电子电器产品可靠性设计与预估

电子电器产品可靠度设计及预估2024/5/211课程内容第一部分：可靠度设计实务第二部分：可靠度预估2024/5/212

第一部分：可靠度设计实务1、前言2、可靠度的基本概念3、可靠度分类4、产品的寿命曲线5、可靠度数学模式（指数分布）6、可靠度设计技术2024/5/2131、前言为什么要做可靠性计算和预测？

在如今激烈竞争的电子产品市场中，用户对产品品质和可靠性的要求越来越高。日本的家用电器等产品，虽然在性能、价格方面与我国彼此相仿，却能占领美国以及国际市场。主要的原因就是日本的产品可靠性胜过我国一筹。而可靠性设计需要贯穿于整个设计的全部过程，而不是仅仅对最终产品的验证。2024/5/2141、前言（续）什么是MTBF值及其表示方法？

MTBF值是可靠性指标的最通用表示方法。它是英文（MeanTimeBetweenFailure）的缩写，有人把它译成中文“平均故障间隔时间”。MTBF值越高，表明产品可靠性越好，一般在行业里用“多少个小时”来表示MTBF。MTBF值和电子系统中每个元器件的失效率FR(FailureRate)有关，它们之间的关系是：MTBF=1/(所有元器件失效率之和)2024/5/2151、前言（续）在工程上，也经常用R(t)来表示可靠性，R(t)表示一个电子产品在规定时间t内不出现故障的概率：范例：一个产品期望工作5年，即43800小时，如果通过计算其MTBF值是250000小时，那么R(t)＝exp(-43800/250000)=83.9%即该产品在5年内不出现故障的概率是83.9％，或者说，这种设备在安装运行5年时会有83.9％的设备依然能正常工作。R(t)＝exp(-t/MTBF)2024/5/2162、可靠度的基本概念可靠度的基本定义：产品在既定的时间内，在既定的使用条件下，执行既定的功能，成功完成任务的概率。所以可靠度基本上由时间、使用条件、功能、成功几率四项因素组成。2024/5/2173、可靠度分类产品在顾客手中显示出的可靠度是对顾客最有意义的可靠度，产品在顾客实际使用时显示出的可靠度称为操作可靠度（OperationalReliability）。它是由固有可靠度（InherentReliability）和使用可靠度(UseReliability)组成的。2024/5/2184、产品的寿命曲线寿命曲线或称为浴缸曲线（BathtubCurve），代表失效率与时间之间的关系，可分成三个阶段，分别为早夭期、随机失效期、磨耗期。2024/5/2195、可靠度数学模式（指数分布）系统可靠度：系统是由数个组件构成因此知道组件的可靠度的话自然可算出系统的可靠度。反之决定系统之可靠度后，就可将之分配到各个组件上（Subsystem）可靠度数学模式建立分为两种：一为硬体层次，另一为任务功能。硬体层次模式，即为可靠度设计中的串联模式任务功能模式，即在系统的可靠度设计中加入并联模式或复联模式。2024/5/21105、可靠度数学模式（续）串联模式Rs：系统可靠度Rs：(假设失效率之机率函数为指数分布)Ri(t)：分系统可靠度（i=1,2,3,……,n）：系统之失效率：分系统之失效率（i=1,2,3,……,n）2024/5/21115、可靠度数学模式（续）串联模式数学模式为：R1R2R3Rn2024/5/21125、可靠度数学模式（续）串联模式

范例：20个相同零件的串联系统，其单个零件的可靠度为R，若R＝0.95，则系统的可靠度RS＝0.3585，若R＝0.9，RS＝0.121。我们可做成下表讨论RRS0.850.038760.900.121580.950.358490.970.543790.990.817912024/5/21135、可靠度数学模式（续）并联模式数学模式为：

