電子元器件的可靠性分析.doc

電子元器件的可靠性分析河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 呂俊霞 * 宣峰摘要 分析了電子元器件的可靠性，包括可靠性的定義，可靠性指標(biāo)，電子元器件在不同環(huán)境條件下的不同特征，元件失效的規(guī)律，發(fā)生故障的概率等。關(guān)鍵詞 電子元器件；電子設(shè)備；可靠性；失效；產(chǎn)品；故障Electronic Primary Devices Fail-Safe AnalysisLu Junxia and Xuan FengAbstract Has analyzed the electronic primary devices reliability, including the reliable definition, the reliable target, the electronic primary device under the different environmental conditions different characteristic, component failures rule, has the breakdown probability and so on.Keywords The electronic primary device; The electronic installation; The reliability; Expires; Product; Breakdown隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得人們對電子設(shè)備、電子元器件的可靠性要求越來越高。 那么，究竟什么是電子元器件的可靠性呢？一種概率。某個產(chǎn)品究竟什么時候因失去完成規(guī)定功能的能力而失效的事件是不能確定的，只能借助 于數(shù)理統(tǒng)計的方法加以估計。為了使可靠性定義中的“能力”這一抽象的概念含糊不清，必須用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的數(shù)學(xué)工具對其進(jìn)行定量的研究。定 量地表示產(chǎn)品可靠性的數(shù)學(xué)特征量有可靠度、累計 失效概率、失效概率密度、失效率、平均無故障工 作時間（M T B F ）、有效度等。但通常采用可靠 度、累計失效概率及平均無故障工作時間（MTBF） 來表示。所謂可靠度，就是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī) 定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。所謂失效率，就 是產(chǎn)品在單位時間內(nèi)失效的概率。所謂平均無故障 工作時間，是指產(chǎn)品平均無故障工作時間的平均值。 通常元器件可靠性水平高低用失效率來表示；而設(shè) 備的可靠性多用可靠度、MTBF、有效度等指標(biāo)來 表示。電子元器件的可靠性指標(biāo)通常用失效率（） 來表示。而對于電子設(shè)備而言，除特種設(shè)備外，一 般是可以修復(fù)的。電子產(chǎn)品的可靠性不同于產(chǎn)品的 電氣性能指標(biāo)，它有時間性、綜合性和統(tǒng)計性等特 點，它不能像電氣性能指標(biāo)那樣可以直接用儀器、 儀表測量。一般是通過下面兩種途徑獲得。一是通 過把產(chǎn)品在現(xiàn)場使用的累計失效數(shù)，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計方 法處理獲得。這種數(shù)據(jù)叫產(chǎn)品現(xiàn)場使用可靠性的統(tǒng) 計平均值?；蛘呤怯杏媱澯心康牡貙a(chǎn)品放在現(xiàn)場 使用的典型條件下工作一個規(guī)定的時間，根據(jù)累計1關(guān)于可靠性的概念可靠性有各種各樣的定義，國際電工委員會（IEC）對可靠性所下的定義是：產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。我國國家標(biāo)準(zhǔn) G B3187-82可靠性基本名詞術(shù)語及定義規(guī)定“可 靠性”的定義也如此?？