《可靠度基础》PPT课件.pptx

可靠度基础 Wing Zhou 2017/08/26 Content 可靠度相关概念 故障的分类 固有靠度与使用可靠度 环境因素的效应与其失效模式 常用可靠度试验项目及方法、目的 浴缸曲线及其应用 可靠度相关概念 一个满意的顾客会告诉8个人， 一个不满意的顾客会告诉20个人， 只有可靠的产品才能带来长期效益和忠诚的顾客！ 可靠度/可靠性（Reliability） 可靠度（Reliability） 1. 使故障不发生 2. 如有故障或不满意可立即修复 3. 整体而言处于令人满意的状态 正常 不可靠度 维修度 故障 量化 可靠度的定义： 系统， 产品或零件在规定的条件下， 规定 的时间内达成规定的机能的几率。 *可靠度四要素 维修度（Maintainability） 可以加以维修时的系统或产品在规定的条件下， 实施维修时， 在一定的时间内完成维修的几率。 * 想提高维修度， 必须在设计上让系统或产品本 身容易检查， 容易修理 即：要有维修性的设计 可用度（Availability） 一个可以加以维修的系统或产品， 在某种使用条 件及规定的时间内， 维持其机能的几率。 可用度可靠度因维修度而提高的可靠度 可靠度技术（Reliability Engineering） 可靠度技术是利用工学知识为基础， 以统计学知识 为辅， 协助产品设计；制造人员以有限的样品测试 得到的数据， 选择最佳设计或制造程序的参数， 以 达降低成本同时提高产品的品质与使用的可靠度。 故障的分类 故障数据为改善可靠度及维护性的一个重要依据。 1. 对象分类 主系统， 次系统， 装备， 零件， 材料 2. 故障现象分类 3. 故障形态分类 色偏Y 值跑掉 carriage 变形 现象形态原因 4. 故障原因分类 #如果是系统上的原因， 必须使引起故障形态的应力与强度 的因果关系明确 看似原因而不是原因 *5 Why to get the root cause *Category：Design/Material/Process 5. 故障重要度分类 致命性故障/Critical； 严重故障/Major； 轻微故障/Minor 6. 故障发生时间分类分类 突发性； 渐次性； 暂时性 渐次性渐次失去功能的故障（劣化故障） 劣化到何种程度才算是故障？ 如何清晰定义？ 8. 责任部门的分类 7. 故障的程度 丧失部分机能； 完全丧失机能 * 数据分析 (揭示故障的不同侧面的规律） 让数据为我所用 （预防/分析/纠正） 固有可靠度与使用可靠度 产 品 可 靠 度 固有可靠度 分类重要性比例 1. 产品材料 （1） 30 （2） 技术 40 2. 设计(可靠度预测， 可靠 度试验， 设计审查) 40 3. 制造(制造方式， 作业员 技能) 1020 使用可靠度 使用（包装， 运输方式， 使 用环境， 维修方法 20 30 其他 10 开发者可控 实际使用表现出的可靠度 固有可靠度在设计技术方面应收到特别重视： （1） 要充分考虑产品的被使用方式及应力的实际状况。 （2）必须使固有可靠度与使用可靠度的关联明确。 （3） 要事先考虑使用的维修性， 容易使用的程度， 安全性 等。 （4） 对于建立固有可靠度时所得到的故障数据及实际使用时所 得到的数据， 应加以解析， 然后将解析结果反馈回去， 以提 高固有可靠度及使用可靠度。 可靠度设计与分析 产品的可靠度是设计出来的，制造出来的，管理出来的，但首先是设计出来的 u可靠度建模 u可靠度预计 u故障模式、影响及危害分析 （FMEA） u故障树分析 （Fault Tree Analysis） u可靠度设计准则（简化设计/冗余设计/热设计) 电子产品可靠度设计与分析 机械产品可靠度设计与分析 可靠度设计与分析 可靠度实验 了解、分析、提高、评价产品的可靠度而进行的工作。 环境应力筛选 （ESS） -环境因素的效应与其失效模式 环境应力与可靠度设计 常用可靠度试验项目及方法、目的 为了测试可靠性，使缺陷迅速显现；经过大量专家、长时间的统计，找到 了一些增加应力的方法，转化成一些测试的项目。如果产品经过这些项目 的测试，依然没有明显的缺陷，就说明产品的可靠性至少可以达到某一水 平。 应力：就是指外界各种环境对产品的破坏力 Environment Test Climatic Test Temperature Test Humidity Test Thermal Cycling Test Thermal Shock Test Altitude Test Dynamic Test Vibration Test Shock Test Earthquake Test Drop Test Outdoor Test Sand/Dust Test Rain Test Solar Radiation Test Salt Mist Test Gas Corrosion Others Test Acoustic Test Compression Test Appearance Test Life Test Software Test 环境实验项目 Climatic Test Temperature Test (1) 实验目的 验证待测物在高温或低温的环境下存储或工作状态下的特性 实验参考规范 IEC 60068-2-1 Test A: Cold, IEC 60068-2-2 Test B: Dry heat, IEC 60721, MIL-STD 810E, GR-63-Core，Customer Request 一般IT产品的温度测试范围多在-40+70之间，在实验时搭配 Hot/cold start， 可以测出待测物在高低温下启动的特性！