可靠性基礎教程

可靠性基礎講解

質量和可靠性質量可靠性可靠性概念可靠性定義產(chǎn)品規(guī)定的條件規(guī)定的時間規(guī)定的功能可靠性基本術語故障應力MTBF失效率維修性可靠性測試可靠性測試目的可靠性測試HALT&HASS&ORT

目錄可靠性增長MTBF設計目標值可靠性模型可靠性分配可靠性設計降額設計冗余設計熱設計EMC設計田口設計可靠性常見分布指數(shù)分布威布爾分布對數(shù)正態(tài)分布MTBF計算及評估

質量和可靠性-1質量：滿足或超越客戶的需求和期待值。QualityofManagementQualityofProcessesQualityofProducts&Services

質量和可靠性-2可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力。DesignQualitySupplierQualityMfgQualityProductQualityInfrastructureQualityReliability*Mfg=Manufacturing

可靠性概念可靠性定義產(chǎn)品

指零件，元器件，部件，設備或系統(tǒng)。規(guī)定的條件

工作條件：電壓，負載，使用方法，維修方法，輸出功率等。環(huán)境條件：溫度，濕度，壓力，振動，沖擊，電場，磁場，電磁場等。儲存條件：運輸，保管等。

規(guī)定的時間指產(chǎn)品的生命周期（如交換機壽命20年，手機壽命5年，手機劃蓋工作壽命6萬次，汽車壽命30萬公里等）規(guī)定的功能

指產(chǎn)品標準或產(chǎn)品技術條件中所規(guī)定的各項技術性能（技術指標）?？煽慷?/p>

（電子產(chǎn)品服從指數(shù)分布）R=e-t

可靠性概念可靠性基本術語故障

指產(chǎn)品不能執(zhí)行規(guī)定功能的狀態(tài)。（故障分類–GB/T3187-94）應力–外界各種環(huán)境對產(chǎn)品的破壞力

氣候應力：高溫，低溫，潮濕，干燥，氣壓，日光，鹽霧等。機械應力：跌落，振動，沖擊，離心加速度等。生物及化學環(huán)境應力：昆蟲，霉菌，工業(yè)大氣，化學溶劑等。電氣應力：電壓，電流，靜電，電磁場，射線等。

MTBF（MeanTimeBetweenFailures）指產(chǎn)品相鄰兩次故障之間的平均工作時間-平均故障間隔（可維修）。失效率

指產(chǎn)品在t時刻失效的可能性，是失效間隔時間的倒數(shù)

維修性在規(guī)定條件下并按規(guī)定程序和手段實施維修，產(chǎn)品在規(guī)定使用條件下保持或恢復執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。lMTBF1=l

可靠性測試可靠性測試目的研發(fā)階段：對試樣進行可靠性測試，找出產(chǎn)品在原材料，結構，工藝，環(huán)境適應性等方面所存在的問題，而加以改進，經(jīng)過反復試驗與改進就能提高產(chǎn)品的可靠性指標。中試階段：當新產(chǎn)品定型后，根據(jù)產(chǎn)品技術條件進行鑒定試驗，以便全面考核產(chǎn)品是否達到規(guī)定的可靠性指標。生產(chǎn)過程中：監(jiān)控產(chǎn)品質量的穩(wěn)定程度（監(jiān)控原材料質量變差或性能下降和工藝流程失控）。目的總結通過試驗發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在失效模式(FailureMode)

探求失效機理(FailureMechanism)

優(yōu)化研發(fā)設計，工藝流程(Optimizedesignandprocess)

監(jiān)控原材料，工藝流程的改變(Monitorrawmaterialandprocess)

可靠性測試可靠性測試類型高溫運行和貯存（IEC60068-2-2)高溫運行（研發(fā)）：Tmax–產(chǎn)品技術條件溫度上限高溫貯存（研發(fā)）：一般取Tmax+20℃低溫運行和貯存(IEC60068-2-1)低溫運行（研發(fā)）：Tmin–產(chǎn)品技術條件溫度下限低溫貯存（研發(fā)）：

一般為-40℃溫度沖擊(ThermalShockTest)

在-40℃下保持1h，在30秒內溫度切換到Tmax+20℃下保持1h，一般共做24個循環(huán)交變濕熱(IEC60068-2-30)

