可靠性工程

1、可靠性的定义：产品在规定的时间内，规定的条件下，完成规定功能的能力。

可靠度：产品在规定的时间内，规定的条件下，完成规定功能的概率。它是时间的函数，记R（t),为可靠度函数的简称。

2、产品的质量指标：性能指标：产品完成规定功能所需要的指标。可靠性指标（广义)：反映产品保持其性能指标的能力

3、狭义可靠性，有效性，贮存寿命，三个指标合起来全面描述了产品寿命期内的性能稳定性，将其称为可靠性的三大指标。

4、在可靠性工程中，不可修复产品的寿命是指发生失效前的实际工作时间；可修复产品的寿命是指相邻两次故障间的工作时间，此时也成为无故障工作时间。产品的寿命是随机变量。

1、一个系统由n个单元A1,A2,....An组成，当每个单元都正常工作时，系统才能正常工作；或者说当其中任何一个单元失效时，系统就失效。我们称这种系统为串联系统。

可见，在这种情况下串联系统的不可靠度近似等于各单元的不可靠之和，因此可以近似求得系统可靠度。

由上述可见，串联系统的可靠性小于或至多等于各串联单元可靠性最小值，即提高串联系统可靠性的措施为：1）提高单元可靠性，即减小失效率；2）尽量减少串联单元数目；3）等效地缩短任务时间t。

2、一个系统由n个A1,A2,....An组成如只要有一个单元工作，系统就能工作，或者说只有当所有单元都失效时，系统才生效，我们称这种系统为并联系统。

值的提醒的是，当单元的寿命分布式指数分布时，即失效率为常数，串联系统的失效率仍是常数，但并联系统的失效率则不是常数，而是时间的函数。

由此可见，两个单元的串联系统可靠度最低，并联系统可靠性是表决系统在可靠性方面优越性不大。

为了提高系统的可靠性，还可以贮存一些单元，以便当工作单元失效时，立即能由贮备单元接替，这种系统称为贮备系统。

贮备系统一般有冷贮备（无载贮备），热贮备（满载贮备），和所谓温贮备（轻载贮备）之分。热贮备单元在贮备中的失效率和工作时一样，冷贮备单元在贮备中不会失效，而温贮备单元的贮备失效率大于零而小于工作失效率。

1、可靠性预计分为基本可靠性预计和人物可靠性预计，基本可靠性预计用于估计由于产品不可靠性将导致对维修与后勤保障的要任务可靠性预计用于估算产品在执行任务的过程中完成其规定功能的概率。

2、可靠性预计分类及应用的方法如下：

I类：可行性预计。用于产品的方案论证阶段。在这个阶段所能提供的信息知识描述产品的总体情况。它常用的预计方法有相似产品法，相似电路法，有源组件法。

II类：初步预计。用于详细设计的早期。在这个阶段所能提供的信息是产品工程图或初步草图及组成产品的各个单元。预计方法为部件计数法，也称元器件计数法。

III类：详细设计。用于详细设计阶段之中和之后。这个阶段的特点是产品的每个组成单元都需要有工作环境和应力信息。预计方法为原件应力分析法，也成元器件应力分析法。

3、预计元器件失效率的方法：①手机数据预计法。②经验公式计算法。③元器件计数可靠性预计法。④元器件应力分析可靠性预计法。

4、经验公式计算法中：元器件的基本失效率都是在实验室条件得出的，实际应用时将受环境等因素影响，必须加以修正，求出工作失效率。

5、元器件技术可靠性预计法：具体需要的数据:通用元器件种类及数量；元器件质量等级和

使用环境其设备的失效率计算公式为：λ设备=∑=n 1)

(i i Q G i

N λλ λ设备---设备总失效率；

ΛG ---第i 种元器件的通用失效；

πQ ---第i 种元器件的通用质量系数；

N i ---第i 种元器件数量；

n---设备所用元器件的种类数；

6、元器件应力分析可靠性预计法

这种预计方法是建立在以元器件的基本失效率为基础，根据使用环境，生产制造工艺，质量等级，工作方式和工作应力的不同，做出相应修正来预计产品元器件的工作失效率（使用失效率）进而求出部件的失效率，最后得到产品的失效率。

所谓基本失效率是指元器件在电应力和温度应力作用下的失效率，通常用电应力和温度应力对电子元器件失效率影响的关系模型来表示，记为λP 。

分立半导体器件工作失效率的预计模型为:

λp =λb (πE ,πQ ,πA ,πS2,πR ,πC )

