可靠性基础教程

可靠性基础讲解

质量和可靠性质量可靠性可靠性概念可靠性定义产品规定的条件规定的时间规定的功能可靠性基本术语故障应力MTBF失效率维修性可靠性测试可靠性测试目的可靠性测试HALT&HASS&ORT

目录可靠性增长MTBF设计目标值可靠性模型可靠性分配可靠性设计降额设计冗余设计热设计EMC设计田口设计可靠性常见分布指数分布威布尔分布对数正态分布MTBF计算及评估

质量和可靠性-1质量：满足或超越客户的需求和期待值。QualityofManagementQualityofProcessesQualityofProducts&Services

质量和可靠性-2可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。DesignQualitySupplierQualityMfgQualityProductQualityInfrastructureQualityReliability*Mfg=Manufacturing

可靠性概念可靠性定义产品

指零件，元器件，部件，设备或系统。规定的条件

工作条件：电压，负载，使用方法，维修方法，输出功率等。环境条件：温度，湿度，压力，振动，冲击，电场，磁场，电磁场等。储存条件：运输，保管等。

规定的时间指产品的生命周期（如交换机寿命20年，手机寿命5年，手机划盖工作寿命6万次，汽车寿命30万公里等）规定的功能

指产品标准或产品技术条件中所规定的各项技术性能（技术指标）。可靠度

（电子产品服从指数分布）R=e-t

可靠性概念可靠性基本术语故障

指产品不能执行规定功能的状态。（故障分类–GB/T3187-94）应力–外界各种环境对产品的破坏力

气候应力：高温，低温，潮湿，干燥，气压，日光，盐雾等。机械应力：跌落，振动，冲击，离心加速度等。生物及化学环境应力：昆虫，霉菌，工业大气，化学溶剂等。电气应力：电压，电流，静电，电磁场，射线等。

MTBF（MeanTimeBetweenFailures）指产品相邻两次故障之间的平均工作时间-平均故障间隔（可维修）。失效率

指产品在t时刻失效的可能性，是失效间隔时间的倒数

维修性在规定条件下并按规定程序和手段实施维修，产品在规定使用条件下保持或恢复执行规定功能状态的能力。lMTBF1=l

可靠性测试可靠性测试目的研发阶段：对试样进行可靠性测试，找出产品在原材料，结构，工艺，环境适应性等方面所存在的问题，而加以改进，经过反复试验与改进就能提高产品的可靠性指标。中试阶段：当新产品定型后，根据产品技术条件进行鉴定试验，以便全面考核产品是否达到规定的可靠性指标。生产过程中：监控产品质量的稳定程度（监控原材料质量变差或性能下降和工艺流程失控）。目的总结通过试验发现产品潜在失效模式(FailureMode)

探求失效机理(FailureMechanism)

优化研发设计，工艺流程(Optimizedesignandprocess)

监控原材料，工艺流程的改变(Monitorrawmaterialandprocess)

可靠性测试可靠性测试类型高温运行和贮存（IEC60068-2-2)高温运行（研发）：Tmax–产品技术条件温度上限高温贮存（研发）：一般取Tmax+20℃低温运行和贮存(IEC60068-2-1)低温运行（研发）：Tmin–产品技术条件温度下限低温贮存（研发）：

一般为-40℃温度冲击(ThermalShockTest)

在-40℃下保持1h，在30秒内温度切换到Tmax+20℃下保持1h，一般共做24个循环交变湿热(IEC60068-2-30)

一般高温（55℃）低湿（93%），低温（25℃）高湿（98%）循环6次，每个循环24小时湿度控制在5%左右

可靠性测试可靠性测试盐雾实验浓度为5%的NaCl溶液，时间24小时交变盐雾测试参考IEC60068-2-38,IEC60068-2-14,IEC60068-2-67,IEC60068-2-11,IEC60068-2-3,IEC60068-2-30淋雨实验考查产品的密封性（流量：10L/min；距离：~0.5米；时间：5分钟；10分钟或明或20分钟）耐化学品实验耐醇性测试：无水酒精（>99.5%），棉签，砝码，搽拭循环耐KOH,H2S,SO2耐化妆品测试：凡士林护手霜耐手汗测试（氨水1.07%;氯化钠0.48%;水98.45%）

可靠性测试可靠性测试冷启动实验产品在低温下保持0.5~2小时，然后开机，产品应能正常工作以上过程重复3次以上开关电实验在高温，低温和湿热条件下各开关电3次以上，重复10次以上附着力实验用刀片在测试样本表面划10*10个1mm*1mm小网格，用3M胶纸粘在测试小格上，并用橡皮擦用力擦拭胶带，用手抓住胶带一端在垂直方向（90°）迅速扯下胶带，重复2次振动实验工作状态：IEC60068-2-6运输状态：IEC60068-2-64

可靠性测试可靠性测试跌落实验(FreeFallTestandRandomFreeFallTest)六面八角十二棱测试条件按照美国军标MIL-STD-810EMC（ElectricMagneticCapability）EMI–ElectricMagneticInterference电磁干扰

（GB9254）EMS–ElectricMagneticSusceptibility电磁敏感性

（GB/T17626）

其他实验

......

