产品可靠度MTBF原理

1、mtbf&產品可靠度驗證產品可靠度驗證 編寫: 劉法芝 date:sep.03.2004随着电子技术的发展,对电子设备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义的. 一一. .可靠度的基本概念可靠度的基本概念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

2、同的,可靠性的基本概念与时间有关,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,威布尔分布,对数正态分布和正态分布. 二二. .可靠性試驗的特點和分類可靠性試驗的特點和分類 电子设备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

3、件试验，一般说电子设备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.对于不同的电子设备，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来说是一个系统工程，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。 三三.mtbf術語術語mtbf:即平均无故障时间英文全称:mean time between failure定義:衡量一个产品（尤其是电器产品）的可

4、靠性指标,单 位为“小时”.它反映了产品的时间质量,是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力.具体来说,是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间 隔,它仅适用于可维修产品,同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为mtbf ,例如：磁盘阵列产品一般mtbf不能低于50000小时。 四四. mtbf測試原理測試原理1. 1.加速壽命試驗加速壽命試驗 (accelerated life testing)(accelerated life testing) 1.1 執行壽命試驗的目的在於評估產品在既定環境下之使用 壽命. 1.2 常規試驗耗時較久,且需投入大量的金錢,而產

5、品可靠度 資訊又不能及時獲得並加以改善. 1.3 可在實驗室裡以加速壽命試驗的方法,在可接受的試驗時 間裡評估產品的使用壽命. 1.4 是在物理與時間上,加速產品的劣化肇因,以較短的時間 試驗來推定產品在正常使用狀態的壽命或失效率.但基本 條件是不能破壞原有設計特性. 1.5 一般情況下, 加速壽命試驗考慮的三個要素是環境應 力,試驗樣本數和試驗時間. 1.6 一般電子和資訊業的零件可靠度模式及加速模式幾乎 都可以從美軍規範或相關文獻查得,也可自行試驗分析, 獲得其數學經驗公式. 1.7 如果溫度是產品唯一的加速因素,則可採用阿氏模型 (arrhenius model),此模式最為常用. 1.

6、8 引進溫度以外的應力,如濕度,電壓,機械應力等,則為 愛玲模型(eyring model),此種模式適用的產品包括電燈, 液晶顯示元件,電容器等.1.9 反乘冪法則(inverse power law)適用於金屬和非金屬材 料,如軸承和電子裝備等.1.10 復合模式(combination model)適用於同時考慮溫度 與電壓作為環境應力的電子材料(如電容如下式為電 解電容器壽命計算公式)1.11 一般情況下,主動電子零件完全適用阿氏模型,而電子 和資訊類成品也可適用阿氏模型,原因是成品類的失 效模式是由大部分主動式電子零件所構成.因此,阿氏 模型廣泛應用於電子,資訊行業.2. 2. 阿氏

7、模型的加速因子阿氏模型的加速因子 2.1 阿氏模型起源於瑞典物理化學家svandte arrhenius 1887 年提出的阿氏反應方程式. r: :反應速度 speed of reaction a:溫度常數 a unknown non-thermal constant ea:活化能 activation energy (ev) k:boltzmann常數,等於8.623*10-5 ev/0k. t:為絕對溫度(kelvin) 2.2 加速因子 加速因子即為產品在使用條件下的壽命(luse)和高測試應 力條件下(laccelerated)的壽命的比值. 如果產品壽命適用於阿氏模型,則其加速因子

8、為:af=eea/k(1/ts-1/tu) ts:室溫+常數273 tu:高溫+常數273 k: :boltzmann常數,等於8.623*10-5 ev/0k. 2.3 加速因子中活化能ea的計算 2.3.1 一般電子產品在早夭期失效之ea為0.20.6ev,正 常有用期失效之ea趨近於1.0ev;衰老期失效之ea 大於1.0ev. 2.3.2 根據 hp 可靠度工程部(cre)的測試規範,ea是機 台所有零件ea的平均值.如果新機種的ea無法計 算,可以將ea設為0.67ev,做常數處理. 2.3.3 但是,dell和motorola機種的ea因客戶有特殊要求 須設為0.6ev. 2.3.

9、4 如按機臺所有零件ea的平均值來計算,則可按以 以例證參考進行.注注:對各類電子零部件其對各類電子零部件其ev值可按上述參考值進行計算值可按上述參考值進行計算 五五. mtbf推算方法推算方法 1. 由mtbf定義可知,规定产品在总的使用阶段累计工作 时间与故障次数的比值为mtbf, 指數(exponential)分布 是可靠度統計分析中使用最普遍的機率分布.指數分布 之mtbf數值為失效率的倒數,故一旦知道值,即可 由可靠度函數估算產品的可靠度. mtbf= total operating(hrs)/total failures 2. mtbf的估計值符合卡方分配原理, 其語法為: chi

10、inv(probability,degrees_freedom)或2x(probability,degrees_freedom) 故有以下公式:mtbftrlower222212(,)mtbftrupper22212(,)t= total hoursr=number of failures =confidence interval注: if there are no failures then:(如果未有不良發生) mtbflower = t/-ln(confidence interval) 六六.dmtbf计算计算dmtbf:平均无故障时间验证英文:demonstration mean ti

11、me between failures 计算方法:以温度为加速寿命试验且采用阿氏加速寿命模式 (arrhenius model) 计算公式duration =(mtbfduration =(mtbfspecspec/2)/2)* * gem gemfactorfactor/(dc/(dc* *sample sizesample size* *afafpowrpowr* *af)af) duration:持續測試時間 mtbfspec:平均无故障时间 gemfactor: general exponential model綜合指數 dc: duty cycle占空比 sample size:樣本

12、數 afpower:加速系數 af:加速因子1. duration:持續測試時間 即一個單位或幾個單位的樣品在進行壽命試驗時總的需 要測試的時間2. gemfactor: general exponential model綜合指數 此指數一般取常數,其取值標準為按照confidence level進 行取值,常用的值為80%信心水準取3.22;而90%信心水準 時取2.3026.(華億現行標準均采用80%信心水準)3. dc: duty cycle占空比 即在機臺進行開關運行過程中,運行時間占總時間的百 分比.(如45min on/15min off則其dc值即為: 45min/(45min+

13、15min)=0.754. sample size:樣本數 根據實際狀況確認的作壽命試驗的機臺數5. mtbfspec:平均无故障时间 規格書上訂明的機臺mtbf時間數6. afpower:加速系數 即在機臺進行開關運行過程中,1小時時間和一個cycle的 on和off時間之和的比值,如: 機臺選擇25min on/5min off則afpower值為: afpower=60min/(25+5)min=27. af:加速因子,產品在使用條件下的壽命(luse)和高測試應 力條件下(laccelerated)的壽命的比值(見2.2所述) 七七.進行可靠性試驗時時間和取樣數的變異技巧進行可靠性試驗

14、時時間和取樣數的變異技巧 在進行機種可靠性驗證計劃時,如算得的實驗時數過長,可 以以增加驗證機臺數量按比例來減少壽命測試的時間的 修正方法,如: 在進行可靠性計劃時如果算得的1個單位的機臺其壽命測 試時間為1280hrs,則可以增加實驗機臺數,如使用10個單 位的機臺進行測試,而1個單位的總測試時間可平均分配 至10個單位的機臺上,即1280hrs/10=128hrs或7 days 八八.實例實例1.根據客訴根據客訴/退不良計算量產機種退不良計算量產機種mtbf:70899*435*24total hours/total failures2. 2.根據根據spec mtbfspec mtbf計算可靠性驗證時數和取樣數計算可靠性驗證時數和取樣數(ea(ea值