可靠性设计与试验课件

1、第十二章 可靠性设计与试验 12.1 概论12.2 元器件的筛选12.3.电子产品的可靠性预计12.4 降额设计12.5 漂移失效（marginal failure）的设计12.6 机械可靠性概率设计:干涉理论12.7可靠性试验第1页，共46页。12.1 概论在高费用及通货膨胀时代，获得有效的备用系统的关键是：在最低费用的基础上得到性能，可靠性及系统其它参数之间的折衷平衡。它们之间有一定的矛盾，这就要求设计人员能够掌握更新的设计方法，以较快的周期更新产品，设计人员必须使用户在产品的性能，可靠性，维修性及费用几个方面达到可接受的平衡关系。在确定了可靠性，维修性，费用，性能的设计指标以后求解它们的

2、最优方案。 第2页，共46页。可靠性设计内容最大限度地提高固有可靠性，其中包括：原件的选择与管理，降额设计，参数设计与漂移设计，环境防护，贮备设计，设计的简化与分析，这些措施都有利于提高系统的固有可靠性。设计中考虑降低生产与使用过程中可靠性的退化问题，进行退化分析，维修设计措施，包括早期故障的判断，故障分析等。制定元件的筛选或老练方案，可靠性试验。元件选择及管理有以下几个内容： 确定完成所需功能元件类型及预期的工作环境。 确定元件的临界值，（额定值）,如果超过这个值有可能失效而 出现危险情况等， 确定元件的质量等级。可靠性分配与优化设计，重要度分析也是设计中的重要任务。费用设计，费用的估计和分

3、配技术。可靠性分配与优化可靠性审查与评估储备设计方法第3页，共46页。12.2 元器件的筛选可靠性筛选的目的是尽快地缩短早期失效期并把失效率降低到可接受水平上。利用加速或增加应力条件温度可以加快筛选速度，表明同一种产品在不同条件下失效率不是相同的，因此在进行可靠性试验时就可以提高应力条件，使早期失效在较短的时间内剔除。 第4页，共46页。可靠性筛选的特点可靠性筛选只能剔除一批元件中早期失效元件，而不能提高产品的可靠性的固有数值。例如工艺上的缺陷，设计上的问题无法从筛选中排除，还氧树脂龟裂就是一例。经过筛选后的元件要求不产生失效机理和失效分布的变化，它是一种非破坏性试验。可靠性筛选是对100元件

4、进行试验，不是抽样试验。第5页，共46页。筛选分类检查筛选：显微镜检查,红外线非破坏检查,X射线非破坏检查密封性筛选：很多元器件是在密封条件才能正常，检查漏气是十分重要的一项提高可靠性的措施，如氦检或效射性检漏。环境应力筛选：振动加速度筛选,冲击加速度筛选,离心加速度筛选 20000g100000g加速度,温度冲击筛选 （40C85C冲击锗器件）（55C125C冲击硅器件）寿命储存筛选:（i）高温储存筛选,（ii）功率老化筛选第6页，共46页。应 力 筛 选 第7页，共46页。例如某厂半导体3DG32加300毫瓦功率进行摸底试验，得到试验时间与失效率的数据如表第8页，共46页。筛选中的PDA值

5、控制技术 PDA是Percent Defective Allowable的缩写。意为“批允许不合格率”。PDA不是试验方法，而是一种试验控制技术。PDA技术的引入使筛选的作用有一个质的飞跃。在引入前，筛选只是100%的“过筛”，不合格的全“筛”下去，合格的当然都将会使用，但这些合格器件的失效率仍是个未知数。PDA技术能部分解决这个问题。应用它能分辨出某批电路将来使用时失效率将较低，而某批电路“过筛”后的“合格”品失效率仍高，仍然必须整批报废。 第9页，共46页。PDA技术可简述 事先确定PDA的控制值，如质量S级的产品，PDA的控制值选3%，质量B级选5%等。经规定的试验筛选后，有失效数为r，