可靠性测试

HALT&HASS&ORTHALT–HighlyAcceleratedLifeTest高加速寿命试验

–（用在研发阶段）HALT施加的应力以递增的形式变化，激发产品设计中潜伏的各种缺陷，直到产品的破坏极限HALT试验是在超出规范极限以外进行，具有很高的效率在HALT试验中出现的潜在失效模式是在实际现场所出现的HALT的目的是查明和排除设计的薄弱环节，评估产品可靠性，不评估因制造引起的失效为HASS试验的应力类型和应力量级选择提供依据HALT试验过程：试验–修正–再试验–修正–再试验-...试验：温度应力-高速温度传导-随机振动-温度与振动合并应力（有时候会加入电压循环应力）

可靠性测试

HALT&HASS&ORTHASS–HighlyAcceleratedStressScreen高加速应力筛选-（用在生产制造量产阶段）目的是在极短的时间内发现量产成品是否有工艺品质上的不良存在将HALT合并应力中的高、低温度的可操作界限缩小20%振动条件则以HALT破坏界限G值的50%为基准

ORT–OngoingReliabilityTest可靠性测试（用于大量生产制造阶段）监控生产制程和来料的质量稳定性HALT和HASS需试验设备：液氮快速制冷箱，气动式三轴六自由度振动台，多应力综合试验系统（可选）

可靠性增长

MTBF设计目标值为了使产品的MTBF达到一定的最基本的要求，在设计阶段所定目标值最小是实现使用要求值的4倍（一般5~10倍）可靠性模型可靠性方框图和可靠性数学模型产品典型可靠性模型有串联和并联模型可靠性分配等分配法（将MTBF均分到各个模块）评分分配法（根据QFD来分配各部件MTBF）注：QFD–QualityFunctionalDeployment

（质量功能展开）

可靠性设计降额设计指构成电子设备的元器件使用中所承受的应力（电应力和温度应力）低于元器件本身的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命，提高可靠性。降额降得太多，选用元器件在性能就应该越好，成本也就越高，所以须综合考虑另外有些元器件不可以降额使用尤其是低质量元件

*如聚苯乙烯电容器，降额太大易产生低电平失效*降额通用标准《元器件降额准则一览表》

可靠性设计冗余设计冗余设计技术简而言之就是用一台（套）或多台（套）相同单元（系统）构成并联（可采用热备冗余、温备冗余、冷备冗余等方式），当其中的一套单元发生故障时，系统仍能正常工作的设计技术。冗余设计会增加系统的体积和成本只需要选取可靠性薄弱环节或对执行任务及安全性影响至关重要的单元进行此类设计如果提高单元的元器件可靠性可以与进行冗余设计有相同可靠性水平，那就选用高可靠性元器件尤其对长期工作的通讯产品

可靠性设计热设计目的：避免产品在过高温度下工作，避免参数漂移，保持电气性能稳定，提升产品可靠性，延长使用寿命电子设备中热设计必须满足两个条件；把系统和元器件的温度限定在一定的范围内；尽量使系统各点间的温差最小热设计包括散热设计技术和致冷设计技术常用技术：传导，自然对流，辐射，热敏器件远离热源或屏蔽，增加表面黑度提高辐射换热能力，导热管，避免热风回流（进气口和排气口有足够距离），强迫通风和自然通风方向一致等

可靠性设计

EMC设计EMC–ElectricMagneticCompatibilityEMI–ElectricMagneticInterferenceEMS–ElectricMagneticSusceptivity

EMC三要素干扰源敏感设备传播途径设计方法静电放电防护（屏蔽结构，单点接地等）屏蔽接地滤波内部设计（PCB板）

可靠性设计田口设计（三次设计）田口设计三阶段系统设计（提出初始设计方案）TRIZ(TheoryofInventiveProblemSolving)发明问题的解决理论DFMEA(DesignFailureModeandEffectAnalysis)参数设计（寻求参数的最佳搭配，提高可靠性）静态参数设计（DOE–DesignofExperiment）能满足使用环境条件的最低质量等级的元件和性价比高的加工精度来进行设计容差设计（对关键器件以合适的公差范围）望目质量损失函数望小质量损失函数望大质量损失函数贡献率法（单因素和多因素）

可靠性常见分布指数分布（正向倾斜分布）产品首次发生故障的时间或发生故障后需维修时间服从方程500400300200100020100指数FrequencyR=e-t

可靠性常见分布

Weibull

分布（威布尔分布）威布尔分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具有递增的失效率，所以，将它作为材料或零件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强度模型是合适的。方程：

可靠性常见分布对数正态分布(LognormalDistribution)对数正态分布主要要用来描述圆柱螺旋弹簧、轴向受载螺栓、齿轮的接触疲劳及弯曲疲劳、轴以及钢、铝合金等的疲劳寿命分布

方程：

010020030001020FrequencyLog正态

MTBF计算及评估基于MTBF的测试（例子）要求在90%CI下MTBF为20000小时如何判定可靠性是否达到规定要求？测试时间T=A*MTBF=20000A;A=0.5*CHIINV(Excel);CHIINV=X2(1-a,2(r+1));a=90%;r=1(失效数);A=3.89;T=20000*3.89=77800h样品定为10