Bellcore可靠性預(yù)計法

1、 Bellcore可靠性預(yù)計法 XXXX市XXXXXXX有限公司1、 適用范圍 這一方法得到的器件和單元的故障率預(yù)計值適用于商用電子產(chǎn)品，其設(shè)計、生產(chǎn)、安裝和可靠性保障體制滿足相應(yīng)的貝爾（或等同的）術(shù)語規(guī)范和產(chǎn)品特殊要求。 這一方法無法直接用于預(yù)計一個非串聯(lián)系統(tǒng)。然而，使用此方法得到的單元可靠性預(yù)計結(jié)果可以輸入到系統(tǒng)可靠性模型中，以預(yù)計系統(tǒng)級的硬件可靠性指標。2、 方法簡介 Bellcore預(yù)計法包括三種常用的預(yù)計產(chǎn)品可靠性的方法，分別稱為方法 I、II、III。方法I：基于計數(shù)法的可靠性預(yù)計。這一方法可以用于獨立器件或單元。方法II：綜合了方法I和從實驗室得到的數(shù)據(jù)進行單元或器件級的可靠性預(yù)

2、計。方法III：在進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，進行在線服務(wù)的可靠性統(tǒng)計預(yù)計。3 、 方法I：元器件計數(shù)法（1）方法I 的三種情況 方法I 包括三種情況的溫度和電應(yīng)力情況： 情況1：單元/系統(tǒng)老化時間<=1小時，且無器件級老化的黑盒預(yù)計。器件假設(shè)工作在40的溫度和50%的電應(yīng)力下。 情況2：單元/系統(tǒng)老化時間>1小時，但沒有器件級的老化的黑盒預(yù)計。器件假設(shè)工作在40 的溫度和50%的電應(yīng)力下。 情況3：一般情況所有其它的環(huán)境條件。這種情況用于供應(yīng)商想要采用器件級老化的情況。這種情況也可用于當供應(yīng)商或用戶希望得到在除40 和50%的電應(yīng)力條件以外的情況下的可靠性預(yù)計結(jié)果時。以下稱這些預(yù)計

3、為“有限應(yīng)力”預(yù)計。（2）情況選擇 這種方法用于第一年累積值和穩(wěn)態(tài)可靠性預(yù)計計算中最簡單的情況，即無老化、溫度和電應(yīng)力水平假設(shè)為40 和50%。這樣，上面所列的各種情況中情況1最簡單。供應(yīng)商之所以選擇情況2的原因是情況2允許系統(tǒng)或單元通過老化減少早期階段的故障率。情況3（一般情況）允許使用各種型式的老化來減少早期階段的故障率。有限應(yīng)力的情況，只能在情況3下處理，可以生成工作溫度和電應(yīng)力不等于40度和50%情況下更準確的預(yù)計結(jié)果。 一些供應(yīng)商對成熟產(chǎn)品設(shè)計中的老化結(jié)果提出疑意，貝爾實驗室通過一項研究，調(diào)研了成熟產(chǎn)品設(shè)計中相關(guān)的老化情況，其中包括三種類型的老化和無老化的情況。這一研究對生產(chǎn)周期的加

4、快和如果消除老化，其它故障所帶來的維護費用之間的權(quán)衡提供了參考。這一研究得出如下結(jié)論：對于一個成熟產(chǎn)品的設(shè)計，無需進行老化，而不進行老化在時間和材料上的節(jié)省將減少成熟產(chǎn)品的費用。 由于普遍認為進行有限應(yīng)力預(yù)計和驗證它的結(jié)果要花費更多的時間，所以當一個產(chǎn)品中只包含10個或更少的單元時，或當對可靠性預(yù)計的結(jié)果的準確度要求非常高時，更傾向于認為情況3是唯一的預(yù)計方法。（3）方法I 的預(yù)計表格（見附表）4、 方法II（1）一般要求 供應(yīng)商必須提供所有的支持信息和元件計數(shù)法預(yù)計結(jié)果（見方法I） 除非表111中沒有給出器件的一般故障率，方法II 只能用于質(zhì)量等級為II和III的器件。對于表111中沒有列出

