電子設(shè)備可靠性試驗(yàn)

1、電子設(shè)備可靠性試驗(yàn)西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院王瑞琪02091367電子設(shè)備可靠性試驗(yàn)摘要可靠性試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)的一種手段。試驗(yàn)結(jié)果為故障分析、研究采取的糾正措施、判斷產(chǎn)品是否達(dá)到指標(biāo)要求提供依據(jù)。根據(jù)可靠性統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)所采用的方法和目的，可靠性統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)可以分為可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)和可靠性測(cè)定試驗(yàn)?？煽啃詼y(cè)定試驗(yàn)是為測(cè)定可靠性特性或其量值而做的試驗(yàn)，通常用來(lái)提供可靠性數(shù)據(jù)?？煽啃则?yàn)證試驗(yàn)是用來(lái)驗(yàn)證設(shè)備的可靠性特征值是否符合其規(guī)定的可靠性要求的試驗(yàn)，一般將可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)統(tǒng)稱為可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。為了評(píng)價(jià)分析電子產(chǎn)品可靠性而進(jìn)行的試驗(yàn)稱為可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康耐ǔＳ腥缦聨追矫妫?. 在

2、研制階段用以暴露試制產(chǎn)品各方面的缺陷，評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性達(dá)到預(yù)定指標(biāo)的情況； 2. 生產(chǎn)階段為監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程提供信息； 3. 對(duì)定型產(chǎn)品進(jìn)行可靠性鑒定或驗(yàn)收； 4. 暴露和分析產(chǎn)品在不同環(huán)境和應(yīng)力條件下的失效規(guī)律及有關(guān)的失效模式和失效機(jī)理； 5. 為改進(jìn)產(chǎn)品可靠性，制定和改進(jìn)可靠性試驗(yàn)方案，為用戶選用產(chǎn)品提供依據(jù)。關(guān)鍵詞： 可靠性、 試驗(yàn)、 設(shè)備、 故障、reliability engineering問(wèn)題重述一、電子設(shè)備可靠性1.可靠性的基本概念隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)品也提出了更高的要求。由于設(shè)備技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)要求等方面的提高，可靠性問(wèn)題愈顯突出。如果沒(méi)有可靠性保證，高性能指標(biāo)是沒(méi)有任何意

3、義的， 現(xiàn)代用戶買產(chǎn)品就是買可靠性， 對(duì)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)， 可靠性就是信譽(yù)， 就是市場(chǎng)，就是經(jīng)濟(jì)效益。從整機(jī)來(lái)講， 可靠性貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理中。從部件、 元器件的角度來(lái)講，電子元器件的可靠性水平?jīng)Q定了整機(jī)的可靠性程度。可靠性屬于質(zhì)量的范疇，是產(chǎn)品質(zhì)量的時(shí)間函數(shù)。從基本概念上講，可靠性指標(biāo)與質(zhì)量的性能指標(biāo)所強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容是不同的，可靠性的基本概念與時(shí)間有關(guān)（如表1所示），這些基本概念的具體化，就是產(chǎn)品故障或壽命特征的數(shù)學(xué)模型化。只有通過(guò)可靠性試驗(yàn)才能確定產(chǎn)品故障或壽命特征符合哪一種數(shù)學(xué)分布，才可以決定產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，進(jìn)而推算產(chǎn)品的可靠程度。在可靠性工程中， 最常見(jiàn)的壽命分布函數(shù)有指數(shù)分布、 威布爾

4、分布、 對(duì)數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布。2.電子設(shè)備產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)大量統(tǒng)計(jì)資料證明：電子設(shè)備產(chǎn)品的失效分布一般服從指數(shù)分布。從電子設(shè)備產(chǎn)品及許多電子元器件的失效機(jī)理來(lái)看， 隨著時(shí)間的足夠長(zhǎng)， 失效率趨近于一個(gè)穩(wěn)定值，其基本特征可以用指數(shù)函數(shù)的曲線相比擬，即服從指數(shù)分布，因此電子設(shè)備產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)有：可靠度R(t): R(t)=e- (1)累積失效概率F(t): F(t)=I-R(t)=1-e- 失效密度函數(shù)f(t): f(t)=F(t)=e- 由上可看出在指數(shù)分布時(shí)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)表示式比較簡(jiǎn)單，并且失效率是一個(gè)常數(shù)。在進(jìn)行電子設(shè)備產(chǎn)品可靠性分析時(shí)，只要得到的數(shù)值，其它指標(biāo)就可以直接算出來(lái)。二、電