煽啃允钱a(chǎn)品質(zhì)量的一個重要方面，通常所說的產(chǎn)品質(zhì)量好，包含兩層意思 ： 一是達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)；二是在使用過程中很可靠。如果產(chǎn)品的各項基本技術(shù)指標(biāo)都很先進(jìn)，但可 靠性很差，返修率高，就會失去實際的使用價值，也肯定不受用戶歡迎而被淘汰。產(chǎn)品所具有的基本性 能是反映產(chǎn)品質(zhì)量的一個方面，而能否可靠耐用，即可靠性如何，是反映產(chǎn)品質(zhì)量的另一個方面。 由上述定義可以看出，可靠性是對一種產(chǎn)品投入使用時無故障工作能力的度量。產(chǎn)品可靠性的高 低是表示在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的可能性的大小。從數(shù)學(xué)觀點來看，可靠性表示* 呂俊霞，女，1 9 6 3 年 1 2 月生，碩士，講師473009 河南省南陽市河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系（0 3 7 7 ）6 6 7 9 1 9 6 3E-mail: 收稿日期：2 0 1 0 -11 -6工作時間和累計失效數(shù)經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計方法獲得。這種數(shù)據(jù)叫產(chǎn)品現(xiàn)場可靠性試驗驗證值。獲得產(chǎn)品現(xiàn)場 可靠性試驗驗證值的方法叫現(xiàn)場可靠性試驗。二是通過在實驗室進(jìn)行可靠性試驗的方法獲得產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。這種方法是在實驗室里用一種規(guī)定的和 受控的工作條件及環(huán)境條件，模擬現(xiàn)場的使用條件 和產(chǎn)品在現(xiàn)場所遇到的環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行試驗，將累計 試驗時間和累計失效經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計方法處理獲得。 這種數(shù)據(jù)叫產(chǎn)品可靠性試驗的驗證值。值得注意的是，某個產(chǎn)品的固有可靠性是隨著 設(shè)計的修改、使用條件的不同，以及工作過程中的性能退化而不斷變化的。因此，是無法確知的，只能從確定符合使用條件的可靠性預(yù)計值或?qū)嶒烌炞C 值中得到估計。還應(yīng)指出，可靠性不是指一個產(chǎn)品 而言的，而是對一批或多批相同產(chǎn)品事物的本來狀 態(tài)。對一個產(chǎn)品，談不上可靠性。因為個別現(xiàn)象，不 是發(fā)生，就是不發(fā)生，它是確定性事件，針對個別 現(xiàn)象談概率是沒有任何意義的，它不存在概率問題， 所以不能預(yù)計單個產(chǎn)品的可靠性，不能用可靠性技 術(shù)預(yù)計一個產(chǎn)品能工作多長時間會失效。但是，可 以借助于統(tǒng)計的方法，對一批產(chǎn)品預(yù)計其在規(guī)定時 間內(nèi)正常工作的概率或者在某一時間內(nèi)將發(fā)生故障 的平均數(shù)或平均無故障工作時間（M T B F ）。因 此，研究可靠性能時，應(yīng)建立統(tǒng)計概率的觀點，同 時還應(yīng)認(rèn)識到可靠性所具有的統(tǒng)計條件。可靠性的定義表明，可靠性與“規(guī)定的條 件”、“規(guī)定的時間”和“規(guī)定的功能”密切相關(guān)。因此，產(chǎn)品的可靠性也不同。也就是說，同一種產(chǎn)品在不同的工作條件和環(huán)境條件下其可靠性是不 同的。因此，在評價一種可靠性時，必須明確其所處的工作條件和環(huán)境條件。例如，同一個半導(dǎo)體器件，使用時的輸出功率 不同，其可靠性也不同，一般的規(guī)律是使用輸出功 率越小，其可靠性越高。又如，同一臺電子設(shè)備在 實驗室使用和在野外使用，其可靠性相差很大。一 般來說，環(huán)境條件越惡劣，設(shè)備的可靠性越低。2.2 可靠性與“規(guī)定的時間”密切相關(guān)產(chǎn)品的可靠性還與“規(guī)定的時間” 密切相關(guān)。 一般來說，產(chǎn)品經(jīng)過老化后，有一個較長的穩(wěn)定使 用期。以后隨著時間的增長可靠性下降，時間越長， 可靠性越低。