電子設備可靠性試驗

1、電子設備可靠性試驗西安電子科技大學電子工程學院王瑞琪02091367電子設備可靠性試驗摘要可靠性試驗是對產(chǎn)品進行可靠性調(diào)查、分析和評價的一種手段。試驗結果為故障分析、研究采取的糾正措施、判斷產(chǎn)品是否達到指標要求提供依據(jù)。根據(jù)可靠性統(tǒng)計試驗所采用的方法和目的，可靠性統(tǒng)計試驗可以分為可靠性驗證試驗和可靠性測定試驗。可靠性測定試驗是為測定可靠性特性或其量值而做的試驗，通常用來提供可靠性數(shù)據(jù)?？煽啃则炞C試驗是用來驗證設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，一般將可靠性鑒定和驗收試驗統(tǒng)稱為可靠性驗證試驗。為了評價分析電子產(chǎn)品可靠性而進行的試驗稱為可靠性試驗。試驗目的通常有如下幾方面：1. 在

2、研制階段用以暴露試制產(chǎn)品各方面的缺陷，評價產(chǎn)品可靠性達到預定指標的情況； 2. 生產(chǎn)階段為監(jiān)控生產(chǎn)過程提供信息； 3. 對定型產(chǎn)品進行可靠性鑒定或驗收； 4. 暴露和分析產(chǎn)品在不同環(huán)境和應力條件下的失效規(guī)律及有關的失效模式和失效機理； 5. 為改進產(chǎn)品可靠性，制定和改進可靠性試驗方案，為用戶選用產(chǎn)品提供依據(jù)。關鍵詞： 可靠性、 試驗、 設備、 故障、reliability engineering問題重述一、電子設備可靠性1.可靠性的基本概念隨著電子技術的發(fā)展，對電子設備產(chǎn)品也提出了更高的要求。由于設備技術性能和結構要求等方面的提高，可靠性問題愈顯突出。如果沒有可靠性保證，高性能指標是沒有任何意

3、義的， 現(xiàn)代用戶買產(chǎn)品就是買可靠性， 對生產(chǎn)廠家來說， 可靠性就是信譽， 就是市場，就是經(jīng)濟效益。從整機來講， 可靠性貫穿于設計、生產(chǎn)、管理中。從部件、 元器件的角度來講，電子元器件的可靠性水平?jīng)Q定了整機的可靠性程度。可靠性屬于質量的范疇，是產(chǎn)品質量的時間函數(shù)。從基本概念上講，可靠性指標與質量的性能指標所強調(diào)的內(nèi)容是不同的，可靠性的基本概念與時間有關（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)學模型化。只有通過可靠性試驗才能確定產(chǎn)品故障或壽命特征符合哪一種數(shù)學分布，才可以決定產(chǎn)品的可靠性指標，進而推算產(chǎn)品的可靠程度。在可靠性工程中， 最常見的壽命分布函數(shù)有指數(shù)分布、 威布爾

4、分布、 對數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布。2.電子設備產(chǎn)品的可靠性指標大量統(tǒng)計資料證明：電子設備產(chǎn)品的失效分布一般服從指數(shù)分布。從電子設備產(chǎn)品及許多電子元器件的失效機理來看， 隨著時間的足夠長， 失效率趨近于一個穩(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，因此電子設備產(chǎn)品的可靠性指標有：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)分布時產(chǎn)品的可靠性指標表示式比較簡單，并且失效率是一個常數(shù)。在進行電子設備產(chǎn)品可靠性分析時，只要得到的數(shù)值，其它指標就可以直接算出來。二、電

5、子設備產(chǎn)品的可靠性試驗可靠性試驗的特點和分類電子設備產(chǎn)品的可靠性指標是一些綜合性、 統(tǒng)計性的指標， 與質量性能指標完全不同， 不可能用儀表、 儀器或其它手段得到結果，而是要通過試驗，從試驗的過程中取得必要的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)分析，處理才能得到可靠性指標的統(tǒng)計量。可靠性指標的實現(xiàn)主要依靠現(xiàn)場試驗或模擬現(xiàn)場條件試驗，所以可靠性試驗不同于一般設備的性能試驗。從廣義上講，為了了解、評價、分析和提高電子設備產(chǎn)品的可靠性水平而進行的試驗，可以用來確定電子設備產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下工作或貯存的可靠性的特征量。一般說電子設備產(chǎn)品的可靠性試驗可以分為研制階段的試驗， 可靠性驗收試驗， 可靠性增長試驗， 元器件老煉