πE ---环境系数，其数值取决于器件的种类和除温度外的使用环境越恶劣，πE 越大。 πQ ---质量系数，不同质量等级的同类器件取值不同。

πA ---应用系数，同一器件在不同的线路中使用时，取值不同。

πS2---电压应力系数，器件外加不同电压时，取值不同。

πR ---额定功率或额定电流系数，不同额定功率和或电流器有不同的取值。

πC ---种类系数或结构系数（二极管），相同类型的单管，双管，复合管有不同的取值。

电压比S 2 =器件的额定电压器件的工作电压

功率越大，器件失效率越高。

7、串联系统的可靠性分配：

等分配法：又称平均分配法，它不考虑各个子系统的重要程度，而是把系统总的可靠度平均分摊给各个小系统的方法。

1、FMECA ：失效模式，后果与严重度分析师一种系统化的可靠性分析程序，它在保障系统可靠性方面是最起作用的。

2、失效就是产品丧失规定的功能，所谓“规定的功能”就是设计人员根据用户的要求在设计文件中规定的产品功能。

3、失效模式就是 失效 或 故障 的形式。

4、失效后果就是一个部件失效时对整机所产生的影响。

5、严重度就是后果的严重程度。失效后果的严重性分为司机评定

I --灾难性的，II --严重的，

III --一般的，IV --次要的。

6、FMECA 就是按照一定的格式有步骤地分析每一个部件可能产生的失效模式，每一失效模式对系统的影响及失效后果的严重程度。这是一种失效因果关系分析。

7、FMECA 分为两步，即失效模式与后果分析(FMEA)和严重度分析结合起来称为FMECA 。

8、把每一种失效模式的一切原件呢失效率相加可求得“失效模式失效率”。

9、失效严重程度分析（CA ）的目的是暗战严重性级别及严重度数字发生概率的联合影响来对FMEA 所确定的每一种失效模式进行分析

⑴定性分析：缺乏失效率数据时用定性分析，发生概率分为5级（A级，B级，C级，D 级，E级）

⑵定量分析：能提供正确的失效率数据时用定量分析。

失效模式严重度数字（Cm）是在一种严重性级别下由失效模式之一所占严重数字的份额。 Cm=βαλP t*106

β--失效后果概率λP--工作失效率，以10-6*h-1为单位

t--某任务阶段内的工作时间，（h）

α--失效模式相对频率，即一种失效模式在原件失效率（λP）中说所占比例，一个元件的所有失效模式的α相加应等于l c。

一个产品项目的严重度数字Cr是在某一任务阶段内，同一严重性级别下，各失效模式严重度数字Cm之和

n---属于某一严重度的失效模式数

j---产品在该严重度下的最后一个是小模式。

1、电子元器件的失效有4方面问题：制造质量问题，可靠性问题耗损问题和设计问题。

2、元器件的寿命特性曲线呈浴盆状，

⑴早期失效期这阶段的失效主要由元器件的中质量缺陷造成，解决的办法是对原材料的工艺进行严格的控制，同时进行上机前的筛选剔除早期失效元件使其尽可能不投入使用。

⑵偶然失效期当失效率相对地呈现为一个常数时，这个时期成为偶然失效期。这时失效随机的发生，多数为工作应力引起的失效。

⑶耗损失效期：这阶段的失效是由于不同类型的损耗机理造成的性能退化成老化变。

3、降额：就是使元器件在低于其额定值的应力条件下的工作。

对元器件进行降额使用（减小工作应力或降低温度），可以减小其失效率，增加其可靠性。

1）降额图法

R为禁用区，在这一区域内，元器件应力超过其额定的不能使用。这区域界线就是所说的降额曲线Q为有问题区域；在这一区域内，元器件在额定值内工作，但不能获得足够的可靠性值，在该区域内长期使用，元器件可能会降低。电路设计时，尽量不要选用。该区实在避不开时，设计应十分谨慎，应与可靠性或元器件技术人员磋商，并在设计文件加以说明。

A为合格使用区。在这一区域内，元器件的可靠性与费用之比最佳，可提供最佳安全系数。

4、元器件降额的限度和局限性：

元器件的降额使用并不是降得越多越好，因为降低元器件电负荷过多，将会增加设备的体积，重量及成本。降额不是在任何情况下都有效，原因：

⑴当可靠性已达到要求时，再用降额来继续提高可靠性就多。

⑵单纯用降额来提高可靠性的能力是有限的。

⑶对于有些元器件过度的降额反而有害。

⑷电应力的降额比较容易做到，对温度应力的控制主要靠改进热设计。

⑸采用降额技术来提高可靠性还要讲效益，即降额程度的取值需综合考虑可靠性指标要求及重量，体积，成本的限制。

5、我国电子元器件质量等级分为3类：特军品，普军品，民品。

为了正确选用元器件，除了要做线路应力分析以外，还必须确切3方面的内容：①使用环境条件。②失效率模型所包含的因素。③现场失效率。

1、可靠性试验室为了评价产品可靠性而进行的试验，它可以分为可靠性测定试验和可靠性验证试验。测定试验是在事先没有规定产品可靠性指标的条件下，用来测定产品的可靠性特征验证试验的目的是要确定产品的可靠性指标是否达到规定试验都成为可靠性试验。