5、的質(zhì)量等級為I 的器件，用戶可以選擇使用其它來源的故障率數(shù)據(jù)。 進行實驗室試驗的器件的質(zhì)量等級必須是要進行預(yù)計的器件的典型的質(zhì)量等級。 本章給出了確定需要多少器件和單元進行試驗，器件和單元的試驗時間，如何對器件進行試驗等方法。在下面的原則中，實際時間是耗費的時鐘時間，有效時間是實際時間乘以一個加速因子。其原則如下： 器件或單元的實際試驗時間至少為500小時，這樣可以確保在一個合理的時間周期內(nèi)觀測到每一個項目甚至對于高加速試驗 器件或單元有效試驗時間至少為3000小時。 選取合適的器件或單元數(shù)量，以便至少可以產(chǎn)生兩個故障。另外，至少需要500個器件或50個單元。 器件試驗時需模擬實際現(xiàn)場工作環(huán)境

6、，如濕度和壓力等。 應(yīng)從大量產(chǎn)品中選取有代表性的樣本進行試驗，以確保試驗結(jié)果的典型性。 用方法II 進行的器件統(tǒng)計預(yù)計法可以推廣到以下的其它器件：相同的類型/技術(shù)相同的封裝（如密封的）同等的或更低的復(fù)雜度在結(jié)構(gòu)和設(shè)計上具有材料和技術(shù)的相似（2）方法II預(yù)計法的幾種情況 當采用方法II ，用試驗室數(shù)據(jù)進行可靠性預(yù)計時，通常有四種情況： 情況L1器件進行試驗室試驗（器件未進行前期的老化）表格9 情況L2單元經(jīng)過試驗室試驗（單元/器件未進行前期的老化）表10 情況L3器件試驗室試驗（器件進行了前期的老化）表11 情況L4單元試驗室試驗（單元/器件進行過前期的老化），表12（3）方法II 的表格（見附

7、表）5 、 方法III（1）方法III簡介 Bellcore預(yù)計方法III主要是根據(jù)現(xiàn)場收集的可靠性數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的故障率進行預(yù)計。根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)類型的不同，它又包括三種不同的方法：方法IIIa、方法IIIb和方法IIIc。方法IIIa：通過收集所要預(yù)計的產(chǎn)品（稱為目標產(chǎn)品）的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，直接對其故障率進行預(yù)計。方法IIIb：通過收集相似產(chǎn)品（稱為跟蹤產(chǎn)品）的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對目標產(chǎn)品的器件、單元和子系統(tǒng)進行預(yù)計。方法IIIc：通過收集跟蹤目標產(chǎn)品的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品的單元和子系統(tǒng)進行預(yù)計（不包含器件） 跟蹤產(chǎn)品與目標產(chǎn)品在設(shè)計、結(jié)構(gòu)上應(yīng)該是相似的，不同之處在于運行環(huán)境和條件不同。（2）方法III 的步驟

8、步驟1、確定跟蹤系統(tǒng)中的單元和器件的現(xiàn)場故障數(shù)(f)和全部工作時間(t)步驟2、如果采用方法IIIb或IIIc，則要確定工作溫度因子和步驟3、如果表111給出了利用方法I 預(yù)計單元可靠性所需的一般故障率數(shù)據(jù)，則按以下步驟計算 （1）對于方法IIIa和IIIb：可以采用方法I中的情況1或情況3來計算，除非用戶有特殊要求。 （2）對于方法IIIc：采用方法I中的情況3來計算。步驟4、當跟蹤單元同目標單元不同時，并且表111給出了方法I 所需的一般故障率數(shù)據(jù)，則計算步驟5、計算修正值V： 1.0 方法IIIa V= 方法IIIb 方法IIIc步驟6、計算方法III 的故障率 如果無法獲得，方法III

