第五章可靠性工程

工程导论第一页，共三十三页。

第五章可靠性工程

第二页，共三十三页。目录5.1可靠性与可靠性工程概述5.2常用的可靠性指标5.3可靠性预测5.4可靠性试验5.5产品的可靠性设计5.6可靠性管理第三页，共三十三页。5.1可靠性与可靠性工程概述可靠性是指产品在规定的时间和条件下，完成规定功能的能力,是反映产品质量的重要指标。规定的条件：产品所处的环境条件(包括温度、湿度、气压、振动、冲击、介质、载荷等)、维护条件、操作或使用条件、应力条件和贮存条件。规定的时间：产品保持规定的质量和性能的时间期限。规定的功能：达到产品设计时规定的性能指标，不发生故障。第四页，共三十三页。5.1可靠性与可靠性工程概述可靠性工程就是提高产品质量和可靠性，降低硬件生产故障率和市场失效率的系统工程，其目的是对产品的可靠性进行定量控制。可靠性技术与系统工程、安全工程、质量管理、价值工程、工程心理学、环境工程等都有十分密切的关系，所以，可靠性工程是一门综合性较强的工作技术。第五页，共三十三页。5.2常用的可靠性指标5.2.1可靠度

产品在规定的时间内、规定的条件下完成规定功能的成功概率，就是产品的可靠度，可靠度与时间有关，用R(t)表示。

一电子产品的可靠度R(480)=0.96，即多次抽取一定数量的样品(如100台)，在规定条件下连续运行480小时后，有96％(即96台)的电子产品仍能按照规定功能工作。

抽取样品的数量越大，所获得的产品可靠度的准确性就越高。

可靠度可用以下公式表示：式中λ(t)——失效率。因此，可靠度也反映了故障发生的概率。第六页，共三十三页。5.2常用的可靠性指标5.2.2失效率

失效率λ(t)是指产品在工作了规定的时间t后，在单位时间内发生失效的概率，也称故障率。

上式中，运行时间的单位一般为小时(h)。对于失效率很小的产品，失效率λ(t)的单位一般采用非特(Fit)表示，1Fit=(1xl0-9)h。失效率λ(t)为1Fit，表示一百万个零件运用1000小时或10亿个零件运用l小时，只允许有百万分之一个产品失效。第七页，共三十三页。5.2常用的可靠性指标5.2.2失效率失效率随着产品的工作时间增长而变动，一般分为三个阶段:1．早期失效期由许多零件或元器件组成的产品，在刚开始工作时有相对较高的故障率，随着时间的增长，这个故障率会明显减少且趋于一个稳定值。产品出现早期故障的主要原因是设计或制造缺陷、安装错误、调试不仔细等。早期故障通常在产品出厂前的老炼期或跑合期就会暴露出来。2．偶然失效期这期间产品的故障率较低且稳定，近似为一个常数。失效多是由于一些难以确定、不可预测的原因所引起的，如环境的应力限、电压过高等。对于设计合理、制造质量合格的产品，这一时期的故障很少。通常产品的可靠性指标的确定就是在这一时期。3．耗损失效期这一期间产品的故障率随时间的增加而明显增加，故障的原因一般为组成产品的元器件大量损坏，如腐蚀、氧化、老化、磨损、疲劳、维护保养不当等。这一时期又称为产品的衰老期，预示产品寿命将尽。第八页，共三十三页。5.2常用的可靠性指标5.2.2失效率——浴盆曲线

浴盆曲线是典型的不可修复产品的失效率的变化曲线。产品在使用初期，由于本身的缺陷失效率比较大，而随时间的延长，失效可能性趋于稳定，到一定时间之后，失效率又开始增大。早期失效期相当于幼儿死亡期；偶然失效期相当于青壮年死亡期；耗损失效期相当于老年死亡期。第九页，共三十三页。5.3可靠性预测利用积累的(用户、工厂、实验室的)可靠性数据，综合元器件的失效数据，较为迅速地预测出产品可靠性的大致指标。1．可靠性预测的目的①在产品的不同设计阶段均预估其可靠性水平，发现并解决存在的问题，来提高设备的可靠性。②通过预测，找出提高产品可靠度、维修度的关键因素。2．可靠性预测的主要方法