6、試驗， 極限試驗， 負荷及過負荷試驗， 過載能力試驗等，這類試驗的目的是了解設計是否滿足了可靠性指標的要求，找出或排除設計與制造過程中的缺限和不足，證明設計可靠性能否實現(xiàn)，因而可靠性試驗可以根據(jù)設備研制過程中的不同階段，不同要求進行各種不同的試驗。 對于不同的電子設備產(chǎn)品， 所要達到的目的不同，可以進行的可靠性試驗形式也就各異，因此可靠性試驗對于電子設備產(chǎn)品來說是一個系統(tǒng)工程，電子設備產(chǎn)品的可靠性試驗可以歸納為以下幾大類型（如圖1所示）。另外，溫度、振動、沖擊及高溫壽命、 加速壽命等試驗在實際應用中較為廣泛?？煽啃栽囼灳唧w內(nèi)容評價和分析產(chǎn)品壽命特征的試驗稱為壽命試驗。對于大部分電子產(chǎn)品，壽命是

7、最主要的一個可靠性特征量。因此，可靠性試驗往往指的就是壽命試驗。壽命試驗可分為非工作狀態(tài)的存儲壽命試驗和工作狀態(tài)的工作壽命試驗兩類。為了縮短試驗周期、減少樣品數(shù)量和試驗費用，常常采用加速壽命試驗。在不改變產(chǎn)品的失效機理和增添新的失效因子的前提下，提高試驗應力（相對于工作狀態(tài)的實際應力或產(chǎn)品的額定承受應力），以加速產(chǎn)品的失效過程。根據(jù)試驗中應力施加方式的不同，又可分為：在試驗過程中應力保持不變的恒定應力加速壽命試驗；試驗過程中應力逐級步進式增加的步進應力加速壽命試驗；試驗過程中應力連續(xù)增加的序進應力加速壽命試驗。由于壽命試驗費時較多，通常不待受試樣品全部失效就要結束，即大部分壽命試驗都是截尾試驗

8、。根據(jù)試驗截尾方式(固定試驗時間或固定試驗中失效樣品數(shù))和受試樣品失效后有無替換，壽命試驗可分為四種：無替換定時截尾試驗；有替換定時截尾試驗；無替換定數(shù)截尾試驗；有替換定數(shù)截尾試驗。在電子產(chǎn)品壽命試驗中，最常用的壽命分布為指數(shù)分布、威布爾分布和對數(shù)正態(tài)分布。最常用的壽命試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法有概率紙圖解法、最大似然估計法、最佳線性無偏估計法、最佳線性不變估計法等。所謂篩選，就是設法除去在材料、元件、器件、設備、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。采用外加應力或其他手段將成品中潛在的早期失效產(chǎn)品剔除的試驗稱為可靠性篩選。外加應力可以是熱應力、電應力、機械應力或者幾種應力的組合，

9、篩選應力大小和作用時間的選取原則是：針對產(chǎn)品的主要失效機理；所用的應力對于良好的產(chǎn)品應無破壞作用，而對于有缺陷的產(chǎn)品應能使缺陷很快暴露；根據(jù)用途、成本、產(chǎn)品批量大小和試驗設備等條件統(tǒng)一考慮，力求最佳的經(jīng)濟效果；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理，才能確定合理的篩選項目。最常見的篩選方法有:目檢（顯微鏡鏡檢、X射線照相、紅外掃描等）；電性能測試；密封檢漏；環(huán)境應力篩選（恒定加速、機械振動、沖擊、溫度循環(huán)、熱沖擊等）；壽命篩選（高溫儲存、功率老化、高溫反偏等）。問題分析電子設備可靠性試驗方案的設計電子設備可靠性試驗計劃的基本內(nèi)容應含有： （1）試驗的目的和要求；（2）試驗樣機數(shù)量；（