9、a和方法IIIb的故障率預(yù)計值可以按下式計算： 其中主要參數(shù)的含義和算法：對于一個主單元，是指方法I 的穩(wěn)態(tài)故障率預(yù)計值。對于一個主器件，是指方法I 的穩(wěn)態(tài)故障率預(yù)計值乘以環(huán)境因子。對于主系統(tǒng)： 對于一個主單元 對于一個主器件對于一個被跟蹤單元（當其與主單元不同時），是指采用方法I ，情況3預(yù)計的穩(wěn)態(tài)故障率： 其中是采用方法I，情況3預(yù)計的被跟蹤單元的穩(wěn)態(tài)故障率。采用方法III 得到的第i個器件的故障率預(yù)計值采用方法III得到的單元故障率預(yù)計值采用方法III得到的單元或器件級故障率預(yù)計值。表117中的溫度系數(shù)。對于器件，采用表111中的溫度應(yīng)力曲線；對于單元，采用溫度應(yīng)力曲線7。（可差表獲得）

10、U觀測到f個故障的情況下，置信度在95以上的泊松分布變量。（可查表獲得）（注：以下表格下面的序號中，前面的序號為在本文中的編號，后面的序號是對應(yīng)原文的編號。）器件可靠性預(yù)計表情況1或2-黑盒預(yù)計(50%應(yīng)力,溫度為40,無器件老化試驗) 日期第 頁共 頁單元生產(chǎn)廠家器件類型*器件編號電路符號數(shù)量(Nj)故障*率()質(zhì)量因子()整個器件的故障率() (f)合計總和=* 相似器件有著相同的故障率，基礎(chǔ)器件數(shù)和質(zhì)量因子可以綜合并加入到一行中。器件描述應(yīng)充分，以證實故障率的分配的正確性。* 故障率來自于表111。如果器件預(yù)計采用了方法II，就可以替代表9（）中的故障率。1表1 方法I 器件可靠性預(yù)計，

11、情況1或2（表2）單元可靠性預(yù)計表情況1黑盒預(yù)計（50%應(yīng)力，溫度為40，單元/系統(tǒng)的老化時間<1小時，無器件級老化）日期第 頁共頁產(chǎn)品Rev生產(chǎn)廠家單元名稱單元數(shù)量維修級別穩(wěn)態(tài)故障率(見表2)(FITs)如單元采用方法II(見表10)第一年累積值工廠級維修現(xiàn)場級維修其它44444444444444444444表2 方法I單元可靠性預(yù)計,情況1(表3)單元可靠性預(yù)計表情況2-黑盒預(yù)計(50%應(yīng)力，溫度為40，無器件級老化，單元/系統(tǒng)級老化時間>1h)日期第 頁共 頁產(chǎn)品Rev生產(chǎn)廠家單元名稱單元數(shù)量維修級別 工廠級維修 現(xiàn)場級維修 其它單元老化 溫度 加速因子 時間 系統(tǒng)老化 溫度

12、 加速因子 時間 有效的老化時間 第一年累積值（表119） （表2） 當單元采用方法II時，由表12 注釋表3 方法I 單元可靠性預(yù)計，情況2（表4）器件可靠性預(yù)計表（一般情況3包括有限應(yīng)力）日期第 頁共 頁單元生產(chǎn)廠家器件類型器件數(shù)量電路符號數(shù)量 (a)通用故障率 (b)質(zhì)量因子 (c)應(yīng)力因子 (d)溫度因子 (e)器件數(shù)量×器件故障率(f)=(a)×(b)×(c)×(d)×(e)(f)器件老化 溫度 加速因子 (g) 時間 (h)單元老化 溫度 加速因子 (i) 時間 (j)系統(tǒng)老化 溫度 加速因子 (k) 時間 (m)早期壽命溫度因子

13、(n)(o)=1000/(d)×(e)(o)(p)=(g)×(h)(i)×(j)(k)×(m)(p)有效老化時間:(p)/(d)×(n)(q)(1) 當(q)(o) (r)=1(r)(2)當(q)(o)-8760 查表11-9中的(q)值(s)(r)=(s)/(d)×(e)(r)(3)否則，查表119中的(p)值(t)(r)=(t)-1/(d)×(e)+1(r)(u)=(r)×(f)(u)故障率由表119得到。當采用方法II時，采用表11的(p)表4 方法I 器件可靠性預(yù)計一般情況單元可靠性預(yù)計表（一般情況包括有限