一般高溫（55℃）低濕（93%），低溫（25℃）高濕（98%）循環(huán)6次，每個循環(huán)24小時濕度控制在5%左右

可靠性測試可靠性測試鹽霧實驗濃度為5%的NaCl溶液，時間24小時交變鹽霧測試參考IEC60068-2-38,IEC60068-2-14,IEC60068-2-67,IEC60068-2-11,IEC60068-2-3,IEC60068-2-30淋雨實驗考查產(chǎn)品的密封性（流量：10L/min；距離：~0.5米；時間：5分鐘；10分鐘或明或20分鐘）耐化學品實驗耐醇性測試：無水酒精（>99.5%），棉簽，砝碼，搽拭循環(huán)耐KOH,H2S,SO2耐化妝品測試：凡士林護手霜耐手汗測試（氨水1.07%;氯化鈉0.48%;水98.45%）

可靠性測試可靠性測試冷啟動實驗產(chǎn)品在低溫下保持0.5~2小時，然后開機，產(chǎn)品應能正常工作以上過程重復3次以上開關電實驗在高溫，低溫和濕熱條件下各開關電3次以上，重復10次以上附著力實驗用刀片在測試樣本表面劃10*10個1mm*1mm小網(wǎng)格，用3M膠紙粘在測試小格上，并用橡皮擦用力擦拭膠帶，用手抓住膠帶一端在垂直方向（90°）迅速扯下膠帶，重復2次振動實驗工作狀態(tài)：IEC60068-2-6運輸狀態(tài)：IEC60068-2-64

可靠性測試可靠性測試跌落實驗(FreeFallTestandRandomFreeFallTest)六面八角十二棱測試條件按照美國軍標MIL-STD-810EMC（ElectricMagneticCapability）EMI–ElectricMagneticInterference電磁干擾

（GB9254）EMS–ElectricMagneticSusceptibility電磁敏感性

（GB/T17626）

其他實驗

......

可靠性測試

HALT&HASS&ORTHALT–HighlyAcceleratedLifeTest高加速壽命試驗

–（用在研發(fā)階段）HALT施加的應力以遞增的形式變化，激發(fā)產(chǎn)品設計中潛伏的各種缺陷，直到產(chǎn)品的破壞極限HALT試驗是在超出規(guī)范極限以外進行，具有很高的效率在HALT試驗中出現(xiàn)的潛在失效模式是在實際現(xiàn)場所出現(xiàn)的HALT的目的是查明和排除設計的薄弱環(huán)節(jié)，評估產(chǎn)品可靠性，不評估因制造引起的失效為HASS試驗的應力類型和應力量級選擇提供依據(jù)HALT試驗過程：試驗–修正–再試驗–修正–再試驗-...試驗：溫度應力-高速溫度傳導-隨機振動-溫度與振動合并應力（有時候會加入電壓循環(huán)應力）

可靠性測試

HALT&HASS&ORTHASS–HighlyAcceleratedStressScreen高加速應力篩選-（用在生產(chǎn)制造量產(chǎn)階段）目的是在極短的時間內發(fā)現(xiàn)量產(chǎn)成品是否有工藝品質上的不良存在將HALT合并應力中的高、低溫度的可操作界限縮小20%振動條件則以HALT破壞界限G值的50%為基準

ORT–OngoingReliabilityTest可靠性測試（用于大量生產(chǎn)制造階段）監(jiān)控生產(chǎn)制程和來料的質量穩(wěn)定性HALT和HASS需試驗設備：液氮快速制冷箱，氣動式三軸六自由度振動臺，多應力綜合試驗系統(tǒng)（可選）

可靠性增長

MTBF設計目標值為了使產(chǎn)品的MTBF達到一定的最基本的要求，在設計階段所定目標值最小是實現(xiàn)使用要求值的4倍（一般5~10倍）可靠性模型可靠性方框圖和可靠性數(shù)學模型產(chǎn)品典型可靠性模型有串聯(lián)和并聯(lián)模型可靠性分配等分配法（將MTBF均分到各個模塊）評分分配法（根據(jù)QFD來分配各部件MTBF）注：QFD–QualityFunctionalDeployment