10、3）試驗條件（環(huán)境、維修等）；（4）試驗類型的確定和統(tǒng)計試驗方案的選擇；（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數(shù)量，對于可靠性增長試驗，試驗樣機多一些是必要的，對鑒定和接收試驗來說，樣機多一些可以提高試驗結果的置信度。一般鑒定試驗不足三臺則全數(shù)試驗；接收試驗不得少于3臺，推薦樣機數(shù)量為每批設備的10%（見表2）。總之可靠性試驗方案要根據(jù)電子設備的實際使用條件和故障特征選擇合適的試驗方案。試驗類型的選擇： （1）老產(chǎn)品已生產(chǎn)多年，未進行可靠性設計，現(xiàn)產(chǎn)品的生命力較強，需要繼續(xù)生產(chǎn)，可選擇可靠性測定試驗，測出設備的MTBF驗證值，同時根據(jù)暴露的問題采取措施，提高產(chǎn)品的可靠性。

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

12、供需雙方簽訂的合同，搞清電子設備在工作時所處的環(huán)境條件及給予它的應力。如果無特殊要求，應按電子設備總技術條件要求，在實驗室模擬進行，一般情況下可采用圖2所加的應力及循環(huán)方式。統(tǒng)計試驗方案的參數(shù)確定（1）0(可接收的MTBF值)的確定。0應小于等于（是按照電子設備所處的環(huán)境條件和應力，用可靠性預計方法確定的MTBF值）。0確定之后，根據(jù)選擇的鑒別比Dm（Dm=0/1），就可以計算出1（1指最低可接受的MTBF值）。（2）生產(chǎn)方風險率、使用方風險率的選擇。一般情況下，供需雙方簽訂的合同（包括協(xié)議書）已定的可按合同執(zhí)行。如果合同無規(guī)定，或是生產(chǎn)廠家自行驗證，一般情況下可選擇0.20.3，高風險可選擇

13、0.30.4。（3）試驗時間t的選擇。除與、有關外，主要取決于電子設備屬于何種類型，該設備能否長時間進行可靠性試驗，試驗費用的大小，可在表2中最佳樣機數(shù)與最大樣機數(shù)之間進行選擇（t=T/n，T為截尾時間）。測試周期的確定測試周期必須合理選擇，周期太密，會增加工作量，周期太疏又會失掉有用的信息?？砂聪铝泄接嬎?，然后確定：其中： t規(guī)定的試驗時間； r相關失效數(shù)；n抽樣數(shù)； MTBF。測試時間太長，可確定1天測1次，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效并做好記錄。失效判據(jù)（失效標準）的制定所謂失效，即產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。因此，凡是在試驗過程中不滿足電子設備技術性能的任一項指標，應作為失效判據(jù)，此判據(jù)必須由可靠性工程

14、師負責，召集設計、工藝、檢驗等方面技術人員討論，統(tǒng)一思想，最后制定。結果分析可靠性試驗的數(shù)據(jù)分析方法可靠性試驗的數(shù)據(jù)分析的基礎就是產(chǎn)品壽命分布函數(shù)及參量之間的關系。例如故障與應力（電、熱、振動、溫度等）的對應關系；故障與產(chǎn)品早期性能變化的規(guī)律等，這些包含有兩個變量的數(shù)據(jù)，在分析時就可用相關及回歸分析方法，或用最小二乘法，從試驗中取得的數(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)學模型，由模型就可寫出其可靠性指標，最后推算出該產(chǎn)品的可靠性參數(shù)值。電子設備的故障模式（壽命分布）可以用指數(shù)分布的數(shù)學模型來描述，所以（小時），我們通過試驗，只要取得MTBF的估

15、計值（觀測值），就可算出失效率及可靠度R(t)來。然后與設計過程中的預計值相比較，達到指標要求，試驗停止，達不到則繼續(xù)試驗。電子設備可靠性試驗數(shù)據(jù)的處理可靠性試驗的數(shù)據(jù)是一些實際的、多因素的信息集體，對于電子設備來說，試驗的目的不同，所需采集的數(shù)據(jù)種類就不同，因此要用試驗的觀測值來估計設備的可靠性特征值，這是電子設備可靠性試驗數(shù)據(jù)處理的關鍵。我們知道MTBF是衡量電子產(chǎn)品可靠性的一個重要指標，并且檢驗下限應等于電子設備最低可接受的MTBF。實際工作中常采用觀測值的點估計即：式中，為MTBF（電子設備）觀測點估計值；T為電子設備試驗時間總和；r為電子設備在試驗中的故障次數(shù)。還有一種故障強度點估計

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