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:1304011學(xué)號姓名:郭澤超摘要：在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時，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，而同時預(yù)計(jì)又是分配的基礎(chǔ)。對于已有的電子設(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，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，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)級或系統(tǒng)級的可靠性模型，對其可靠性進(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)常溫條件下測得失效率時，可采用失效率預(yù)計(jì)法。這種方法對電子產(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)。基本可靠性預(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)。基于系統(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，則可以通過對這些參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣的方式，對系統(tǒng)的行為進(jìn)行分析。對于具有復(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)時的系統(tǒng)行為，獲得其可靠性的統(tǒng)計(jì)估計(jì)值，這個估計(jì)值可以是時變的或?qū)δ硞€時間點(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?；谑謨?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)險模型的形式，它們大體分為4種表達(dá)形式：有的手冊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；單元級或系統(tǒng)級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或系統(tǒng)級的 因子的形式；有些手冊/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)險模型中的

11、協(xié)變量的確定，需要獲取以下信息：通過對產(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)方法主要針對元器件和電路板。元器件可靠性預(yù)計(jì)的PoF方法包括對半導(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，評估集成電路故障機(jī)理的模型，包括時經(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)和動態(tài)使用條件下要求。電磁兼容分析和信號完整性分析來評估電路板對電磁干擾敏感性以及是否能夠穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換高頻信號。 應(yīng)力分析用來評價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：對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)的結(jié)果