5、子設(shè)備產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)可靠性試驗(yàn)的特點(diǎn)和分類電子設(shè)備產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)是一些綜合性、 統(tǒng)計(jì)性的指標(biāo)， 與質(zhì)量性能指標(biāo)完全不同， 不可能用儀表、 儀器或其它手段得到結(jié)果，而是要通過(guò)試驗(yàn)，從試驗(yàn)的過(guò)程中取得必要的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)分析，處理才能得到可靠性指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)量?？煽啃灾笜?biāo)的實(shí)現(xiàn)主要依靠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或模擬現(xiàn)場(chǎng)條件試驗(yàn)，所以可靠性試驗(yàn)不同于一般設(shè)備的性能試驗(yàn)。從廣義上講，為了了解、評(píng)價(jià)、分析和提高電子設(shè)備產(chǎn)品的可靠性水平而進(jìn)行的試驗(yàn)，可以用來(lái)確定電子設(shè)備產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下工作或貯存的可靠性的特征量。一般說(shuō)電子設(shè)備產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)可以分為研制階段的試驗(yàn)， 可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)， 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)， 元器件老煉

6、試驗(yàn)， 極限試驗(yàn)， 負(fù)荷及過(guò)負(fù)荷試驗(yàn)， 過(guò)載能力試驗(yàn)等，這類試驗(yàn)的目的是了解設(shè)計(jì)是否滿足了可靠性指標(biāo)的要求，找出或排除設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的缺限和不足，證明設(shè)計(jì)可靠性能否實(shí)現(xiàn)，因而可靠性試驗(yàn)可以根據(jù)設(shè)備研制過(guò)程中的不同階段，不同要求進(jìn)行各種不同的試驗(yàn)。 對(duì)于不同的電子設(shè)備產(chǎn)品， 所要達(dá)到的目的不同，可以進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)形式也就各異，因此可靠性試驗(yàn)對(duì)于電子設(shè)備產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是一個(gè)系統(tǒng)工程，電子設(shè)備產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)可以歸納為以下幾大類型（如圖1所示）。另外，溫度、振動(dòng)、沖擊及高溫壽命、 加速壽命等試驗(yàn)在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛。可靠性試驗(yàn)具體內(nèi)容評(píng)價(jià)和分析產(chǎn)品壽命特征的試驗(yàn)稱為壽命試驗(yàn)。對(duì)于大部分電子產(chǎn)品，壽命是

7、最主要的一個(gè)可靠性特征量。因此，可靠性試驗(yàn)往往指的就是壽命試驗(yàn)。壽命試驗(yàn)可分為非工作狀態(tài)的存儲(chǔ)壽命試驗(yàn)和工作狀態(tài)的工作壽命試驗(yàn)兩類。為了縮短試驗(yàn)周期、減少樣品數(shù)量和試驗(yàn)費(fèi)用，常常采用加速壽命試驗(yàn)。在不改變產(chǎn)品的失效機(jī)理和增添新的失效因子的前提下，提高試驗(yàn)應(yīng)力（相對(duì)于工作狀態(tài)的實(shí)際應(yīng)力或產(chǎn)品的額定承受應(yīng)力），以加速產(chǎn)品的失效過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)中應(yīng)力施加方式的不同，又可分為：在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力保持不變的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)；試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力逐級(jí)步進(jìn)式增加的步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)；試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力連續(xù)增加的序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。由于壽命試驗(yàn)費(fèi)時(shí)較多，通常不待受試樣品全部失效就要結(jié)束，即大部分壽命試驗(yàn)都是截尾試驗(yàn)

8、。根據(jù)試驗(yàn)截尾方式(固定試驗(yàn)時(shí)間或固定試驗(yàn)中失效樣品數(shù))和受試樣品失效后有無(wú)替換，壽命試驗(yàn)可分為四種：無(wú)替換定時(shí)截尾試驗(yàn)；有替換定時(shí)截尾試驗(yàn)；無(wú)替換定數(shù)截尾試驗(yàn)；有替換定數(shù)截尾試驗(yàn)。在電子產(chǎn)品壽命試驗(yàn)中，最常用的壽命分布為指數(shù)分布、威布爾分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布。最常用的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法有概率紙圖解法、最大似然估計(jì)法、最佳線性無(wú)偏估計(jì)法、最佳線性不變估計(jì)法等。所謂篩選，就是設(shè)法除去在材料、元件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)等方面潛在的不良因素和缺陷，而把優(yōu)良的產(chǎn)品挑選出來(lái)。采用外加應(yīng)力或其他手段將成品中潛在的早期失效產(chǎn)品剔除的試驗(yàn)稱為可靠性篩選。外加應(yīng)力可以是熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力或者幾種應(yīng)力的組合，