也就是說，隨著工作時間的延長，產(chǎn) 品的可靠性將會慢慢地下降。規(guī)定時間的長短又隨著產(chǎn)品對象的不同與使用 目的不同而異。產(chǎn)品的可靠性是時間的函數(shù)，隨著時間的推移而不斷降低，產(chǎn)品使用 1 h 的可靠性與使用 1 萬 h 的可靠性水平是不一樣的。就設(shè)備而 言，即使元器件經(jīng)過篩選和整機(jī)經(jīng)過老煉及維修， 設(shè)備在偶然失效區(qū)工作的情況下，這一段時間內(nèi)的 失效率是一個常數(shù)。但是，設(shè)備可靠度分布規(guī)律符合。即：使用的時間越長，可靠度越低。因此，在研究產(chǎn)品可靠性問題時，要充分認(rèn)識到可靠性的這種時間特性，在評價一種產(chǎn)品可靠性 時必須指明多長時間內(nèi)的可靠性，也稱任務(wù)時間內(nèi)的可靠性。離開時間談可靠性是無意義的。2 電子元器件的可靠性2.1 可靠性與“規(guī)定的條件”密不可分產(chǎn)品的可靠性與產(chǎn)品的工作狀態(tài)，使用條件， 使用、運(yùn)輸和保管的環(huán)境條件有很大的關(guān)系。規(guī)定 的條件可涉及所有內(nèi)部、外部的條件。包括自然的、 人為的或自身引起的條件。任何產(chǎn)品研制的時候都是根據(jù)規(guī)定的使用條件 進(jìn)行的。所謂“規(guī)定的條件”包括（如功能模式、操作方法、負(fù)載條件、工作能源、維護(hù)條件等）和環(huán)境條件（如溫度、濕度、氣壓、振動等）。是指在規(guī) 定的時間內(nèi)產(chǎn)品使用時的應(yīng)力條件（電氣的和機(jī)械 的）、工作環(huán)境條件和維護(hù)條件、貯存條件及完成規(guī) 定任務(wù)所規(guī)定的時間。規(guī)定條件不同，意味著產(chǎn)品 將承受不同的應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力超過產(chǎn)品所能承受 的強(qiáng)度極限時，產(chǎn)品將喪失或漸變其原有的性能，2.3 可靠性與“規(guī)定的功能”關(guān)系密切規(guī)定的功能既是產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)，也是判斷 產(chǎn)品好壞的依據(jù)。所謂“功能”就是產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)和技 術(shù)要求。一個產(chǎn)品往往具有若干項規(guī)定的功能，這里所說的完成規(guī)定的功能是指全部，而不是其中一 部分。產(chǎn)品只有完成規(guī)定的全部功能，才能被認(rèn)為可靠。 這是產(chǎn)品完成規(guī)定任務(wù)和作用的保證。所謂產(chǎn)品不可靠，所謂失效，就是針對產(chǎn)品是否滿足規(guī) 定的性能指標(biāo)和技術(shù)要求而言的。產(chǎn)品的性能指標(biāo)和技術(shù)要求越高，允許變化的范圍越小，產(chǎn)品要完 成“規(guī)定功能”的可能性就越小，那么產(chǎn)品的可靠性水平就越低。反之，產(chǎn)品的性能指標(biāo)和技術(shù)要求 越低，允許變化的范圍越寬，產(chǎn)品就能夠完成“規(guī)定功能”的可能性就越大，那么產(chǎn)品的可靠性能水平就越高。因此，評價一種產(chǎn)品的可靠性離不 開產(chǎn)品的規(guī)定功能。還應(yīng)注意，產(chǎn)品的可靠性是可靠性工程的一個重要環(huán)節(jié)。而可靠性工程是一種綜合技術(shù)，可靠性 技術(shù)與管理貫穿于產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、使用的 全過程。而且可靠性技術(shù)涉及到諸如：可靠性數(shù)學(xué)、 失效物理學(xué)、試驗技術(shù)與試驗分析技術(shù)、元器件工 程、可靠性標(biāo)準(zhǔn)及可靠性設(shè)計與可靠性管理等很廣 的技術(shù)領(lǐng)域。同時可靠性與上至國家機(jī)關(guān)、下至工 業(yè)企業(yè)，直至每個用戶都有關(guān)系。而且，可靠性具 有強(qiáng)烈的社會性，某個國家產(chǎn)品的可靠性水平就反 映了這個國家的工業(yè)基礎(chǔ)和科學(xué)技術(shù)水平。