14、應(yīng)力）日期第 頁共 頁產(chǎn)品Rev生產(chǎn)廠家單元名稱單元數(shù)量維修級別工廠級維修現(xiàn)場級維修其它由表5：(u)之和(u)由表5：(f)之和(f)環(huán)境因子第一年累積值=(u)/(f)如果單元采用了方法II，由表12得：注釋表5 方法I 單元可靠性預(yù)計，一般情況（表6）器件可靠性預(yù)計實驗室數(shù)據(jù)表情況L-1 器件實驗室試驗(無前期老化)日期第 頁共 頁單元生產(chǎn)廠家器件類型器件編號電路符號試驗時間 (a)實驗室試驗 溫度 加速因子 (b)有效試驗時間(c)(a)×(b) (c)試驗的器件樣本數(shù) (d)出現(xiàn)的故障數(shù) n(e)故障率 (f)質(zhì)量因子 (g) (1)(c)10,000 (h)= (2)(c

15、)>10,000 (h)=(h)(i)基本故障率(j)=2+(e)/(i) (j)備注表6 方法II 器件可靠性預(yù)計,情況L-1(表9)單元可靠性預(yù)計實驗室數(shù)據(jù)表情況L2 單元實驗室試驗，無前期單元/器件老化日期第 頁共 頁單元生產(chǎn)廠家器件類型器件編號維修級別 工廠級維修 現(xiàn)場級維修 其它試驗時間 (a)實驗室試驗 溫度 加速因子 (b)工作 溫度 加速因子 (c)有效試驗時間(e)(a)×(b) (e)出現(xiàn)的故障數(shù) n(f)穩(wěn)態(tài)故障率 (g)環(huán)境因子 (h)故障率(i)=(g)/(h)(c) (i)單元試驗樣本數(shù) (j) (1)(e)<10,000 (2)(e)>

16、10,000 (k)(m)基本故障率(p)=2+(f)/(m) (n)方法II的穩(wěn)態(tài)故障率(p)=(h)×(n)×(c) (p)備注表7 方法II單元可靠性預(yù)計,情況L-2(表10)器件可靠性預(yù)計實驗室數(shù)據(jù)表情況L-3 器件實驗室試驗(器件已經(jīng)過老化)日期第 頁共 頁單元生產(chǎn)廠家器件名稱器件編號電路符號故障率 (a)質(zhì)量因子 (b)器件老化 溫度 加速因子 (c) 時間 (d)有效老化時間 (c)×(d) (e)實驗室試驗 溫度 加速因子 (f) 試驗時間(g)工作 溫度 加速因子(g)器件的試驗樣本數(shù) (h)出現(xiàn)的故障數(shù) n(i)有效試驗時間(j)(f)

17、5;(g) (j)(k)=(e)+(j)(k)重量因子 W (1)(k)10,000 (2)(k)>10,000且 (3)(e)>10,000 (m)=(j)/4(m)(n)方法II的穩(wěn)態(tài)故障率(p)=2+(i)/(n) (p)備注表8 方法II器件可靠性預(yù)計,情況L-3(表11)單元可靠性預(yù)計實驗室數(shù)據(jù)表情況L-4 器件實驗室試驗(器件已經(jīng)過老化)日期第 頁共 頁單元生產(chǎn)廠家器件名稱器件編號維修級別: 工廠級維修 現(xiàn)場級維修 其它單元老化 溫度 加速因子 時間 器件老化 有效老化時間(a)=+ (a)實驗室試驗 溫度 加速因子 (b) 試驗時間 (c)有效試驗時間(d)=(b)&

18、#215;(c) (d)出現(xiàn)的故障數(shù) n(e)穩(wěn)態(tài)故障率 (f)溫度因子 (g)環(huán)境因子 (h)故障率 (i)=(f)/(g)×(h) (i)單元試驗的樣本數(shù) (j) 輸入(k)(i)=(a)+(d)(l) (1)(i)<10,000 (2)(i)>10,000且 (3)(a)>10,000 (m)=(d)/4(m)(n)=2/(i)+(j)×(k)×(m)(n)基本故障率(p)=2+(e)/(a) (o)方法II 的穩(wěn)態(tài)故障率(q)=(h)×(p)×(g) (p)備注表9 方法II器件可靠性預(yù)計,情況L-4(表12)BELL