* 实验产品种类 只要是系统，模组或零件的产品，只要有需求，并不会因为产品别 的不同而会影响执行此实验，如IT 产品，主被动元件 Temperature Test(2) 高温贮存 高温测试的温度TH必须高于Tmax（Tmax指产品技术条件规定的高温工作 温度）。研制测试时温度最高(一般取Tmax+20)、小批量试产测试时温度次 之(一般取Tmax+15)、例行测试最低(一般取Tmax+10)。 低温贮存 低温测试的温度TL必须低于产品技术条件规定的低温工作温度。研制测试 最低，转产测试次之，例行测试最高；通常状况下三个阶段的TL都取40 。 Humidity Test(1) 实验目的 验证待测物在高湿或低湿的环境下存储或工作状态下的特性！ 实验产品种类 只要是系统，模组或零件的产品，只要有需求，并不会因为产品别的 不同而会影响执行此实验，如IT 产品，主被动元件 实验参考规范 IEC 60068-2-3, IEC 60068-2-30, IEC 60068-2-38, IEC 60721, MIL-STD 810E, GR-63-Core一般IT产品的温度测试范围多在5%95%之间，在执行实验 时应避免凝集水气以防待测物在工作中短路！ Thermal Shock/Thermal Cycling Test(1) 实验目的 验证待测物的高低温反复交替作用在存储或工作状态下的特性或验 证不同物质之结合之热胀冷缩的效应！ 实验产品种类 只要是系统，模组或零件的产品，只要有需求，并不会因为产品别的 不同而会影响执行此实验，如IT 产品，主被动元件 实验参考规范 IEC 60068-2-14, IEC 60721, MIL-STD 810E, 注意测试时需要的参数要 有高低温的范围，每个温度点停留的时间及循环的周期数，Thermal cycling test与Thermal shock test的区分为温度变化率！ Thermal Shock/Thermal Cycling Test(2) Number of cycle:100 cycles T1 T1 T2 T2 Temp. Temp. Time (Hrs)Time (Hrs) Thermal Shock/Thermal Cycling Test(3) Table 2 Test Condition Level Thermal Shock/Thermal Cycling Test(4) Thermal Shock 的应用 - 评估PCBA 焊锡寿命 Altitude Test (Low Air Pressure Test) (1) 实验目的* 验证待测物在低压存储或工作状态下的特性及模拟航空运输及高海 拔产品之使用的状态！ 实验产品种类 只要是系统，模组或零件的产品，只要有需求，并不会因为产品别的 不同而会影响执行此实验，如CRT monitor, LCD monitor, PDP TV, Projector), 有Power会产生高压的Device或其他IT产品，尤其具有气密性 的设计等 实验参考规范 IEC 60068-2-13*, IEC 60068-2-40, IEC 60068-2-41, GR-63-Core, 通常低 压Operating的高度设定会在800015000feet， Non-operating 则通常在 3000040000 feet，且温度变化以每分钟不超过1度为原则，压力变化率 则每分钟要小于100mbar！ 某公司LCD 海拔测试 -40 5 25 30 40 Temp.() 70 00.52.514.5 5.57.5 8.5 8.811.311.5 1214 14.51517.11718.620.622.121.6 12 Time (hour) Power off Function test Power on 0 3000 1000 Altitude (Feet) 21 Dynamic Test Vibration test(1) 试验目的 验证待测物在运输或处于在有振动的环境中，其电性功能，结构及包装 特性是否会被影响 振动试验的种类 1.正弦振动（Sine vibration） （1）Frequency range （2）Acceleration（Amplitude or velocity） （3）Test time（Sweep rate）:1 octave/m 对数扫描速率单位 （4）Vibration direction （5）Resonance search and dwell test共振点/驻留点 2.随机振动（Random vibration） （1）Frequency range （2）P.S.D.（Power Spectrum Density）振动强度 （3）Test time （4）Vibration direction Shock test(1) 试验目的 验证待测物结构强度以及包装设计前待包物强度的考量 冲击试验波形的种类 （1）半正弦波（Half sine wave）单体结构 （2）梯形波（Trapezoidal wave）包装物体 （3）锯齿波（Sawtooth wave） 冲击试验的三个重要的参数设定值 （1）脉冲时间（Pulse duration） （2）加速度（Acceleration） （3）速度（Velocity） Drop Test 试验目的 模拟待测物在人为搬运或推拿时不慎掉落以验证其结构及电性功能。 