电子设备可靠性

1、电子设备可靠性预计学院:机电学院班级:1304011学号姓名:郭泽超摘要：在设计产品时，要进行系统的可靠性设计和可靠性分析，以使所设计的产品能保证达到规定的可靠性指标，因此要进行可靠性预计和可靠性分配，而同时预计又是分配的基础。对于已有的电子设备可靠性预计方法可分类为偶然失效 耗损失效和维修性，针对不同特点产品，处于不同寿命周期以及具有不同可靠性相关的电子产品（元器件、零部件、子系统或系统）应选择合适的可靠性预计方法，才能更加全面准确的预计可靠性的同时，提高其可靠性水平。引言：可靠性预计是为了估计产品在给定的工作条件下的可靠性而进行的工作，它运用以往的工作经验，当前技术水平，尤其是以元器件，零

2、部件的失效率作为依据，预测产品实际可能达到的可靠度，发现薄弱环节，并为可靠性增长试验、验证试验及费用核算等方面的研究提供依据；同时，它为产品设计的可行度决策、部件的选择和使用、产品的验证实验方案、维修策略以及整个综合后期保障要求的制定等重要的可靠性工作项目都起着非常关键的作用。因此，对电子设备可靠性预计是设计、生产、使用电子设备的重要保障。目前，可靠性预计有很多方法，其中包括性能参数法、数学模型法、相似设备法、相似电路法、失效率预计法，本文着重讲解可靠性预计一般方法和电子、电器设备可靠性预计。可靠性预计方法的分类1.针对产品不同功能/结构层次的方法根据可靠性预计的产品层次不同，可将可靠性预计分

3、为单元可靠性预计和系统可靠性预计。单元可靠性预计是指系统组成单元的可靠性预计。系统可靠性预计是指在获得其组成单元可靠性数据（既可以是预计结果，又可以是试验数据或外场统计数据）的基础上，通过建立分系统级或系统级的可靠性模型，对其可靠性进行预计。单元可靠性预计一般包括性能参数法、故障物理法、相似设备法、相似电路法、失效率预计法。性能参数法。这个方法的特点是在统计大量相似的系统的参数与可靠性关系的基础上，进行回归分析，得出一些经验公式，以便在方案论证及初步设计阶段，能根据初步确定系统性能及机构参数预计系统可靠性。故障物理法适用于产品的详细设计阶段，需要对产品进行了详细的应力分析和故障机理分析，获得各

4、种故障机理相关的应力信息（包括幅值、频率、变化率等）和故障点相关的材料属性、结构尺寸与封装工艺特征参数等信息，然后利用对系统组成单元中某单一故障机理所建立的故障物理模型，分析过应力突发效应或耗损型失效的累积损伤效应，计算该故障机理的故障前时间。相似产品法适用于具有继承性的产品，在拥有相似产品可靠性数据的前提下，分析相似因素，如产品结构、性能、设计、材料和制造工艺、使用剖面等的差异对可靠性的影响，利用比值分析法确定新产品的可靠性。这种方法适用于在数据极其缺乏的产品方案设计阶段。由于系统的可靠性与内部存在的缺陷密切相关，从旧产品上可以获得产品失效率与其内部缺陷之间的关系系数k，来计算新产品的失效率

5、。设新产品的总数为nr，原产品缺陷总数为nb，ni为新引进的缺陷总数，ne为已排除的缺陷总数，则:nr=nb+ni-ne故新产品的失效率为相似电路法。若已知新老的电路相似，并知道老系统各种电路的失效率和新系统的各种电路数，可按照经验公式估计新系统的失效率：式中：新系统的失效率老系统第i种电路的失效率新系统有条第i中电路N新系统的电路种类数失效率预计法。当研制工作发展到详细设计阶段，已有了产品原理图和结构图，选出元部件，已知它们的类型、数量、 使用环境及应力，并已具有试验常温条件下测得失效率时，可采用失效率预计法。这种方法对电子产品和非电子产品均使用，具体步骤如下：（1）根据产品功能画出可靠性框

6、图画出可靠性逻辑框图建立可靠性 模型元部件基本保障率系统原理图 环境因子降额因子改进设计来满足系统可靠性指标系统可靠性预计 (2按可靠性框图建立相应的数学模型(3确定个框图中元部件及设备的失效率，该失效率应为工作失效率(4系统可靠性预计：根据设计任务书要求预计基本可靠性或工作可靠性。2.系统可靠性预计则根据预计的目标不同分为基本可靠性预计和任务可靠性预计。现有的两种可靠性预计方法为基本可靠性预计和任务可靠性预计。基本可靠性预计的目的是，用基本可靠性模型来估计系统及其组成单元故障引起的维修及保障要求，即任一单元发生故障均要引起维修及保障要求。因此，基本可靠性模型是一个全串联模型，即使存在冗余单元

