电子设备可靠性试验

1、电子设备可靠性试验西安电子科技大学电子工程学院王瑞琪02091367电子设备可靠性试验摘要可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。根据可靠性统计试验所采用的方法和目的，可靠性统计试验可以分为可靠性验证试验和可靠性测定试验。可靠性测定试验是为测定可靠性特性或其量值而做的试验，通常用来提供可靠性数据。可靠性验证试验是用来验证设备的可靠性特征值是否符合其规定的可靠性要求的试验，一般将可靠性鉴定和验收试验统称为可靠性验证试验。为了评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为可靠性试验。试验目的通常有如下几方面：1. 在

2、研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷，评价产品可靠性达到预定指标的情况； 2. 生产阶段为监控生产过程提供信息； 3. 对定型产品进行可靠性鉴定或验收； 4. 暴露和分析产品在不同环境和应力条件下的失效规律及有关的失效模式和失效机理； 5. 为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案，为用户选用产品提供依据。关键词： 可靠性、 试验、 设备、 故障、reliability engineering问题重述一、电子设备可靠性1.可靠性的基本概念随着电子技术的发展，对电子设备产品也提出了更高的要求。由于设备技术性能和结构要求等方面的提高，可靠性问题愈显突出。如果没有可靠性保证，高性能指标是没有任何意

3、义的， 现代用户买产品就是买可靠性， 对生产厂家来说， 可靠性就是信誉， 就是市场，就是经济效益。从整机来讲， 可靠性贯穿于设计、生产、管理中。从部件、 元器件的角度来讲，电子元器件的可靠性水平决定了整机的可靠性程度。可靠性属于质量的范畴，是产品质量的时间函数。从基本概念上讲，可靠性指标与质量的性能指标所强调的内容是不同的，可靠性的基本概念与时间有关（如表1所示），这些基本概念的具体化，就是产品故障或寿命特征的数学模型化。只有通过可靠性试验才能确定产品故障或寿命特征符合哪一种数学分布，才可以决定产品的可靠性指标，进而推算产品的可靠程度。在可靠性工程中， 最常见的寿命分布函数有指数分布、 威布尔

4、分布、 对数正态分布和正态分布。2.电子设备产品的可靠性指标大量统计资料证明：电子设备产品的失效分布一般服从指数分布。从电子设备产品及许多电子元器件的失效机理来看， 随着时间的足够长， 失效率趋近于一个稳定值，其基本特征可以用指数函数的曲线相比拟，即服从指数分布，因此电子设备产品的可靠性指标有：可靠度R(t): R(t)=e- (1)累积失效概率F(t): F(t)=I-R(t)=1-e- 失效密度函数f(t): f(t)=F(t)=e- 由上可看出在指数分布时产品的可靠性指标表示式比较简单，并且失效率是一个常数。在进行电子设备产品可靠性分析时，只要得到的数值，其它指标就可以直接算出来。二、电

5、子设备产品的可靠性试验可靠性试验的特点和分类电子设备产品的可靠性指标是一些综合性、 统计性的指标， 与质量性能指标完全不同， 不可能用仪表、 仪器或其它手段得到结果，而是要通过试验，从试验的过程中取得必要的数据，然后通过数据分析，处理才能得到可靠性指标的统计量。可靠性指标的实现主要依靠现场试验或模拟现场条件试验，所以可靠性试验不同于一般设备的性能试验。从广义上讲，为了了解、评价、分析和提高电子设备产品的可靠性水平而进行的试验，可以用来确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量。一般说电子设备产品的可靠性试验可以分为研制阶段的试验， 可靠性验收试验， 可靠性增长试验， 元器件老炼

6、试验， 极限试验， 负荷及过负荷试验， 过载能力试验等，这类试验的目的是了解设计是否满足了可靠性指标的要求，找出或排除设计与制造过程中的缺限和不足，证明设计可靠性能否实现，因而可靠性试验可以根据设备研制过程中的不同阶段，不同要求进行各种不同的试验。 对于不同的电子设备产品， 所要达到的目的不同，可以进行的可靠性试验形式也就各异，因此可靠性试验对于电子设备产品来说是一个系统工程，电子设备产品的可靠性试验可以归纳为以下几大类型（如图1所示）。另外，温度、振动、冲击及高温寿命、 加速寿命等试验在实际应用中较为广泛。可靠性试验具体内容评价和分析产品寿命特征的试验称为寿命试验。对于大部分电子产品，寿命是

