电子产品的可靠性.ppt

1、2020/7/22,1,1、可靠性学科的诞生 2、可靠性设计 3、可靠性仿真技术 4、可靠性试验技术 5、可靠性在工业企业的应用 6、总结,电子产品的可靠性,2020/7/22,2,1、可靠性学科的诞生,1、可靠性的基本概念介绍 可靠性是一门与产品故障作斗争的新兴学科。 产生于国防高科技领域，最早在美国国防工业中萌芽、发展、成熟，并迅速向美国民用产品的电子、通讯、信息技术等领域滲透。并以美国为中心的可靠性系统工程技术被英、法、德、日等先进资本主义国家所应用，而获得成功。据统计，可靠性系统工程在资本主义国家的成功应用，给其工业社会带来了无以估计的社会财富。 可靠性的科学定义： 可靠性是一个时间的

2、函数。 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。 可靠性有一系列的数学特征量值： 如，可靠度R(t)、失效率(t)、平均寿命MTBF、寿命概率密度f(t)等。,2020/7/22,3,2、可靠性学科的诞生 50年代，当时美国的武器装备，从美国本土运往朝鲜战场，交付部队使用时，发现大批武器系统故障。其中电子设备在开箱检测时，有一半不能使用。它们不是在战争中受到了破坏，而是在运输过程中就产生了故障。 当时，部队将领们把这些产品故障推到了产品制造商那边，认为产品是不合格的。而供应商却以产品出厂检验有军方代表验收为理由推辞。 军方和承制方发生激烈的争吵，为了解决问题，美国国防部成立了专门的

3、研究小组，来解决装备的故障问题。这个小组的名字是AGREE-Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment。（美国国防部电子设备可靠性咨询小组）,1、可靠性学科的诞生,2020/7/22,4,2、可靠性学科的诞生 AGREE工作小组进行了许多年的研究工作。其间使用了故障分类技术、统计学、化学、物理学、环境科学和失效分析技术。由各个学科的科学家和技术专家组成的小组，经过艰辛的努力，终于获得了突破性的成果。研究成果如下。 A、电子元器件具有失效率。失效率与制造元器件的材料有关、工艺有关、使用环境有关。 B、武器装备与元器件的失效率相似。而

4、且在设计制造过程中可探求。 AGREE报告是后来可靠性研究发展的理论基础。我们可以从中看出，其中凝结着无数专家、科学家的艰辛劳动。该学科的诞生，把美国后来武器系统和航空航天产品中的故障降到了最低点。,1、可靠性学科的诞生,2020/7/22,5,1、可靠性设计的重要性 2、现代系统设计思想 3、系统可靠性设计技术流程,2、可靠性设计（DFR),2020/7/22,6,1、可靠性设计的重要性,2、可靠性设计,可靠性设计在可靠性工程技术中占有重要地位，产品的可靠性定量指标在设计过程中就得到了落实，为产品的固有可靠性奠定了基础。运用可靠性分配理论，把可靠性指标从系统整机到部件级、元器件级逐级分配，从

5、而使整机的可靠性得到了保证。反之，一个忽略可靠性设计的产品，必然“先天不足，后患无穷 ”，在使用过程中大部分会暴露出一系列不可靠的问题。据统计，由于设计不当，而影响产品可靠性的程度占各种不可靠因素的首位。所以，我们一定要扭转只搞性能指标设计，忽视可靠性设计的倾向，在产品研发、设计阶段，认真开展可靠性设计，为产品固有可靠性奠定基础。,下面是一个统计数据库,2020/7/22,7,产品寿命期内不可靠因素所占比例,可靠性设计的重要性,电子产品按寿命期统计的故障数据,2020/7/22,8,可靠性设计,可靠性设计的基本内容,应用专门的可靠性 设计技术实施专题 的可靠性设计,应用专门的可靠性 评价分析技

6、术对 产品的可靠性进 行定性和定量评 价分析。,确定总体方案,（1）、明确设计产品的功能和性能要求； （2）、了解产品在其整个寿命期内将要遇到的环境条件； （3）、确定产品可靠性的定性和定量指标； （4）、调查相似老产品的现场使用情况； （5）、拟定为实现可靠性指标应采取的相应措施； （6）、进行总体方案论证。,3,2,基本内容,1,1.可靠性设计的重要性,2020/7/22,9,可靠性设计,2.现代系统设计思想,现代系统设计思想中逐渐容入了可靠性设计的思想。产品或系统的设计不再是单独追求性能和功能，产品可靠性也成为产品设计中非常重要的一部分。下面是现代系统设计和传统设计思想的比较。在当今IT