依上述公式，可直接应用至n个分系统组成之并联系统，其系统可靠度为：R1R22024/5/21145、可靠度数学模式（续）并联模式

范例：若组件的可靠度为R，则n个组件并联时，其系统可靠度为：Rs=1-(1-R)n，以下表来讨论。n0.60.710.600000.7000020.840000.9100030.936000.97300100.999900.99999110.999961.000002024/5/21155、可靠度数学模式（续）串联模式与并联模式的比较如果串联模式的组件数增加，该系统可靠度以递增比率方式下降，最后会因可靠度太低而无法操作。反之，当并联模式的组件个数增加时，其效果与串联模式正好相反，该系统可靠度以递降比率方式上升。提升系统可靠度，至少有下列四种方式：1、减少零件个数2、简化系统结构3、提升所用零件可靠度4、将零件经由“Burn-In”程序2024/5/21166、可靠度设计技术失效模式及效应分析（FMEA）减额定程序（DeratingProcess）耐热设计复连设计（Redundant）耐环境设计电子零件选用一般原则2024/5/21176、可靠度设计技术（续）失效模式及效应分析（FMEA）FMEA手法，系使用表单耐解析，当构成系统之最下层之零件或机器发生故障时，上层之子系统或系统会受到何种影响的手法。借此手法可以解析出系统的可靠性，维护性，安全性等所受的影响，并且指出可能导致重大故障之零件。指出问题点，可透过冒险有限数评估（RPN），将重要性相对地加以量化，造出实施对策的优先顺位。2024/5/21186、可靠度设计技术（续）降额程序（DeratingProcess）在操作环境固定的状况下，故意减轻零件承受的应力水准，使零件的失效率随应力减少而下降的设计程序，称为降额。降额定值的定义是以最大工作应力与额定强度的比值表示。以电子零件的降额参数而言，电阻为功率，电容为电压，半导体为消耗功率，电晶体则为接面温度。2024/5/21196、可靠度设计技术（续）耐热设计

执行电子装备的热分析之前，必须先掌握有哪些影响条款，这些条款如下：热分析的重要参数为耗散功率，热阻，温度。热耗散的多寡控制着零件的温度上升及操作温度。任何零件传递热皆有三种方式：传导，对流，辐射，这三种方式为并联式热阻。热设计必须和电子，机械同步设计。电子装备冷却系统的热分析必须在设计阶段中早期执行，并且结合电子应力分析（此时设计仍为纸上作业）热分析考虑因子包括：零件的大小，重量，热耗散，经济成本，温度限制，电路的型态，热环境，热集中及外界的环境温度。2024/5/21206、可靠度设计技术（续）复连设计（Redundant）

复连设计方法是指把若干功能相同的单元或元件作为备用，以提高整个产品或系统可靠度的设计方法。2024/5/21216、可靠度设计技术（续）耐环境设计耐环境设计是指考虑各种环境条件的设计，包括耐机械应力（如冲击，振动等）设计，抗气候条件（如高低温，潮湿，盐雾等）设计及抗辐射设计。进行耐环境设计时，应考虑的问题是预计产品在实际使用时所处的环境条件以及在设计上应采取的耐环境措施。2024/5/21226、可靠度设计技术（续）电子零件选用一般原则决定完成特定功能及预期操作环境所需的零件型式决定零件之重要性，如寿限问题，成本，采购时间长短决定零件的妥善性，是否由合格厂商提供，交货是否正常，是否有可靠度保证等估计零件在电路应用上的预期应力值必要时准备正确，完整的零件采购规范，以排除初期的早夭失效现象使用适用的预估方法进行失效率预估，如选用MIL-HDBK-217或TelcordiaSR-3322024/5/2123第二部分：可靠度预估1、前沿2、可靠度预估技术之种类3、MIL-HDB-217F-零件计数法介绍4、MIL-HDB-217F-应力分析法介绍5、TelcordiaSR-3322024/5/21241、前言可靠度预估工作的主要目的在于预估产品的基本可靠度与任务可靠度，并决定所研究的设计能否达到各项可靠度需求，而可靠度预估结果不应用决定可靠度需求达成的程度，需求的满足程度应以具有代表性的试验为基础。2024/5/21251、前言（续）如何计算MTBF值？关于MTBF值的计算方法，目前最通用的权威性标准是MIL－HDBK－217和Telcordia（Bellcore），他们分别用于军工产品和民用产品，其中MIL－HDBK－217是由美国国防部可靠性分析中心及Rome实验室提出并成为行业标准，专门用于军工产品MTBF值计算，其最新版本为217－F2，而Bellcore是由AT&TBell实验室提出并成为商用电子产品MTBF值计算的行业标准。2024/5/21261、前言（续）什么时候使用可靠性预测工具？