7、最主要的一个可靠性特征量。因此，可靠性试验往往指的就是寿命试验。寿命试验可分为非工作状态的存储寿命试验和工作状态的工作寿命试验两类。为了缩短试验周期、减少样品数量和试验费用，常常采用加速寿命试验。在不改变产品的失效机理和增添新的失效因子的前提下，提高试验应力（相对于工作状态的实际应力或产品的额定承受应力），以加速产品的失效过程。根据试验中应力施加方式的不同，又可分为：在试验过程中应力保持不变的恒定应力加速寿命试验；试验过程中应力逐级步进式增加的步进应力加速寿命试验；试验过程中应力连续增加的序进应力加速寿命试验。由于寿命试验费时较多，通常不待受试样品全部失效就要结束，即大部分寿命试验都是截尾试验

8、。根据试验截尾方式(固定试验时间或固定试验中失效样品数)和受试样品失效后有无替换，寿命试验可分为四种：无替换定时截尾试验；有替换定时截尾试验；无替换定数截尾试验；有替换定数截尾试验。在电子产品寿命试验中，最常用的寿命分布为指数分布、威布尔分布和对数正态分布。最常用的寿命试验数据统计分析方法有概率纸图解法、最大似然估计法、最佳线性无偏估计法、最佳线性不变估计法等。所谓筛选，就是设法除去在材料、元件、器件、设备、系统等方面潜在的不良因素和缺陷，而把优良的产品挑选出来。采用外加应力或其他手段将成品中潜在的早期失效产品剔除的试验称为可靠性筛选。外加应力可以是热应力、电应力、机械应力或者几种应力的组合，

9、筛选应力大小和作用时间的选取原则是：针对产品的主要失效机理；所用的应力对于良好的产品应无破坏作用，而对于有缺陷的产品应能使缺陷很快暴露；根据用途、成本、产品批量大小和试验设备等条件统一考虑，力求最佳的经济效果；充分调查，收集数据，掌握产品的失效分布和失效机理，才能确定合理的筛选项目。最常见的筛选方法有:目检（显微镜镜检、X射线照相、红外扫描等）；电性能测试；密封检漏；环境应力筛选（恒定加速、机械振动、冲击、温度循环、热冲击等）；寿命筛选（高温储存、功率老化、高温反偏等）。问题分析电子设备可靠性试验方案的设计电子设备可靠性试验计划的基本内容应含有： （1）试验的目的和要求；（2）试验样机数量；（

10、3）试验条件（环境、维修等）；（4）试验类型的确定和统计试验方案的选择；（5）判断方法、失效判据，故障判据等等。这里需要指出的是样机数量，对于可靠性增长试验，试验样机多一些是必要的，对鉴定和接收试验来说，样机多一些可以提高试验结果的置信度。一般鉴定试验不足三台则全数试验；接收试验不得少于3台，推荐样机数量为每批设备的10%（见表2）。总之可靠性试验方案要根据电子设备的实际使用条件和故障特征选择合适的试验方案。试验类型的选择： （1）老产品已生产多年，未进行可靠性设计，现产品的生命力较强，需要继续生产，可选择可靠性测定试验，测出设备的MTBF验证值，同时根据暴露的问题采取措施，提高产品的可靠性。

11、（2）新产品处于设计试制阶段，可通过可靠性试验暴露产品中的薄弱环节，以便采取改进措施，提高产品的固有可靠性，可选择可靠性增长试验。（3）新产品设计定型、生产定型和产品创优，可选择可靠性鉴定试验，一般情况下选用定时截尾或定数截尾试验方案，以对产品的MTBF真值作出估计。（4）根据供需双方鉴定的合同规定，需要对产品的MTBF真值作验证的，可选择可靠性验收试验，采用定时截尾或定数截尾试验方案。若供需双方鉴定的合同规定，只要通过了系统试验方案就可交货，不需对产品的MTBF真值作出估计，可选用概率比序试验方案，这种情况特别适用单台大型电子设备。环境条件及应力的确定根据使用方向生产方提供的电子设备任务书或