6、投入试验的产品数N，则定义批缺陷率P=r/N将P与PDA值比较，如P值大，则该批拒收。如P值不大，则通过该试验。P值直接反映试验前该批产品的可靠性水平，即当P值增加，产品可靠性急剧下降。 第10页，共46页。例12-1：设， ， 小时，从100个元件中，其中次品有10个，求达到系统 小时和0.0012小时的筛选时间。第11页，共46页。12.3.电子产品的可靠性预计产品的可靠性预计是在产品定型过程中，从元器件的可靠性参数，经过试验结果与理论的分析计算，对产品可能达到的可靠性水平进行一种预测过程。 产品可靠性预计的目的是为了落实产品定量化的可靠性指标，为使产品达到规定的可靠性要求，并为今后改进产

7、品的可靠性提供理论的基础。 第12页，共46页。可靠性预计的目的 1、定量地给出产品的可靠性预计指标；2、通过预计了解产品的各元器件之间的可 靠性关系，并为改进和提高产品的可靠 性提供依据；3、找出产品中的薄弱环节，为改进产品可 靠性提供措施；4、通过可靠性预计与分配，节约开发费 用；第13页，共46页。可靠性预计的计数法第14页，共46页。表12-1 半导体分立器件通用质量系数第15页，共46页。可靠性预计的应力法第16页，共46页。基本失效率的数学模型第17页，共46页。例12.2：金属膜电阻，额定功率0.25W，20k，质量等级 ，环境温度50C，耗散功率0.1W，第18页，共46页。例

8、12.3：固体钽电解电容器，质量等级 ，额定工作电压40v(直流)，额定电容量15 ，工作电压16v(直流)，环境温度70C，电容与电源之间回路电阻80第19页，共46页。应用实例第20页，共46页。正电源电路元器件清单 第21页，共46页。第22页，共46页。12.4 降额设计通过设计有目的地降低元器件工作时实际承受的应力，以降低元器件的工作失效率。其设计的依据是：GJB/Z35-93。降额的基本参数各个不同工程领域不完全相同，一般大家熟悉的有这样一些参数：电压，电流，功率，转矩，速度，湿度，温度等。 第23页，共46页。降 额 设 计第24页，共46页。国产可控硅的降额因子 第25页，共4

9、6页。漂移失效在可靠性的研究中，大多数失效是指突发性失效，这种失效是偶然性的，服从某种随机的规律，但许多产品的失效除了突发性的以外还有随时间的积累而产生的一种漂移性的参数改变。这种软故障到达一定的程度以后不能满足确定功能要求，实际上也判为失效或故障，现在从失效的观点来研究漂移失效。电路的漂移分析，或有时叫容差分析，主要是应用于关键电路。由于某个变量超过界限值而引起的失效就叫界限失效。如果这种界限，随时间慢慢的漂移最终超过界限值，这种场合称之为漂移失效，又称退化失效。第26页，共46页。12.5 漂移失效（marginal failure）的设计第27页，共46页。灵敏度与方差系数 第28页，共

10、46页。例12.4 一个LC调谐回路，其中的电感为50微亨误差10%，电容为30微微法误差5%，设频率漂移的最大允许值200Hz，求原设计的电感和电容能否满足上述频率漂移要求，如果不满足，应如何提高元器件的精度？第29页，共46页。机械可靠性 机械部件的失败一般不完全遵守指数分布规律，从实验数据分析，有些机械部件的寿命采用威布尔分布形式，磨损失效是影响机械零件及设备可靠性的主要因素，例如由于润滑不好，配对材料质量欠佳，密封泄漏，高速或高温条件润滑情况恶化等原因，引起零件的磨损、擦伤和胶合等不同的失效模式，尽管可靠性理论在机械部件中的研究近十年来已有进展，但是不同的部件或者环境的作用影响很大，磨