可靠性预测工具是评估产品是否可靠的基础手段，可靠性预测工具为整个产品开发过程提供指导，事实上，业界已经将可靠度预测工具形象的改名为可靠性管理工具，因为他在整个开发过程中监视着产品的质量情况，具体表现在一下几点：理论概念设计阶段设计对比潜伏期定位决定价值品质管理2024/5/21272、可靠度预估技术种类类似装备法类似复杂法零件计数法应力分析法2024/5/21282、可靠度预估技术种类（续）类似装备法当产品在概念设计做可行性分析时，尚未完成任何有关系统特性的规划与设计，因此对于其可靠度是否能满足需求，只能从以前类似产品可靠度经验与资料，比较两者异同加以分析推算，估计新产品的可靠度，一般称为类似装备法（SimilarEquipmentTechnique）。2024/5/21292、可靠度预估技术种类（续）类似复杂法一般而言，产品的可靠度与其复杂性有关，越复杂的产品越不容易达到高可靠度的需求，特别是电子产品，由于其使用的零件越多，发生失效的几率就越高，因此可靠度就越低。一般大公司会根据他们过去的经验，发展出一套可靠度与产品复杂性（功能复杂性，零件多少）的图表资料，所考虑的条件还包括使用环境以及低级、一般、高级三种品质等级的零件。所以只要新产品中预定使用元件的数量，使用环境和品质等级，就可以根据图表粗估该产品的可靠度水准。2024/5/21302、可靠度预估技术种类（续）零件计数法当产品研发进入硬体初步设计时，虽然设计尚未完全定性，但是大致上所需要使用的零件种类，数量，品质水准，以及产品的使用环境都已经初步确定，因此可以由上面这四种资料，配合零件基本失效率资料，即可应用零件计数法预估产品可靠度。零件计数法的基本假设，是把产品内所有零件采取串联模式加以模组化，再把所有经品质因子及使用环境因子修正过的零件失效率累加就可以初步的估计产品失效率。2024/5/21312、可靠度预估技术种类（续）应力分析法零件应力分析法适用于细部设计阶段，此时有关零件使用应力及环境等因素都已经有详细的资料可以应用，故可以用精确的零件应力分析法执行可靠度预估。2024/5/21323、MIL-HDBK-217F-零件计数法零件计数法使用时机一般厂商在竞标或者初期设计阶段产品，研发进入硬体初步设计时，因为设计尚未定型，可用的可靠度预估资料并不完全，但对于所使用的零件的种类（Class）或型别（Type），则应有大致的概念，因此可以用实际计算或估算得所需要的零件数量。2024/5/21333、MIL-HDBK-217F-零件计数法（续）零件计数法预估产品可靠度所需的资料（1）基本失效率（2）零件品质（3）零件使用环境（4）零件失效的模式2024/5/21343、MIL-HDBK-217F-零件计数法（续）装备失效率的计算公式如下：注：λeq=装备总失效率λg=第i项一般零件的一般失效率（fr/106hr）πQ＝第i项一般零件的一般品质因子i=第i项一般零件n=装备中所用一般零件的种类Ni=第i项一般零件的数量2024/5/21354、MIL-HDBK-217F-应力分析法应力分析法使用的时机

零件应力分析法适用于细部设计阶段，此时有关零件，使用应力及环境等因素都已经有详细的资料可以应用，故可以用精确之零件应力分析法执行可靠度预估，以获得较准确的估计值。2024/5/21364、MIL-HDBK-217F-应力分析法（续）一般执行零件应力分析法预估产品可靠度所需要的资料：基本失效率λb零件品质πQ零件使用环境πE温度电性应力及其他应用因子零件失效率模式λP，因零件种类，材质而异。2024/5/21374、MIL-HDBK-217F-应力分析法（续）零件失效模式