12、供需双方签订的合同，搞清电子设备在工作时所处的环境条件及给予它的应力。如果无特殊要求，应按电子设备总技术条件要求，在实验室模拟进行，一般情况下可采用图2所加的应力及循环方式。统计试验方案的参数确定（1）0(可接收的MTBF值)的确定。0应小于等于（是按照电子设备所处的环境条件和应力，用可靠性预计方法确定的MTBF值）。0确定之后，根据选择的鉴别比Dm（Dm=0/1），就可以计算出1（1指最低可接受的MTBF值）。（2）生产方风险率、使用方风险率的选择。一般情况下，供需双方签订的合同（包括协议书）已定的可按合同执行。如果合同无规定，或是生产厂家自行验证，一般情况下可选择0.20.3，高风险可选择

13、0.30.4。（3）试验时间t的选择。除与、有关外，主要取决于电子设备属于何种类型，该设备能否长时间进行可靠性试验，试验费用的大小，可在表2中最佳样机数与最大样机数之间进行选择（t=T/n，T为截尾时间）。测试周期的确定测试周期必须合理选择，周期太密，会增加工作量，周期太疏又会失掉有用的信息。可按下列公式计算，然后确定：其中： t规定的试验时间； r相关失效数；n抽样数； MTBF。测试时间太长，可确定1天测1次，及时发现产品失效并做好记录。失效判据（失效标准）的制定所谓失效，即产品丧失规定的功能。因此，凡是在试验过程中不满足电子设备技术性能的任一项指标，应作为失效判据，此判据必须由可靠性工程

14、师负责，召集设计、工艺、检验等方面技术人员讨论，统一思想，最后制定。结果分析可靠性试验的数据分析方法可靠性试验的数据分析的基础就是产品寿命分布函数及参量之间的关系。例如故障与应力（电、热、振动、温度等）的对应关系；故障与产品早期性能变化的规律等，这些包含有两个变量的数据，在分析时就可用相关及回归分析方法，或用最小二乘法，从试验中取得的数据，可以制成各种图，如直方图，拆线图等，拟合成直线、曲线用以确定产品故障（寿命）的数学模型，由模型就可写出其可靠性指标，最后推算出该产品的可靠性参数值。电子设备的故障模式（寿命分布）可以用指数分布的数学模型来描述，所以（小时），我们通过试验，只要取得MTBF的估

15、计值（观测值），就可算出失效率及可靠度R(t)来。然后与设计过程中的预计值相比较，达到指标要求，试验停止，达不到则继续试验。电子设备可靠性试验数据的处理可靠性试验的数据是一些实际的、多因素的信息集体，对于电子设备来说，试验的目的不同，所需采集的数据种类就不同，因此要用试验的观测值来估计设备的可靠性特征值，这是电子设备可靠性试验数据处理的关键。我们知道MTBF是衡量电子产品可靠性的一个重要指标，并且检验下限应等于电子设备最低可接受的MTBF。实际工作中常采用观测值的点估计即：式中，为MTBF（电子设备）观测点估计值；T为电子设备试验时间总和；r为电子设备在试验中的故障次数。还有一种故障强度点估计

16、，当r0（有故障发生时）：当r=0(试验过程中未发生故障)：式中，为电子设备失效率点估计值；为电子设备MTBF的点估计值；T为电子设备试验时间总和；r为故障次数。利用点估计的方法可以大致估算出电子设备MTBF。这是些经验公式，可以为验证设计可靠性进行可靠性试验，以实现快捷处理试验数据。附录可靠性 reliablity设备在规定条件和规定时间内，完成规定功能的能力可靠度 reliability设备在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。可靠性设计 reliability design为满足设备可靠性要求而进行的设计。可靠性试验 reliability test为获得设备可靠性信息所进行的试验故障 failure，fault设备不能完成规定的功能的事件或状态，包括：