①预测偶然失效的失效率(或MTBF)。

②预测耗损失效，可通过统计方法进行。

③预测维修性。

④失效模式、影响和致命度分析(DMECA)。第十页，共三十三页。5.4可靠性实验5.4.1可靠性实验的目的检验、分析、评定产品的可靠性水平，暴露和分析影响产品可靠性的因素，研究产品的失效规律。5.4.2可靠性实验的分类1．按试验内容分类

①气候环境试验：高温、低温、温度变化、湿热、辐射、气压、沙尘试验等。

②机械环境试验：振动、冲击、摇摆、碰撞、倾倒、跌落试验等。

③电磁环境试验：传导干扰、辐射干扰试验等。2．按试验场所分类

①现场试验：在实际的使用场所进行的试验。

②模拟试验：模拟环境中试验产品的固有可靠度。3．按样品破坏情况分类

①破坏性试验：试验要进行到样品最终被破坏或失效为止。

②非破坏性试验：正常的工作试验、性能试验、存放试验等。第十一页，共三十三页。5.4可靠性实验5.4.2可靠性实验的分类4．按试验应力分类①常规试验：在类似或接近实际使用条件下进行的试验。②加速试验：为了缩短试验时间，在不改变受试样品失效模式、机理和失效分布类型的情况下，增大应力或加载频率的试验。例如，针对集成电路同时增大温度、相对湿度和电压，加速试验的应力。5．按试验样本大小分类①全数试验：将本批次产品百分之百进行试验。②抽样试验：在批次产品中按照规定比例进行抽样，将抽中的样品投入试验。第十二页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计可靠性设计决定了产品的可靠性极限水平，对产品质量有决定意义。产品的制造是保障这一水平的实现。产品的使用只能维持这一水平。产品内部许多元器件的损坏并不是元器件本身的质量问题，而是产品设计不合理造成的。产品的可靠性主要取决于各子系统和元器件的可靠性及其合理的布局和使用条件。为了确保最经济和有效地生产出可靠产品，除了要研究产品的技术要求、正确地确定影响产品运行的参数外，还必须对产品的成本、可靠性、性能、维修等各种因素进行全面权衡，以此作为产品设计的依据。第十三页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计明确产品的可靠性组成包括以下工作：①明确产品的可靠性要求，确定可靠性指标并进行可靠性分配。②确定可靠部件和危险部件，规定部件的负荷并要求安全地使用。③进行应力分析(采用概率分析方法)。④简单化、单元化、标准、插件式构造。⑤采用典型结构和典型电路，并充分利用过去的经验。⑥采用贮备设计法，修正误动作，并考虑是否采用备件。⑦预测可靠性、维修性，进行失效分析，以及失效模式、效应及危害度分析。⑧可靠性验证试验。⑨审查设计。对于环境影响，应考虑尽量减少振动、冲击、热、潮湿、灰尘、气体、日照、放射线、干扰效应等的影响。第十四页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计可靠性设计时应考虑的因素：①可靠性——安全寿命、安全裕度、安全性、安全系数。②维修性——抽检、修理、布线、装配方式、备件准备、互换性，修理人员技术水平、检修方式。③易操作——从人机工程学角度考虑减少人为失误，预防失误的设计，软件的可靠性。④功能和性能。⑤经济技术牲能——体积、重量、外观。第十五页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计可靠性设计的基本原则：

贯彻系统工程的观点，用系统工程的理论和方法进行设计、开发、管理与控制，使产品的质量、性能、可靠性等总体效果达到最优的目标。什么是系统工程?

系统工程研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用，以使系统能从总体上达到最优目标。第十六页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计电子产品的可靠性设计涉及电路、结构和工艺等。电子产品可靠性工程包含5个方面的内容：选型认证来保证物料的可靠性。合理的设计保证产品应用的可靠性。(可靠性预测、可靠性指标论证与分配、冗余设计、ESD防护设计、容差分析、热分析和设计、EMC设计、环境适应性设计、寿命与可维护性设计）。在加工维护过程中不损伤器件。在生产过程中，影响可靠性主要因素是ESD、MSD和焊点可靠性，相关技术较为成熟，有对应的国标。失效分析。通过对开发、测试、小批量试产阶段、用户现场的器件失效分析，找到失效的根本原因和改进措施，及时纠正和预防失效的发生。流程保障。选用可靠物料流程（物料选型、物料认证、供应商认证、供应商质量控制等）；产品开发中的可靠性设计流程。第十七页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计