電子產(chǎn) 品的可靠性理論及技術(shù)是第一次、第二次世界大戰(zhàn) 中萌芽和發(fā)展起來的，至今可靠性技術(shù)依然是軍備 競賽和市場競爭的熱門技術(shù)，可靠性已經(jīng)被人們認(rèn) 為是國家安全、企業(yè)存亡密切相關(guān)的一門科學(xué)。因 此可靠性技術(shù)與管理，從它的孕育、誕生及成長都 帶有強(qiáng)烈的社會性，都為各國領(lǐng)導(dǎo)、集團(tuán)及社會各 個部門所重視。產(chǎn)品的可靠性是十分重要的，它直接關(guān)系著產(chǎn) 品的使用性能，影響著生產(chǎn)和建設(shè)的質(zhì)量和進(jìn)展速 度，有時會帶來嚴(yán)重的人身安全問題。例如，我們 熟知，汽車突然剎車會出現(xiàn)車輪“抱死”現(xiàn)象，這 使得車輪與地面的摩擦系數(shù)減小，側(cè)滑系數(shù)減小，從 而造成汽車易于側(cè)翻或操縱失靈，為此出現(xiàn)了各種 “防抱死裝置”，它自動調(diào)節(jié)剎車系統(tǒng)的壓力，使其 永遠(yuǎn)處于最佳壓力狀態(tài)。電子“防抱死裝置”種類 很多，性能良好，但其價格太高。為此，我國出現(xiàn) 了一段研制機(jī)械式“防抱死裝置”的熱潮?？煽啃怨こ叹哂锌煽啃约夹g(shù)與管理的雙重特點。 可靠性工程等于可靠性技術(shù)加可靠性管理。為了有 效的提高產(chǎn)品的可靠性，必須把可靠性工作的主要 項目適時地安排在整個產(chǎn)品壽命周期內(nèi)，尤其在產(chǎn) 品的研制階段。利用可靠性技術(shù)，對其進(jìn)行嚴(yán)密的 監(jiān)控，才能達(dá)到預(yù)期的目的。要提高產(chǎn)品的可靠性， 必須實施可靠性技術(shù)。但是光有技術(shù)還不行，還必 須有可靠性管理，將研究、設(shè)計、生產(chǎn)和使用各個 階段有機(jī)地結(jié)合起來，才能保證可靠性技術(shù)貫徹到 產(chǎn)品中去。所以，我們在研究產(chǎn)品的可靠性問題時，必 須牢牢掌握可靠性的三大要素，即時間、條件和 功能；建立一個基本觀點，即統(tǒng)計概率的觀點；充分認(rèn)識可靠性所具有的 5 個特性，即時間性、統(tǒng)計性、綜合性、強(qiáng)烈的社會性和技術(shù)與管理的雙重 性。從使用的角度來看，在基本性能指標(biāo)滿足使用要求的前提下，產(chǎn)品最重要的指標(biāo)是可靠性指標(biāo)。 產(chǎn)品在工作中，常常因各種偶然因素，比如，元器件突然損壞，應(yīng)力（電負(fù)荷、溫度、機(jī)械影響 等）突然改變，維護(hù)或使用不當(dāng)?shù)鹊挠绊懚?。由于這些失效的原因具有偶然性，所以對某一個具體 的產(chǎn)品，在規(guī)定的條件和時間內(nèi)能否完成規(guī)定的功能，是無法預(yù)先知道的，這是一個隨機(jī)事件。大量 隨機(jī)事件中，包含著一定的規(guī)律性，隨機(jī)事件發(fā)生的可能性大小，可以用概率來表示，即我們雖然無 法準(zhǔn)確地知道出現(xiàn)失效的時刻，但可以求出產(chǎn)品在規(guī)定的條件和時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。所以，產(chǎn)品的可靠性可以用概率的形式表示。3可靠性主要指標(biāo)產(chǎn)品可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一個組成部分，產(chǎn)品規(guī)定功能的充分發(fā)揮，在很大程度上取決于產(chǎn)品可靠性高低。可靠性主要指標(biāo)如下。（1 ）可靠度（不失效率）：可靠度是指產(chǎn) 品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概 率。（2 ）故障率：是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定 時間內(nèi)失去規(guī)定功能的概率。（3 ）平均壽命：對于不可修復(fù)和可修復(fù)產(chǎn) 品，其平均壽命有不同含義。對不可修復(fù)的產(chǎn)品，它 是指產(chǎn)品發(fā)生前的工作或貯存時間的平均值。對可 修復(fù)的產(chǎn)品，平均壽命是指兩次相鄰故障間隔的平 均值，即平均無故障工作時間。