落下试验参考规范： IEC 60068-2-32 Test Ed: Free fall Package Weight (kg) Un-Package Weight (kg) Drop Height (cm) Less 20Less 2100 15302550 304051025 4045105010 Package Weight (kg)Drop Height (cm) Less 15100 153080 153060 153050 ISO 4180/2 Transport Mode 各种应力筛选效果比较 浴缸曲线及其应用 Agenda l浴缸曲线的基本概念 l早夭期Burn-in时间的计算 l有用期MTBF的实验及其应用 l耗损期 市场不良的预估 浴缸曲线的基本概念 浴缸曲线的基本概念 失效率： 失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效 的概率。 一般记为,它也是时间t的函数,故也记为(t),称为失效率函数,有时也称为 故障率函数或风险函数. 失效率的观测值是在某时刻后单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚 未失效的产品数之比,即 失效率曲线: 典型的失效率（或故障率）曲线反映产品总体寿命期失效率的情况。图示 为失效率曲线的典型情况，有时形象地称为浴缸/盆曲线。 浴缸曲线的基本概念 浴缸曲线的基本概念 早夭期/早期失效期 产品投稿使用的早期，失效率较高而下降很快。 主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、起 动不当等人为因素所造成的。 当这些所谓先天不良的失效后且运转也逐渐正常，则失效率就趋于稳定 ，到t0时失效率曲线已开始变平。 t0以前称为早期失效期。 针对早期失效期的失效原因，应该尽量设法避免，争取失效率低且t0短。 有用期/偶然失效期 失效率曲线为恒定型，即t0到t1间的失效率近似为常数。 失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的 偶然因素所造成。 偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。 为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量 ，精心使用维护。 浴缸曲线的基本概念 浴缸曲线的基本概念 耗损期/耗损失效期 在t1以后失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕 变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。 针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间， 提前维修，使失效率仍不上升，以延长寿命不多。 早夭期 -Burn-in 时间的计算 Burn-in的概念 u利用加速应力筛选的方式， 经过适当的时间来执行， 来剔出早 衰期产品， 以提高产品使用可靠度。 Time 早夭期有用期耗损期 1 (t) t0t1 Burn-in的时间如何选择 Time 早夭期有用期耗损期 1 (t) t0t1 Burn-in的时间如何选择 故障率：单位时间内，产品/零件可能发生故障的几率。 R(t) (t)= t Ns(t) R(t) t时间内发生故障的产品数 t时间间隔； Ns(t)在t时刻没有发生故障的产品数 例 5000台产品一同开始老化， 第2小时出现4台不良， 第4小时出现2台不 良具体不良状况见下表： Time (Hr)DefectTime (Hr)DefectTime (Hr)Defect 24120220 42133240 61160 80181 100200 Burn-in的时间如何选择 What is the index for market feedback? Time (Hr) Defect(t)= 240.040% 420.020% 610.010% 800.000% 1000.000% 1200.000% 1330.009% 1600.000% 1810.004% 2000.000% 2200.000% 2400.000% Burn-in的时间如何优化 一般情况下，主动电子零件完全适用阿氏模型， 而电子和资讯类成品也可使用阿氏模型，原因 是成品类的失效模式是由大部分主动式电子零件所构成，因此， 阿氏模型，广泛应用于电子、资 讯行业。 加速寿命试验阿氏模型 Arrhenius 模式 Arrhenius 模式俗称阿氏曲线，广泛的被使用在加速的应力条件为温度，或 是失效时间呈现指数分配型态的应力条件，不同温度条件下的寿命， Arrhenius反应率Kr、特征寿命L与加速率AF模式如下 其中E (EA) 活化能activation energy K：Boltzmanns 常数8.61710-5 eV/K T 绝对温度(+273.16) A 常数 AF :加速因子 活化能 活化能(EA) ： 一般当试验的温度差度差距范围不大时，则E均可设定为常数。 