19、CORE預(yù)計法附表表111 器件故障率（1/16）微處理器的等級和相應(yīng)復(fù)雜度微處理器內(nèi)部總線位寬復(fù)雜度A級（4004）4-Bit2,300晶體管數(shù)B級（8085）C級（8086）29,000晶體管數(shù)D級（8088）16-Bit29,000晶體管數(shù)1級（80186）2級（80286）16-Bit134,000晶體管數(shù)3級（80386）32-Bit275,000晶體管數(shù)4級（80486）32-Bit晶體管數(shù)5級（Pentium）32-Bit晶體管數(shù)6級7級表11-1 器件故障率(2/16)器件類型雙極型NMOSCMOS故障率 溫度應(yīng)力 (表11-7)故障率 溫度應(yīng)力 (表11-7)故障率 溫度應(yīng)力

20、 (表11-7)數(shù)字集成電路 規(guī)模 標稱值1-20門 1521-50 4051-100 80101-500 400501-1000 8001001-2000 16002001-3000 25003001-5000 40005001-7500 65007501-10000 900010001-15000 300015001-20000 800020001-30000 500030001-50000 4000021 622 623 629 633 639 642 647 652 656 6 61 6 65 670 677 627 829 830 839 845 852 858 865 8 73 8

21、79 886 893 8100 8110 815 815 815 817 818 819 820 821 8 22 823 824 825 826 827 8微處理器 規(guī)模 標稱值1-20門 1521-50 4051-100 80101-500 400501-1000 8001001-2000 16002001-3000 25003001-5000 40005001-7500 65007501-10000 900010001-15000 1300015001-20000 1800020001-30000 2500030001-50000 4000010 611 611 6 14 616 619

22、 621 624 626 628 631 633 636 640 631 833 835 850 860 875 886 8100 8117 8130 8147 8164 8183 8213 815 815 815 817 818 819 820 821 822 823 824 825 826 827 81. 表11-1中所有的集成電路的故障率是在質(zhì)量等級為II 級下的值,為區(qū)分密封和非密封兩種情況,應(yīng)采用不同的質(zhì)量因子(見表11-4). 表11-1中給出的基本故障率適用于傳統(tǒng)(過孔)和表面貼技術(shù)(見6.6章)2. 故障率單位為小時.3. 門數(shù)為器件電路圖中的邏輯門數(shù)4. 微處理器包括與其相關(guān)

23、的外圍電路表11-1 器件故障率(3/16) 器件類型 故障率(表11-7) 模擬集成電路 規(guī)模 標稱值 1-32 晶體管 20晶體管33-90 7091-170 150171-260 200261-360 300361-470 450471-590 550591-720 700721-860 80019 933 946 952 962 974 981 990 995 9混合微電路見表11-21. 表11-1中的故障率都是在質(zhì)量等級II級(見11-4)下的值. 表11-1中給出的基本故障率適用于傳統(tǒng)的(過孔)和表面貼工藝(見6.6章)2. 故障率單位為小時.表11-1 器件故障率(4/16)器

24、件類型雙極型NMOSCMOS故障率 溫度應(yīng)力 (表11-7)故障率 溫度應(yīng)力 (表11-7)故障率 溫度應(yīng)力 (表11-7)RAM規(guī)模 標稱值1-320比特 256比特321-576 512577-1120 1K1121-2240 2K2241-5000 4K5001-11000 8K11001-17000 16K17001-38000 32K38001-74000 64K74001-150,000 128K150,001-300,000 256K300,001-600,000 512K600,001-1,200,000 1024K1,200,001-2,400,000 2048K2,400,001-4,800,000 4096K靜態(tài)19 722 727 734 743 655 671 692 6119 6155 6201 6 261 6 339 6441 6573 6靜態(tài)15 917 920 924 9 30 937 945 957 971 8 88 8110 8138 8172 8215 8268 8靜態(tài)13 915 917 920 924 929 935 942 950 961 873 8 88 8106 8128 8155 8規(guī)模 標稱值1-320比特 256比特321-576 512577-1120 1K112