9、篩選應(yīng)力大小和作用時(shí)間的選取原則是：針對(duì)產(chǎn)品的主要失效機(jī)理；所用的應(yīng)力對(duì)于良好的產(chǎn)品應(yīng)無(wú)破壞作用，而對(duì)于有缺陷的產(chǎn)品應(yīng)能使缺陷很快暴露；根據(jù)用途、成本、產(chǎn)品批量大小和試驗(yàn)設(shè)備等條件統(tǒng)一考慮，力求最佳的經(jīng)濟(jì)效果；充分調(diào)查，收集數(shù)據(jù)，掌握產(chǎn)品的失效分布和失效機(jī)理，才能確定合理的篩選項(xiàng)目。最常見(jiàn)的篩選方法有:目檢（顯微鏡鏡檢、X射線照相、紅外掃描等）；電性能測(cè)試；密封檢漏；環(huán)境應(yīng)力篩選（恒定加速、機(jī)械振動(dòng)、沖擊、溫度循環(huán)、熱沖擊等）；壽命篩選（高溫儲(chǔ)存、功率老化、高溫反偏等）。問(wèn)題分析電子設(shè)備可靠性試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)電子設(shè)備可靠性試驗(yàn)計(jì)劃的基本內(nèi)容應(yīng)含有： （1）試驗(yàn)的目的和要求；（2）試驗(yàn)樣機(jī)數(shù)量；（

10、3）試驗(yàn)條件（環(huán)境、維修等）；（4）試驗(yàn)類型的確定和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案的選擇；（5）判斷方法、失效判據(jù)，故障判據(jù)等等。這里需要指出的是樣機(jī)數(shù)量，對(duì)于可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)樣機(jī)多一些是必要的，對(duì)鑒定和接收試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，樣機(jī)多一些可以提高試驗(yàn)結(jié)果的置信度。一般鑒定試驗(yàn)不足三臺(tái)則全數(shù)試驗(yàn)；接收試驗(yàn)不得少于3臺(tái)，推薦樣機(jī)數(shù)量為每批設(shè)備的10%（見(jiàn)表2）?？傊煽啃栽囼?yàn)方案要根據(jù)電子設(shè)備的實(shí)際使用條件和故障特征選擇合適的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)類型的選擇： （1）老產(chǎn)品已生產(chǎn)多年，未進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，現(xiàn)產(chǎn)品的生命力較強(qiáng)，需要繼續(xù)生產(chǎn)，可選擇可靠性測(cè)定試驗(yàn)，測(cè)出設(shè)備的MTBF驗(yàn)證值，同時(shí)根據(jù)暴露的問(wèn)題采取措施，提高產(chǎn)品的可靠性。

11、（2）新產(chǎn)品處于設(shè)計(jì)試制階段，可通過(guò)可靠性試驗(yàn)暴露產(chǎn)品中的薄弱環(huán)節(jié)，以便采取改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品的固有可靠性，可選擇可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。（3）新產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型、生產(chǎn)定型和產(chǎn)品創(chuàng)優(yōu)，可選擇可靠性鑒定試驗(yàn)，一般情況下選用定時(shí)截尾或定數(shù)截尾試驗(yàn)方案，以對(duì)產(chǎn)品的MTBF真值作出估計(jì)。（4）根據(jù)供需雙方鑒定的合同規(guī)定，需要對(duì)產(chǎn)品的MTBF真值作驗(yàn)證的，可選擇可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)，采用定時(shí)截尾或定數(shù)截尾試驗(yàn)方案。若供需雙方鑒定的合同規(guī)定，只要通過(guò)了系統(tǒng)試驗(yàn)方案就可交貨，不需對(duì)產(chǎn)品的MTBF真值作出估計(jì)，可選用概率比序試驗(yàn)方案，這種情況特別適用單臺(tái)大型電子設(shè)備。環(huán)境條件及應(yīng)力的確定根據(jù)使用方向生產(chǎn)方提供的電子設(shè)備任務(wù)書(shū)或

12、供需雙方簽訂的合同，搞清電子設(shè)備在工作時(shí)所處的環(huán)境條件及給予它的應(yīng)力。如果無(wú)特殊要求，應(yīng)按電子設(shè)備總技術(shù)條件要求，在實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行，一般情況下可采用圖2所加的應(yīng)力及循環(huán)方式。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案的參數(shù)確定（1）0(可接收的MTBF值)的確定。0應(yīng)小于等于（是按照電子設(shè)備所處的環(huán)境條件和應(yīng)力，用可靠性預(yù)計(jì)方法確定的MTBF值）。0確定之后，根據(jù)選擇的鑒別比Dm（Dm=0/1），就可以計(jì)算出1（1指最低可接受的MTBF值）。（2）生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)率、使用方風(fēng)險(xiǎn)率的選擇。一般情況下，供需雙方簽訂的合同（包括協(xié)議書(shū)）已定的可按合同執(zhí)行。如果合同無(wú)規(guī)定，或是生產(chǎn)廠家自行驗(yàn)證，一般情況下可選擇0.20.3，高風(fēng)險(xiǎn)可選擇