7、仍要按串联处理，其预计方法包括上下限法和元器件计数法。任务可靠性预计的目的是，度量系统在执行任务过程中完成规定功能的能力。任务可靠性模型是用来描述完成任务过程中系统各组成单元及其构成的系统能否发挥预定作用、有效工作的一种可靠性模型。目前，常用的任务可靠性模型包括可靠性框图模型（如串联、并联、k/n表决、旁联、混联等）、网络结构、事件树、故障树、动态故障树、马尔科夫过程、广义Petri网模型及其扩展模型、GO图模型和混合模型等基于图论的系统可靠性模型。利用已得到的系统组成单元的可靠性预计结果或其他来源的数据，可以根据模型所表达的系统及其组成单元的状态、功能或故障逻辑关系来建立数学模型，预计系统的

8、可靠性。除了用到系统可靠性模型之外，也可将系统的功能/结构模型的用于其任务可靠性预计。基于系统功能结构模型的可靠性预计方法通过建立产品的数学解析模型或描述系统功能与结构的计算机仿真模型，将系统的输入和功能/结构参数视为随机变量，若已知其服从何种概率分布和符合何种随机过程，则可以通过对这些参数进行随机抽样的方式，对系统的行为进行分析。对于具有复杂行为的系统来说蒙特卡罗仿真分析法是一个有力且有效的分析工具。若抽样的次数足够多，根据大数定理，可以得到系统性能能够满足规定阈值的百分比，并将这个百分比定义为系统的性能可靠度。这种方法称为容差分析法。随着计算机仿真技术如有限元分析等的发展和各种仿真软件工具

9、的大量出现，对于蒙特卡罗仿真的方法除了用到参数的随机变量，还扩展为对系统行为影响的各种因素，包含了功能与结构参数、外部环境与输入参数的随机变量的综合分析，这样就可以模拟系统在各种真实使用条件下，以及考虑系统内部参数确定或随机时的系统行为，获得其可靠性的统计估计值，这个估计值可以是时变的或对某个时间点的估计。2. 采用不同预计模型的方法（1）基于协变量模型的可靠性预计方法。基于手册/标准的可靠性预计方法中用到的数据为来自外场或试验的故障统计数据，以此给出产品故障率与产品类型、质量等级与使用条件等因素的统计经验表达式，本文将这类故障率模型称为协变量模型，将这种方法称为基于协变量模型的可靠性预计。这

10、些标准或手册中假设产品寿命服从指数分布，所用的故障率模型即为协变量模型中比例风险模型的形式，它们大体分为4种表达形式：有的手册中的基本故障率直接给出数值，有的则是给出基本故障率与温度、电应力的关系图/表，这种关系图或表格也是一种非参数的协变量模型；元器件在给定条件下的故障率为基本故障率乘以协变量参数的转换变量 因子（由协变量参数决定），或者各影响因素的基本故障率乘以 因子的加和，或者以上两种混合的形式；单元级或系统级的故障率为所组成元器件故障率之和，或者在前者基础上再乘以某些单元级或系统级的 因子的形式；有些手册/标准中还给出基于贝叶斯理论的外场和试验数据的故障率修正模型。这些比例风险模型中的

11、协变量的确定，需要获取以下信息：通过对产品的寿命剖面信息进行详细的分析，获得产品所经受的温度、电、温循、机械、化学、相对湿度、工作占空比等各种应力信息；系统选择的元器件类型、数量、质量等级的清单，以及产品的材料及其属性、结构、尺寸、封装工艺、安装方式、生产年限等各种设计与生产制造工艺信息；元器件供应商的质量能力与可靠性控制能力信息；其他需要的信息。这些协变量决定了比例风险模型中的因子。(2基于PoF模型的可靠性预计方法基于应力-损伤模型的可靠性预计方法通过解析计算、真实试验或仿真建立产品故障前时间与产品的设计、制造工艺与使用条件等信息的关系模型，IEEE 1413.1称之为应力-损伤模型，即P

12、oF模型中的故障时间模型。故此，这种方法称为基于PoF模型的可靠性预计方法。目前，常用的基于PoF模型的预计方法主要针对元器件和电路板。元器件可靠性预计的PoF方法包括对半导体器件、微电路封装、连接器的故障机理和电容等具有耗损型故障的元器件的故障机理建模，例如，评估集成电路故障机理的模型，包括时经电介质击穿，电迁移，热载流子注入和负偏压温度不稳性等。电路板可靠性预计的PoF方法涉及到4类分析技术，在分析时要基于概率力学的基本原理，可应用CAE（计算机辅助工程）软件工具来实施：电气/电子性能和变异性建模用来评估在不可避免的具有公差和漂移的设计与生产前提下，电气/电子电路的性能的稳态指标是否满足在静态和动态使用条件下要求。电磁兼容分析和信号完整性分析来评估电路板对电磁干扰敏感性以及是否能够稳定地转换高频信号。 应力分析用来评价电路板的物理封装能否保持结构和电路互联的完整性，以及能否在给定的环境条件下保持可靠的功能运行，并能确定电路板对过应力故障的敏感性。 耗损耐久性和可靠性建模应用应力分析结果来预计在长期应力施加条件下的老化、逐渐退化和耗损的过程。4种分析都需要在获得一个多学科综合虚拟工程样机的前提下进行，以能够发现产品的设计薄弱环节，及其对故障机理的敏感性，以便在设计早期阶段实施可靠性预计。结论与展望：对系统进行可靠性预计的结果