1．简化设计方案在满足功能的前提下，尽量简化电路对提高可靠性是有益的。数字电路可利用建立在集合论及布尔代数基础上的一套逻辑电路简化法则对方案加以简化。简化设计原则：①将软件功能和硬件功能综合利用，充分发挥软件功能。②对高性能和高指标要综合考虑。③采用新技术要充分注意继承性。④采用新电路要注意标准化。⑤尽可能用数字电路取代线性电路。⑥尽可能用集成电路取代离散、分立元件电路。⑦对逻辑电路要进行简化设计。第十八页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计2．元器件的选用（1）选用元器件的一般原则①根据电路性能参数的要求选用元器件。②对所有可以使用的元器件的品种、规格、型号和生产厂家进行比较，拟出优选元器件清单。③尽量采用标准化的元器件，尽可能减少元器件的使用品种、规格，提高元器件的复用率。④除特殊情况外，应从一批元器件中挑选出可靠性较高的元器件，将存在明显缺陷或存在潜在缺陷的元器件淘汰。第十九页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计(2)电阻器的选用电阻器的主要技术指标：标称阻值、允许偏差、额定功率。通用电阻器技术指标可以满足一般设计要求，其额定功率为0.05w～2w，少数为5w～10w，标称阻值为1Ω～22Q，允许偏差为±5％、±10％、±20％三个等级。精密电阻器械具有较高的精度和稳定性，额定功率不超过2w，标称阻值为0.01Ω～20W~2，允许偏差范围为±2％～±0.001％。第二十页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计(3)电位器的选用电位器是一种阻值连续可调的元件。在选用电位器时，应特别注意其标称阻值、功率、电位器的行程、输出函数特性等技术性能指标。常用电位器的额定功率为0．025w～100w。标称阻值：碳膜式为470Q～4。7WO，线绕式为4．7Q～20kQ。精度：碳膜式为±20％、±10％、±5％；线绕式为±10％、±5％、±2％、±l％。环境温度为一55~C～+125。c。电位器用于电阻和电位调节，在实际选用时应注意各类电位器的特点，使用时应有所区别。第二十一页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计(4)电容器的选用电容器广泛用于隔直流、耦合、旁路、滤波、谐振回路调谐、能量转换、控制电路中的时延环节等。

在选用时，须注意电容器的容量、绝缘电阻、损耗、击穿电压、固有电感、比率特性、使用温度等技术性能指标。第二十二页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计(5)半导体器件的选用①在满足总技术指标的前提下，尽量选用硅半导体器件，不选用锗半导体器件。②在满足单元电路性能的前提下，尽量选用集成电路，不选用分立元器件。③在满足电路功能的前提下，尽量选用数字电路(优先选取大规模、中规模)，不选用模拟电路，以利于整机向体积小、重量轻、集成化、数字化、高可靠性。(6)集成电路的选用应了解集成电路的最大值范围，实际使用时不得超过所规定的最大值范围。第二十三页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计3．降额设计降额就是使元器件在低于其额定值的应力条件下工作。合理的降额可以大幅度降低元器件的失效率。合格产品在各种应力的综合作用下才出现老化、失效。应力包括：时间、温度、湿度、腐蚀、机械应力(直接负荷、冲击、振动)、电应力(电压、电流、频率)等。当元器件的工作应力高于其额定应力时，失效率会增加；当元器件的工作应力低于额定应力时，失效率会降低。降额必须合理，降额不足或降额太大都会有危险。第二十四页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计4.容差设计综合平衡容差范围与质量成本之间的关系。元器件的公差造成电路系统参数出现误差或变化，这种误差或变化超过一定的限度，电路系统就会发生故障。可采取三种办法减少这种失效：更改电路设计，使电路允许元器件有较大的公差。采用低公差、高稳定性的元器件，但这会增加成本，制造困难。将元器件区别对待，对系统影响大的元器件采用低公差、高稳定性的，对系统影响不大的元器件则采用一般的。这种经济合理的办法就是容差设计。第二十五页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计

