàn)的種類(lèi)較多，按試驗(yàn)性質(zhì)分，有破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)， 按可靠性試驗(yàn)?zāi)康姆郑泻Y選試驗(yàn)、摸底試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)，批量保證試驗(yàn)和交收試驗(yàn)等； 按可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目可以分為：壽命試驗(yàn)，使用條件試驗(yàn)，環(huán)境試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)等。,加速壽命試驗(yàn),環(huán)境試驗(yàn),環(huán)境大致可分為四大類(lèi)： （1）工業(yè)環(huán)境： 腐蝕性介質(zhì)：如二氧化硫（），二氧化碳（），硫化氫（）氣體，腐蝕性液體及腐蝕性粉塵等； 高溫與低溫：如冶煉廠的高溫、冷煉廠的低溫； 高氣壓與低氣壓：如氨（）管道的高氣壓，真空中的低氣壓 固體性粉塵：如磨損性粉塵、導(dǎo)電性粉塵及可燃性粉塵等。 （2）

13、自然環(huán)境： 自然環(huán)境分為氣候環(huán)境、機(jī)械環(huán)境、生物環(huán)境、輻射環(huán)境及電環(huán)境等。 （3）人為環(huán)境：人為環(huán)境有使用、維護(hù)、包裝及貯存等。 （4）特殊使用環(huán)境：,環(huán)境試驗(yàn)的種類(lèi),（1）現(xiàn)場(chǎng)使用試驗(yàn) （2）天然暴露試驗(yàn) （3）人工模擬試驗(yàn) 人工模擬試驗(yàn)是一種在短期內(nèi)觀察產(chǎn)品所能承受的應(yīng)力有多大的試驗(yàn)。常用的有低溫試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、濕度沖擊試驗(yàn)、濕度循環(huán)試驗(yàn)、潮濕試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、塵砂試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、碰撞試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、離心加速度試驗(yàn)、爆炸試驗(yàn)、聲振試驗(yàn)等。我國(guó)四機(jī)部對(duì)電子元器件的基本環(huán)境技術(shù)要求等級(jí)和試驗(yàn)方法都有標(biāo)準(zhǔn)。,可靠性壽命試驗(yàn),產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)在規(guī)定的環(huán)境條件、工作條件和維修保養(yǎng)條件下的壽命試驗(yàn)。 壽

14、命試驗(yàn)是分析產(chǎn)品壽命特征和失效規(guī)律的試驗(yàn)。通過(guò)這種試驗(yàn)可以了解產(chǎn)品壽命統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特征量（如失效率、平均壽命等），以便作為可靠性預(yù)測(cè)、可靠性設(shè)計(jì)、制定篩選條件，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)。一般地說(shuō)，可靠性試驗(yàn)通常指壽命試驗(yàn)。 1） 加速試驗(yàn) 2） 長(zhǎng)期壽命試驗(yàn),壽命試驗(yàn)方案,四種試驗(yàn)方案 序貫截尾試驗(yàn) 定時(shí)截尾試驗(yàn) 定數(shù)截尾試驗(yàn) 逐次結(jié)尾試驗(yàn)法(適合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)),電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)鑒定及驗(yàn)收（指數(shù)分布）,可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)主要考核兩個(gè)方面 1.可靠性測(cè)定試驗(yàn)（Reliability determination test） 為確定產(chǎn)品的可靠性特征量的數(shù)值（如：MTBF、等）而進(jìn)行的試驗(yàn)。如可靠性摸底試驗(yàn)等。 2.可靠性合格試驗(yàn)（Reliability compliance test）為確定產(chǎn)品可靠性特征量是否符合所要求的水平進(jìn)行的試驗(yàn)。它包括： （1）可靠性鑒定試驗(yàn)（Reliability compliance test）是為了驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能否符合所要求的水