λp＝λb×（π因子）注：λb＝基本失效率πQ＝零件的品质因子πe＝零件使用环境因子πother＝温度，电型应力及其他应力λp＝零件失效率2024/5/21385、Telcordia（Bellcore）Telcordia演化：Telcordia的可靠度预估模式是由AT&T的Bell实验室参考MIL－HDBK－217F的方程式所发展的预估方法。1988年BellcommunicationResearch(Bellcore)改名为TelcordiaTechnology预估模式由1985年出版的issus1持续修订到1997年的issue6，2001年5月修订为SR－332在业界广泛运用于，预估所需要的资料涵盖应力，预烧，实地与测试资料。包括MethodIIIIII三种预估方法。2024/5/21395、Telcordia（Bellcore）Telcordia的名词定义：Burn－in（老化）的定义：在加速应力的基础上，但仍在设计的能力范围内，使用某种指定的环境应力侦测出潜在的缺陷，或此缺陷在产品的实地条件下有极高的几率被视为早夭失效。单元（unit）的失效率等于所有元件失效率的总和。修正因子为：操作环境，元件的品质要求，元件的应用条件，如温度和电性应力。2024/5/21405、Telcordia（Bellcore）Telcordia的名词定义（续）：操作温度的定义：单元的操作温度：仅当单元在正常的操作条件下，以温度探针置放在单元上方或各单元之间0.5寸的位置测量到的操作温度。元件的操作温度：以元件所在的单元的操作温度。稳态失效率（steady-state）的定义：在产品的操作期内，其失效率保持为常数，提供此资料作为产品长期的性能表现。第一年的倍数（First-yearMultiplier）：在产品的第一年操作期间（8760小时）的平均失效率，可表示为稳态失效率某一倍数。2024/5/21415、Telcordia（Bellcore）Telcordia预估法包括三种常用的预估产品可靠性的方法，分别成为MethodI、II、III：方法I：使用计数法的可靠性预估，这一方法可以用于独立元件或单元。方法II：综合了方法I和从实验室得到数据进行单元或者器件级的可靠性预估。方法III：在进行现场数据收集的基础上，进行线上服务的可靠性统计预估。2024/5/21425、Telcordia（Bellcore）方法I：(BlackBoxTechnique)

包括三种情况的温度和电应力情况：Case1：黑盒子的方案，其单元/系统的预烧<=1小时，并且元件都没有预烧，假设元件是在40℃与50％的额定电性应力。Case2：黑盒子的方案：其单元/系统的预烧>1小时，并且元件都没有预烧，假设元件是在40℃与50％的额定电性应力。Case3：通用的案例，当供应商希望用元件预烧的优势，会采用本方法，或需求单位需要40℃与50％的额定电性应力以外的值，都会采用本方法。以下称这些预计为“有限应力”预估。2024/5/2143元件的稳态失效率方法I：（BlackBoxTechnique）元件的稳态失效率λBBiλBBi＝λGiπQiπSiπTiλGi第i个元件的属性失效率πQi第i个元件的品质等级πSi第i个元件的应力因子πTi在稳态期间由于正常温度下，第i个元件的温度因子。假如元件没有实验室或实地的资料可使用时，则元件的稳态失效率等于黑盒子的失效率λBBi＝λSSi2024/5/2144元件的第一年倍数方法I若元件并没有或只有有限的预烧

假如则

其他则2024/5/2145元件的第一年倍数方法I筛选的等效时间：因元件有预烧，所以需考虑等效操作时间的估算

2024/5/2146元件的第一年倍数方法I筛选的等效时间：因元件有预烧，所以需要考虑等效操作时间的估算-（续）

：对应于元件预烧温度的Arrhenius加速因子：元件的预烧时间（小时）：对于与单元预烧温度的Arrhenius加速因子：单元的预烧时间（小时）：对应于系统预烧温度的Arrhenius加速因子：系统的预烧时间（小时）：对应于正常操作温度的加速因子：对应于正常操作条件的电性应力因子2024/5/2147元件的第一年倍数方法I元件的第一年倍数

当元件的预烧>1小时令，及

假如

则假如

则其他2024/5/2148单元失效率方法I单元的稳态失效率

n：单元中的元件类型数：第i个元件数量：单元的环境因子2024/5/21495、Telcordia（Bellcore）方法II：（TechniquesIntegratingLaboratoryData）方法II预估包括的几种情况：CaseL1：元件都没有预烧，但是有经过实验室测试。CaseL2：单元和元件都没有预烧，但是有单元有经过实验室测试。CaseL3：元件先前有预烧，也经过实验室测试。CaseL4：单元与元件先前都有预烧，且单元有经过实验室测试。2024/5/2150元件的稳态失效率方法II：

CaseL1元件先前都没有预烧，但有经过实验室测试

假如T1<=10000，则λSSi＝（2＋n）*λBBi

假如T1>10000,则λSSi＝（2＋n）*λBBi2+4*10-6*N0T10.25πQiλGi2+(30000+T1)*N0T10.25πQiλGi10-92024/5/2151元件的稳态失效率