11、损耗量随时间增长，其离散性越来越大，分布参数也有较大的不确定性，因此机械部件的可靠性理论有待进一步深入研究。一种用于强度研究的概率论分析受到广泛的应用，由于模型中考虑到强度与应力分布之间的干涉关系，所以这种理论又称干涉理论。第30页，共46页。12.6 机械可靠性概率设计:干涉理论第31页，共46页。第32页，共46页。第33页，共46页。例12.5 设计一拉杆，已知作用于杆的拉力载荷 kgf，拉杆材料为低合金钢，其强度极限 kgf/mm2，标准偏差kgf/mm2，求可靠度为0.999时拉杆的截面半径。第34页，共46页。例12.3由实验数据的统计知道，零件（浮动花键轴）在工作到小时 时，磨损

12、量的平均值为 微米， 微米，设计上允许零件的磨损量为 微米，试问达到工作时间t的零件耐磨可靠度？第35页，共46页。12.7可靠性试验 12.7.1 引言为了了解各种外界因素的影响量（应力）对产品可靠性和环境适应性的作用，需要进行可靠性试验,可靠性试验是评价和分析产品可靠性的基本工作环节。 通过可靠性试验可以确定电子产品在各种环境条件下工作或贮存时的可靠性特征量，为设计、生产、使用提供有用的数据；也可以充分暴露产品的设计、制造等方面所存在的问题。 现场试验是最客观最有意义的试验，但这不是一件容易的事，往往需要很长的试验时间，而且要有准确的现场可靠性使用数据报告， 可靠性试验是生产高可靠性产品的

13、重要环节。 第36页，共46页。可靠性试验分类 可靠性试验的种类较多，按试验性质分，有破坏性试验和非破坏性试验，按可靠性试验目的分，有筛选试验、摸底试验、鉴定试验，验证试验，批量保证试验和交收试验等； 按可靠性试验项目可以分为：寿命试验，使用条件试验，环境试验和特殊试验等。 第37页，共46页。第38页，共46页。加速寿命试验 第39页，共46页。环境试验 环境大致可分为四大类： （1）工业环境：腐蚀性介质：如二氧化硫（），二氧化碳（），硫化氢（）气体，腐蚀性液体及腐蚀性粉尘等；高温与低温：如冶炼厂的高温、冷炼厂的低温；高气压与低气压：如氨（）管道的高气压，真空中的低气压固体性粉尘：如磨损性粉

14、尘、导电性粉尘及可燃性粉尘等。（2）自然环境：自然环境分为气候环境、机械环境、生物环境、辐射环境及电环境等。（3）人为环境：人为环境有使用、维护、包装及贮存等。（4）特殊使用环境：第40页，共46页。环境试验的种类 （1）现场使用试验（2）天然暴露试验 （3）人工模拟试验人工模拟试验是一种在短期内观察产品所能承受的应力有多大的试验。常用的有低温试验、高温试验、湿度冲击试验、湿度循环试验、潮湿试验、盐雾试验、尘砂试验、振动试验、碰撞试验、冲击试验、离心加速度试验、爆炸试验、声振试验等。我国四机部对电子元器件的基本环境技术要求等级和试验方法都有标准。 第41页，共46页。可靠性寿命试验 产品的可靠

15、性试验在规定的环境条件、工作条件和维修保养条件下的寿命试验。 寿命试验是分析产品寿命特征和失效规律的试验。通过这种试验可以了解产品寿命统计规律的特征量（如失效率、平均寿命等），以便作为可靠性预测、可靠性设计、制定筛选条件，改进产品质量的依据。一般地说，可靠性试验通常指寿命试验。 1） 加速试验 2） 长期寿命试验第42页，共46页。寿命试验方案 四种试验方案序贯截尾试验 定时截尾试验 定数截尾试验 逐次结尾试验法(适合现场试验) 第43页，共46页。电子产品的可靠性设计鉴定及验收（指数分布） 可靠性鉴定和验收试验主要考核两个方面 1.可靠性测定试验（Reliability determination test） 为确定产品的可靠性特征量的数值（如：MTBF、等）而进行的试验。如可靠性摸底试验等。2.可靠性合格试验（Reliability compliance test）为确定产品可靠性特征量是否符合所要求的水平进行的试验。它包括：（1）可靠性鉴定试验（Reliability compliance test）是为了验证产品的设计能否符合所要求的水平而进行的试