三次设计”①一次设计即系统设计(或功能设计)：确定电路拓扑结构和元器件参数的初始值，使之满足电路的功能要求。②二次设计即参数设计(或质量设计)：分析各种元器件参数的最优水平和最佳组合，寻找一组能使电路性能最优的参数搭配。③三次设计即容差设计(或裕度设计)：根据网络拓扑学的理论，利用计算机辅助网络分析，计算各个元器件的参数变化对电路参数的影响程度。对产品输出特性影响大的元器件，可采用高稳定、高性能但价格也较高的，对产品输出特性影响小的元器件，则采用便宜的，在保证产品的功能指标在规定的容差范围内的情况下实现成本最低。三次设计的目的是要使电路的性能及稳定性最佳而成本最低。第二十六页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计

5．热设计任何具有电阻的元器件都是一个内部热源。电子产品功率损失通常是以热能耗散的形式出现。当电子设备工作产生热量，温度升高，同时，环境温度也会给电子设备内部的温度带来影响，电子设备中元器件的温度增高，将使其失效率增加。当温度升高10℃时，有些元器件的失效率约增加一个数量级，这被称为“10℃法则”。热设计就是采用热传递技术将元器件自身的温度控制在所要求的范围。由于电子产品小型化，元器件安装密度增加，因而热设计在电子工程设计中越来越重要。热设计的一般方法：①选择适当的途径将热量传递出去，使元器件降温；②根据发热元件的功率、密度和要求的热阻来考虑其冷却方式。第二十七页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计6.防振设计电子设备在生产、运输、使用过程中，会受到各种振动。有时强烈的振动不一定损坏电子设备，而不强烈的振动会使元器件断脱、参数漂移，这是因为机械共振。机械共振可通过合理安排电路中元器件的布局、安装方式等来解决，这就是电子产品的防振设计。防振设计包括防冲击和防正弦振动两方面的内容。前者是从时间域分析振动问题，后者是从频率域分析振动问题；从时间域观察到的振动，通过傅里叶分析就可分解成无数个正弦振动，因此，两种设计在本质上是一样的。第二十八页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计7.三防设计(1)防潮湿设计①在材料表面涂敷防护涂料(如防潮漆等)。

②密封元器件乃至整机，内放干燥剂、灌封，镶嵌气体填充等。(2)防盐雾设计

①采用密封结构。②选用耐盐雾材料(不锈钢、塑料)。④涂敷有机涂层。⑤防不同金属间的接触腐蚀。(3)防霉菌设计

①将设备严格密封，使其内部空气干燥(相对湿度低于65％)、清洁。

②设备表面涂防霉剂或防霉漆。

③照射紫外线，消灭已生长的霉菌。

④在密封设备中充以高浓度臭氧消灭霉菌。

⑤选用耐霉性能好的材料。第二十九页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计8．电磁兼容设计电位差会导致电场，电流会导致磁场；交变的电位差和电流会导致交变的电磁场，电子设备在使用时都会对其周围产生电磁辐射；雷电、地磁变化、宇宙射线等，也会形成电磁波干扰。所以，电子设备都处于电磁干扰的环境中，其本身又扮演干扰源的角色。(1)屏蔽设计克服经过“场”耦合引入的干扰，包括静电屏蔽、磁屏蔽(主要用于低频段)、电磁屏蔽(主要用于高频段)。(2)接地设计设备与大地之间、设备之间、设备内部参考零电位的连接。设备接地可防止设备上电荷积累而危害人身安全或引起火花放电；可以提供信号零参考电位；可以为屏蔽导体提供低阻通路，抑制干扰。接地原则：①尽可能使接地电路各自形成回路，减少电路与地线网之间的电流耦合；②布置地线，使地电流局限在尽可能小的范围。(3)干扰源的抑制在干扰的发源处将其滤波、旁路、屏蔽和隔离。第三十页，共三十三页。5.5产品的可靠性设计5.5.1电子产品的可靠性设计

9．电气互连设计元器件、各类零部件的组装互连分为两类：固定式互连（钎焊、熔焊、浸焊、红外再流焊、绕接、压接和胶粘以及超声波、激光、电子等特种焊接）；活动式互连（利用各类接插件来实现）。(1)锡焊互连：将几个工件进行加热，同