13、0.30.4。（3）試驗(yàn)時(shí)間t的選擇。除與、有關(guān)外，主要取決于電子設(shè)備屬于何種類型，該設(shè)備能否長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)費(fèi)用的大小，可在表2中最佳樣機(jī)數(shù)與最大樣機(jī)數(shù)之間進(jìn)行選擇（t=T/n，T為截尾時(shí)間）。測(cè)試周期的確定測(cè)試周期必須合理選擇，周期太密，會(huì)增加工作量，周期太疏又會(huì)失掉有用的信息?？砂聪铝泄接?jì)算，然后確定：其中： t規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間； r相關(guān)失效數(shù)；n抽樣數(shù)； MTBF。測(cè)試時(shí)間太長(zhǎng)，可確定1天測(cè)1次，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效并做好記錄。失效判據(jù)（失效標(biāo)準(zhǔn)）的制定所謂失效，即產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。因此，凡是在試驗(yàn)過(guò)程中不滿足電子設(shè)備技術(shù)性能的任一項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)作為失效判據(jù)，此判據(jù)必須由可靠性工程

14、師負(fù)責(zé)，召集設(shè)計(jì)、工藝、檢驗(yàn)等方面技術(shù)人員討論，統(tǒng)一思想，最后制定。結(jié)果分析可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析方法可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)就是產(chǎn)品壽命分布函數(shù)及參量之間的關(guān)系。例如故障與應(yīng)力（電、熱、振動(dòng)、溫度等）的對(duì)應(yīng)關(guān)系；故障與產(chǎn)品早期性能變化的規(guī)律等，這些包含有兩個(gè)變量的數(shù)據(jù)，在分析時(shí)就可用相關(guān)及回歸分析方法，或用最小二乘法，從試驗(yàn)中取得的數(shù)據(jù)，可以制成各種圖，如直方圖，拆線圖等，擬合成直線、曲線用以確定產(chǎn)品故障（壽命）的數(shù)學(xué)模型，由模型就可寫(xiě)出其可靠性指標(biāo)，最后推算出該產(chǎn)品的可靠性參數(shù)值。電子設(shè)備的故障模式（壽命分布）可以用指數(shù)分布的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，所以（小時(shí)），我們通過(guò)試驗(yàn)，只要取得MTBF的估

15、計(jì)值（觀測(cè)值），就可算出失效率及可靠度R(t)來(lái)。然后與設(shè)計(jì)過(guò)程中的預(yù)計(jì)值相比較，達(dá)到指標(biāo)要求，試驗(yàn)停止，達(dá)不到則繼續(xù)試驗(yàn)。電子設(shè)備可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是一些實(shí)際的、多因素的信息集體，對(duì)于電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)的目的不同，所需采集的數(shù)據(jù)種類就不同，因此要用試驗(yàn)的觀測(cè)值來(lái)估計(jì)設(shè)備的可靠性特征值，這是電子設(shè)備可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。我們知道MTBF是衡量電子產(chǎn)品可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，并且檢驗(yàn)下限應(yīng)等于電子設(shè)備最低可接受的MTBF。實(shí)際工作中常采用觀測(cè)值的點(diǎn)估計(jì)即：式中，為MTBF（電子設(shè)備）觀測(cè)點(diǎn)估計(jì)值；T為電子設(shè)備試驗(yàn)時(shí)間總和；r為電子設(shè)備在試驗(yàn)中的故障次數(shù)。還有一種故障強(qiáng)度點(diǎn)估計(jì)

16、，當(dāng)r0（有故障發(fā)生時(shí)）：當(dāng)r=0(試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生故障)：式中，為電子設(shè)備失效率點(diǎn)估計(jì)值；為電子設(shè)備MTBF的點(diǎn)估計(jì)值；T為電子設(shè)備試驗(yàn)時(shí)間總和；r為故障次數(shù)。利用點(diǎn)估計(jì)的方法可以大致估算出電子設(shè)備MTBF。這是些經(jīng)驗(yàn)公式，可以為驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)快捷處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。附錄可靠性 reliablity設(shè)備在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力可靠度 reliability設(shè)備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率?？煽啃栽O(shè)計(jì) reliability design為滿足設(shè)備可靠性要求而進(jìn)行的設(shè)計(jì)?？煽啃栽囼?yàn) reliability test為獲得設(shè)備可靠性信息所進(jìn)行的試驗(yàn)故障 failure，fault設(shè)備不能完成規(guī)定的功能的事件或狀態(tài)，包括：