方法II：

CaseL1-元件先前都并没有预烧，但有经过实验室测试-（续）

n：实验室测试的失效率

λBBi：黑盒子的稳态失效率

λGi：元件的属性失效率N0：测试的元件总数T1：测试的有效时间，为实际测试时间（Ta）与温度加速因子(AL）的相乘

πQi：元件的品质因子2024/5/2152元件的稳态失效率方法II：

CaseL3-元件先前有预烧，且有经过实验室测试

假如10000则

假如则

其他则

：稳态失效率=：有效的预烧时间：测试的有效时间>2024/5/2153单元失效率方法IICaseL2-元件与单元先前都并没有预烧，但有经过实验室测试

假如则

假如>10000则2024/5/2154单元失效率方法IICaseL2-元件与单元先前都并没有预烧，但有经过实验室测试-（续）

n：实验室测试的失效数：单元的零件计数失效率：测试的元件总数：测试的有效时间，为时间测试时间（）与温度加速因子（）的相乘2024/5/2155单元失效率方法IICaseL4-元件与单元先前有预烧，且有经过实验室测试

假如>10000则

假如则其它则：稳态失效率：有效的预烧时间：元件的平均有效的预烧时间2024/5/21565、Telcordia（Bellcore）方法III：（TechniquesIntegratingData）

方法III主要根据现场收集的可靠性数据对系统的失效率进行预估，根据所收集的数据类型的不同，它又包括三种不同的方法：方法IIIa：透过收集所需要预估的产品（目标产品）的现场数据，直接对其故障率进行预估。方法IIIb：透过收集相似产品（跟踪产品）的现场数据，对目标产品的器件，单元和子系统进行预估。方法IIIc：透过收集跟踪目标产品的现场数据，对产品的单元和子系统进行预估（不包括器件），跟踪产品与目标产品在设计，架构上应该是相似的，不同之处在于环境和条件的不同。2024/5/21575、Telcordia（Bellcore）方法III：从经过一段稳态操作中的元件或单元收集实地的资料作为执行预估参考。需求的单位将审查实地追踪的程序，系统与资料，以确认是否满足准则的要求。方法III的失效率预估是可观察实地失效率与零件计数法预估的加权平均。在实地追踪的研究期间，若单元或元件有很高的操作时数时，方法III的失效率预估受到实地资料的影响很大，反之，若操作的时数很少时，失效率受到零件计数预估很大。方法III不允许有任何的早夭期调整。2024/5/21585、Telcordia（Bellcore）方法III：定义：主题系统（Subjectsystem）：需要执行失效率预估的参考系统。主题单元（Subjectunit）：属于主题系统的系统单元。追踪系统（Tackedsystem）：在部署服役系统的特别样本，以收集实地的追踪资料，追踪系统可以和主题系统有不同的型式。追踪单元（Tackedunit）：在追踪系统中，正在进行可靠度资料收集的单元，通用的，追踪单元可以和主题单元有不同型式，但是两种系统必须很类似，在系统的设计与结构类似的，但环境和操作条件有所差异。2024/5/21595、Telcordia（Bellcore）方法III：针对元件与包含元件的单元的失效率预估，允许任何品质等级，但是要注意如下事项：主题系统使用的元件与单元的品质等级必须要相等或者优于在追踪系统中所使用的。主题系统的环境等级必须和追踪系统相同或者较不苛刻。2024/5/2160元件的稳态失效率方法III

实际追踪系统的研究与操作时间的准则如下：实际追踪元件的研究时间必须至少以时间耗时3000小时为计全部操作时间必须满足下列

：预估的黑盒子的失效率：在追踪系统与主题系统极为相似元件的环境因子假如两个对应的元件相同的话，则

2024/5/2161元件的稳态失效率方法III

元件预估步骤：1.决定追踪系统元件的实地失效数f，全部操作时间t.2.计算调整因子V，如下：

假如主题与对应的系统相同，且处在相同的环境条件。

假如主题与对应的系统相同，但所处在的环境条件不相同。分别代表主题系统与相对应追踪系统的温度因子2024/5/2162元件的稳态失效率方法III

元件预估步骤（续）

假如主题与对应的系统类似，但不相同分别代表主题系统与对应追踪系统的黑盒子失效率分别代表主题系统与对应