（4 ）失效率：是指產(chǎn)品工作到 t 時刻后的一個單位時間內(nèi)的失效數(shù)與在 t 時刻尚能工作的產(chǎn)品 數(shù)之比。目前，常用失效率作電子元器件的可靠性 指標(biāo)。（5 ）平均修復(fù)時間：該項指標(biāo)反映了產(chǎn)品的 可維修度，是指平均一次故障所需要的修復(fù)時間。 上述可靠性參量對于不同類型的產(chǎn)品的評定各 有所長，一般以實際使用方便而定。對于復(fù)雜的設(shè) 備，往往采用平均壽命加以衡量，因為該類產(chǎn)品不 可能有大量的產(chǎn)品進(jìn)行試驗，所以難以統(tǒng)計它的失 效率或可靠度。而對于一般元器件，則可以通過大量試驗求得失效率，并用以表征其可靠性。（下轉(zhuǎn)第 37 頁）模式，在保證壓力梯度、溫度、濕度、潔凈度等基本參數(shù)不變的情況下，達(dá)到最大限度地節(jié)省系 統(tǒng)的能源開資。檢與監(jiān)控，包括實驗室運(yùn)行信息網(wǎng)絡(luò)傳輸，遠(yuǎn)程授權(quán)共享，短信服務(wù)等。使用基于 T C P / I P 和 Ethernet（以太網(wǎng)）的 HMI 技術(shù)，通過 Web 瀏覽 器可以讓我們輕松地實現(xiàn)異地監(jiān)控（見圖 3 ）。4結(jié)語BSL - 3 實驗室智能控制系統(tǒng)涉及自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，對硬件和軟件都要求具有較高的集成性、擴(kuò)展性、安全性及實用 性，工程設(shè)計與設(shè)備選擇應(yīng)充分考慮兼容性，做 到兼收并蓄，充分利用其他學(xué)科的理論基礎(chǔ)和技術(shù) 力量為 BSL-3 實驗室的發(fā)展服務(wù)。參考文獻(xiàn)1 張鳳珊. 電氣控制及可編程序控制器M.北京:中國輕工 業(yè)出版社, 1999.42 王永華, 宋寅卯,等. 現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 19993 于璽華, 車鳳翔. 現(xiàn)代空氣微生物及采檢鑒技術(shù)M. 北 京: 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社，19984 許鐘麟. 空氣潔凈技術(shù)原理M.北京:科學(xué)出版社. 2003圖 3遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫察看頁面3遠(yuǎn)程維護(hù)BSL-3 實驗室運(yùn)行信息網(wǎng)絡(luò)傳輸，是基于自動控制技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一體化的信息系統(tǒng)。通過對現(xiàn)有技術(shù)的完美融合，實現(xiàn)了實驗室運(yùn)行的遠(yuǎn)程巡（上接第 34 頁）4影響電子元器件可靠性因素引起電子元器件失效的內(nèi)因隱患多種多樣，造成不同程度的影響。應(yīng)該指出，根據(jù)設(shè)備的用途不同，使用的環(huán)境不同，有些環(huán)境條件對設(shè)備的影 響是主要的，有些則是次要的。有些環(huán)境條件的影 響很嚴(yán)酷，有些則是很微弱的。所以，對于環(huán)境條 件應(yīng)該區(qū)別對待。例如，鹽霧對海洋用電子設(shè)備的 影響是主要的、嚴(yán)酷的，但對車載設(shè)備則是次要的、 微弱的。振動對航空用電子設(shè)備的影響是主要的、 嚴(yán)酷的，但對固定設(shè)備則是次要的、微弱的。綜上所述，我們對電子元器件和電子設(shè)備可 靠性等有比較詳細(xì)具體的了解。在實際使用過程中，應(yīng)根據(jù)環(huán)境因素等具體情況，為元器件（設(shè)備）提供合適的條件，使電子設(shè)備安全可靠地工作。如設(shè)計上有缺陷，焊點不牢，密封不嚴(yán)等。這些來自設(shè)計、制造或元器件質(zhì)量因素等方面的缺陷，在 一定的外因作用下就出現(xiàn)了故障。所以，失效是內(nèi)因與外因共同作用引起的失效。引起電子元器件失效的外因就是存儲、運(yùn)輸 和工作過程中的環(huán)境條件。影響可靠性的環(huán)境條件 一般包括下列幾個：氣候環(huán)境條件，機(jī)械環(huán)境條件， 生物條件，化學(xué)條件，電與電磁條