在早期故障约为0.20.6eV 间，而正常有用期接近1.0eV，若衰老期将大于 1.0eV。eV(电子伏特) Compaq：0.67eV Dell：0.67eV HP：0.67eV Motorola：0.67eV BenQ：0.5eV 有用期 -MTBF的实验及其应用 MTBF的基本概念 : 故障率 单位时间内，产品/零件可能发生故障的几率。 例 0.01% / 106小时 每百万小时使用期间，可能发生故障的 几率是0.01% MTBF：单位故障的时间 ：单位时间的故障 故：MTBF= 1/ MTBF： Mean Time Between Failure 平均无故障间隔时间 产品经过一段时间使用，计算其平均每一次故障的时间有多长。 例 若T代表产品总使用时间，r代表所发现的故障数，则MTBF=T/r MTBF的基本概念 MTBF的基本概念 MTBF的基本概念 MTBF的基本概念 MTBF的基本概念 MTBF的基本概念 MTBF 预估计算方法 1- 可靠性预计计算 例 MTBF Predication Software： MTBF Cal Relex 2011 MTBF 预估计算方法 1- 可靠性预计计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 其中，单侧置信下限估计方法置信度较高，且计算方便，通常选用此方法 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 X2(,2R+2) MTBF25= 2Ta T: Total test time a: 加速因子 : 置信度 R: 在t 时刻的故障机台数 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 (1) 固定时间法 确定MTBF spec及置信度则可得T 优点：时间固定。 缺点：无法看到真正的MTBF为多少。 (2) 固定不良数法 确定MTBF spec及置信度，R=？时试验可结束 优点：看到的MTBF相对准确。 缺点：测试时间不确定。 (3) 逐次抽样法 MTBF 预估计算方法 2- 实验室试验和计算 MTBF试验方法 例 1 若客户要求某产品的MTBF为2000小时，至少80%的置信度，请制定厂内的可靠度试验计划。 查GEM表中80%的Conf. Level, 得： 故障数 r 试验比 T.R 总试验时间 T 0 1.6094 2000*1.6094=3219 1 2.9943 2000*2.9943=5989 2 4.2790 2000*4.2790=8558 3 5.5151 2000*5.5151=11030 因此， 可制定固定时间的MTBF计划：如定义总测试时间为8500小时，其故障数不得大于2。 例 2 若某产品要求MTBF为2000小时，且应有90%的置信度，今试验2400小时无故障发生，试问是 否已符合客户要求，以何种试验结果方符合要求。 试验比T.R=2400/2000=1.2, r=0, 查GEM表，r=0, 得知仅为70%的信赖水平， 故此结果未符合客户要 其iu，应延长试验如下： r=0, 90% Conf. Level T.R=2.3026 , 应再试验2.3026*2000-2400=2205小时 或允许一次故障发生，则T.R=3.8897, 应再试验3.8897*2000-2400=5379小时 MTBF试验方法 例 3 若某产品要求MTBF为2000小时，且应有90%的置信度，求： (1) 若总固定试验时间为7800小时，求允收故障数r=? (2) 若总试验时间仍为7800小时，且我们只须75%的置信度，求允收故障数r=? (1) 查表 90% 信赖水平， 得： r T.R T 0 2.3026 2000*2.3026=4605 1 3.8899 2000*3.8899=7779 2 5.3223 2000*5.3223=10645 3 6.6808 2000*6.6808=13362 若总试验时间为7800小时，则只允许故障数为0和1， 2以上为拒收。 (1) 查表 75% 信赖水平， 得： r T.R T 0 1.3863 2000*1.3863=2773 1 2.6926 2000*2.6926=5395 2 3.9024 2000*3.9024=7841 3 5.1094 2000*5.1094=10219 故故障数2及2以下允收， 2以上为拒收。 我们亦可利用GEM 表，作可靠度的抽 样试验判定。 MTBF试验方法 例 4 若某产品要求MTBF必须至少90%的置信度，且认为若MTBF只有10%置信度以下时为拒收， 试建立一逐次抽样试验计划： 查表 90% ；10%信赖水平， 得： 90% Conf. Level 10% Conf. Level r T.R r T.R 0 2.3026 1 3.8897 1 0.5325 2 5.3223 2 1.1020 8 12.9947 8 5.4325 1 2 3 4 5 6 7 8 r 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 T.R 指定r的最大试验限度 指定最大试验时间 拒 收 区 允 收 区 继 续 试 验 区 逐次抽样表： 压线允收 压线拒收 MTBF 预估计算方法 3- 现场失效数统计计算 MTBF 预估计算方