2、筛选就是通过一定的方法将早期失效的产品在出厂前剔除，而把符合要求的产品保留下来的实验过程。

可靠性筛选的目的是剔除早期失效产品。

可靠性筛选可以①提高批产品使用可靠性而不能提高其固有可靠性。②筛选和一般质量检验不同：质量验收是通过抽样检验判定产品是否合格筛选则是对全部合格产品进行。

3、可靠性筛选的效果用以下参数来评价

1）筛选剔除率

2）筛选效果

n--剔除产品数 N--参与筛选的产品 ---筛选前产品的失效率试验 ---筛选后产品的失效率以剔除早期失效。

在评价筛选方法时，把剔除率和筛选效果结合起来，就比较全面。例如，同样是Q值，β大的筛选方法为优，而得到同样的β值，Q值小的筛选方法好。

4、常用的可靠性筛选方法

1）测试筛选

初始参数筛选，线性判别筛选。

2）检查筛选

目镜筛选，红外线非破坏性筛选，X射线非破坏性检查筛选。

颗粒碰撞噪声检测，密封性检查筛选，参数测试筛选。

3）环境应力筛选

力学环境应力筛选，气候环境应力筛选，特殊环境应力筛选，混合环境应力筛选。4）寿命筛选

筛选，功率老化筛选，工作寿命筛选。

5）破坏性筛选

5、筛选方案设计原则：

筛选方案设计包括选定筛选项目，列出筛选程序，定出筛选应力，确定筛选方法，规定失效判据和各项筛选允许的剔除率和总的剔除率等。

原则：①筛选要有效地剔除早期失效产品，但不应使正常产品提高失效率。

②为提高筛选效率，可以使用强应力筛选，但不应使产品因此而产生新的失效模式。

③筛选项目和应力不必只是模拟使用情况，有些项目与应力可以是使用中不可能出现的，其目的仅是为了暴露工艺上的缺点。

④试验设计前，设计者必须对必须对元器件供应者正常筛选效率有所掌握。如果这种筛选较为有效，则可用这些筛选方法来做补充筛选；如果这种筛选并不令人满意，则筛选方案应重新拟定。

⑤实验程序必须是加应力筛选在前，检查测试性筛选在后。如筛选项目的次序与失效有关，要选择能暴露失效的最佳顺序。

⑥对被筛选对象可能的失效模式有所掌握。如已知或认为存在特定的失效模式和机理，则应选择特定的筛选来剔除那些不可靠产品。

⑦为制定合理有效的筛选方案，必须了解有关元器件特定，材料，封装及制造技术。

⑧将不可靠产品淘汰在上机前，以减少不必要的损失。

6、在元器件投入使用前，将使用中有可能发生参数漂移剔除，这是老炼的目的。

使性能，参数稳定的过程叫老炼。

至于老炼的规范，要通关过摸底，由产品本身稳定性而定。决定某种元器件上机前是否要进行老炼，主要取决于这种元器件的参数漂移是否影响使用可靠性。

7、寿命试验的分类：长期寿命试验和加速寿命试验长期寿命试验包括长期贮存试验和长期工作寿命试验，后者是传统的寿命试验方法，它又分为静态偏置和动态工作。

8、加速寿命试验的目的：有些产品的失效率很低，若果用长期寿命试验方法则所需的实验时间达到无法想象，所以我们提高实验应力，加速产品的失效，缩短试验时间加速寿命试验的方法，就是在不改变产品失效机理不引入新的失效因子的前提下，提高试验应力，加速产品失效进程，再根据加速试验结果，预计正常应力下的产品寿命。

①恒定应力加速寿命试验：是将一定数量的试样分几组，每组固定一个应力水平进行试验。它的试验因素单一，数据容易处理，外推精度较高，故最常用。

②步进应力加速寿命试验：是以积累损伤失效物理模型为理论依据，试验时，每组样品固定一个逐级升高应力的时间，直到足够数量的样品失效为止。这种试验一般假定前面低一级试验对本试验的影响可以忽略不计，世纪上往往不可忽略，所以试验的预计精度较低。这种试验的优点是试验周期短，通常用于工艺对比，筛选摸底定性分析场合。

③序进应力加速寿命试验:可近似看作步进应力的每级应力差很小的极限情况。进行这种实验需要专门的程度控制，一般很少采用。

9、可靠性筛选的特点：a可以提高批产品的可靠性而不能提高其固有可靠性，b 筛选不能改变失败机理而延长任何单元器件的寿命，c筛选和一般质量检查不同，质量验收是通过抽样检验判定批产品是否合格，筛选责是对全部合格产品进行试验以剔除最新失效产品。

10、老炼与筛选的联系：老炼筛选和这种使元器件参数稳定的老炼虽然目的有所不同，但都是为了提高元器件使用可靠性的一种手段，老炼有使参数稳定的作用，而参数稳定的过程也必然起到筛选作用。