（質量功能展開）

可靠性設計降額設計指構成電子設備的元器件使用中所承受的應力（電應力和溫度應力）低于元器件本身的額定值，以達到延緩其參數(shù)退化，增加工作壽命，提高可靠性。降額降得太多，選用元器件在性能就應該越好，成本也就越高，所以須綜合考慮另外有些元器件不可以降額使用尤其是低質量元件

*如聚苯乙烯電容器，降額太大易產(chǎn)生低電平失效*降額通用標準《元器件降額準則一覽表》

可靠性設計冗余設計冗余設計技術簡而言之就是用一臺（套）或多臺（套）相同單元（系統(tǒng)）構成并聯(lián)（可采用熱備冗余、溫備冗余、冷備冗余等方式），當其中的一套單元發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能正常工作的設計技術。冗余設計會增加系統(tǒng)的體積和成本只需要選取可靠性薄弱環(huán)節(jié)或對執(zhí)行任務及安全性影響至關重要的單元進行此類設計如果提高單元的元器件可靠性可以與進行冗余設計有相同可靠性水平，那就選用高可靠性元器件尤其對長期工作的通訊產(chǎn)品

可靠性設計熱設計目的：避免產(chǎn)品在過高溫度下工作，避免參數(shù)漂移，保持電氣性能穩(wěn)定，提升產(chǎn)品可靠性，延長使用壽命電子設備中熱設計必須滿足兩個條件；把系統(tǒng)和元器件的溫度限定在一定的范圍內；盡量使系統(tǒng)各點間的溫差最小熱設計包括散熱設計技術和致冷設計技術常用技術：傳導，自然對流，輻射，熱敏器件遠離熱源或屏蔽，增加表面黑度提高輻射換熱能力，導熱管，避免熱風回流（進氣口和排氣口有足夠距離），強迫通風和自然通風方向一致等

可靠性設計

EMC設計EMC–ElectricMagneticCompatibilityEMI–ElectricMagneticInterferenceEMS–ElectricMagneticSusceptivity

EMC三要素干擾源敏感設備傳播途徑設計方法靜電放電防護（屏蔽結構，單點接地等）屏蔽接地濾波內部設計（PCB板）

可靠性設計田口設計（三次設計）田口設計三階段系統(tǒng)設計（提出初始設計方案）TRIZ(TheoryofInventiveProblemSolving)發(fā)明問題的解決理論DFMEA(DesignFailureModeandEffectAnalysis)參數(shù)設計（尋求參數(shù)的最佳搭配，提高可靠性）靜態(tài)參數(shù)設計（DOE–DesignofExperiment）能滿足使用環(huán)境條件的最低質量等級的元件和性價比高的加工精度來進行設計容差設計（對關鍵器件以合適的公差范圍）望目質量損失函數(shù)望小質量損失函數(shù)望大質量損失函數(shù)貢獻率法（單因素和多因素）

可靠性常見分布指數(shù)分布（正向傾斜分布）產(chǎn)品首次發(fā)生故障的時間或發(fā)生故障后需維修時間服從方程500400300200100020100指數(shù)FrequencyR=e-t

可靠性常見分布

Weibull

分布（威布爾分布）威布爾分布是根據(jù)最弱環(huán)節(jié)模型或串聯(lián)模型得到的，能充分反映材料缺陷和應力集中源對材料疲勞壽命的影響，而且具有遞增的失效率，所以，將它作為材料或零件的壽命分布模型或給定壽命下的疲勞強度模型是合適的。方程：

可靠性常見分布對數(shù)正態(tài)分布(LognormalDistribution)對數(shù)正態(tài)分布主要要用來描述圓柱螺旋彈簧、軸向受載螺栓、齒輪的接觸疲勞及彎曲疲勞、軸以及鋼、鋁合金等的疲勞壽命分布

方程：

010020030001020FrequencyLog正態(tài)

MTBF計算及評估基于MTBF的測試（例子）要求在90%CI下MTBF為20000小時如何判定可靠性是否達到規(guī)定要求？測試時間T=A*MTBF=20000A;A=0.5*CHIINV(Excel);CHIINV=X2(1-a,2(r+1));a=90%;r=1(失效數(shù));A=3.89;T=20000*3.89=77800h樣品定為10