7、技术高速发展的时代，由过去传统设计思想向现代系统设计思想的转变是非常重要的。,现代系统（产品）设计思想与传统设计思想的对比,2020/7/22,10,可靠性设计,2.现代系统设计思想,现代系统（产品）设计思想与传统设计思想的对比,现代系统设计思想与传统设计思想的对比,以下分析可见，产品设计早期，就应把可靠性工作考虑进去。 特别是可靠性设计应及早参与到产品设计中去，这也是转 变产品设计观念，有效提高产品可靠性的重要举措。,总结,2020/7/22,11,可靠性设计-现代系统设计思想,2020/7/22,12,可靠性设计-现代系统设计思想,可靠性设计分析技术在现 代系统设计思想中的应用,2020/

8、7/22,13,可靠性设计,各种可靠性设计分析技术方法交叉配合使用，并贯穿到系统（产品）研制开发的全过程。系统地规划和确当使用各种可靠性设计技术和方法，真正设计开发出具有高可靠性水平的系统（产品）。 大型工程系统（产品）的研制过程大致可分为：技术指标论证、方案论证、工程研制（初步设计和详细设计两个阶段）、设计定型、生产定型五个阶段。 在系统工程研制或产品开发过程中如何有效的组织并开展可靠性设计工作，最终高效、全面地提高系统（产品）的可靠性水平的总目标，必须对上面五个阶段中可靠性设计工作流程有清晰的认识和规划。,3.系统可靠性设计技术流程,2020/7/22,14,可靠性设计- 3.系统可靠性设

9、计技术流程,可靠性设计各阶段的设计工作流程如下：,1.系统（产品）技术指标论证阶段,研制任务：,进行系统（产品）技术指标、总体技术方案的论证及研究经费、保障条件、研制周期的预测，最终形成系统（产品）研制总要求报告。论证工作有使用方（客户）组织实施。,可靠性定量要求制定,可靠性定性要求制定,使用需求,可靠性要求,工作流程：,说明：使用方（客户）根据系统（产品）的使用需求和其特征，制定可靠性定性要求与 定量要求，并把可靠性要求作为系统（产品）技术指标的重要组成部分。,2020/7/22,15,可靠性设计- 3.系统可靠性设计技术流程,2.系统（产品）方案论证及确认阶段,研制任务：,工作流程说明：,

10、A、 依据系统（产品）使用技术要求，进行系统（产品）总体方案的优选及技术攻关形成总体技术方案。 B、 根据总体技术方案，进行系统方案设计、分系统技术方案设计、总体协调和系统布局，确定系统方案和主要部件及其结构形式。 C. 进行模型样机或原理样机研制并试验.,见下页,2020/7/22,16,可靠性设计- 3.系统可靠性设计技术流程,2.系统（产品）方案论证及确认阶段,2020/7/22,17,可靠性设计- 3.系统可靠性设计技术流程,2.系统（产品）方案论证及确认阶段,工作流程说明：,1、 按照确定的可靠性定量指标，进行系统可靠性指标的分配，使系统各层次设计明确各自的设计目标。 2、 按照设计

11、方案建立系统可靠性模型，进行系统可靠性预计，发现薄弱环节，改进设计， 并判定设计方案能否满足系统可靠性定量要求。 3、 改进方案调整可靠性分配指标，再次进行可靠性预计，可反复多次进行。 4、 按照确定的可靠性定性要求，制定初步的可靠性设计总则，包括：降额设计总则、优选元器件清单（PPL），热设计总则、EMC设计等，来指导系统设计。 5. 按照已确定的可靠性定性要求，进行功能FMEA、FTA等分析工作，发现薄弱环节，改进设计。,2020/7/22,18,可靠性设计- 3.系统可靠性设计技术流程,3.系统（产品）工程研制阶段-初步设计阶段,研制任务：,工作流程说明：,见下页,1、 细化方案论证阶段

12、提出的方案 2、 系统功能、性能分析计算 3. 从系统到分系统，产品的原理设计、组成 和结构设计、软件设计等。,1、随着工程设计工作的展开，应对总系统建立更加详细的系统可靠性模型，进行新一轮的可靠性分配和预计，同时进行分系统可靠性分配指标的调整，使指标分配更合理。 2. 完善元器件优选清单，完善可靠性设计总则。 3. 进行可靠性FTA、FMEA/CA分析工作。同时开展其它一些可靠性分析工作，如热设计分析等。 4. 对设计过程中发现的薄弱环节采取设计更改等措施。,2020/7/22,19,可靠性设计- 3.系统可靠性设计技术流程,2020/7/22,20,可靠性设计- 3.系统可靠性设计技术流程

13、,3.系统（产品）工程研制阶段-详细设计阶段,研制任务：,1、 各层次产品全部详细图纸的设计 2、 功能、性能的详细设计、工程计算 3. 技术文件的编制，包括产品标准的 出台,1、工程设计工作进入详细设计阶段后，建立更加详细准确的可靠 性模型，进行新一轮的可靠性预计，并逐步判断工程设计方案是否能达到系统可靠性指标要求，以便即使进行可靠性定量指标调整。 2、对工程设计工作进行全面的可靠性设计准则和优选元器件清单符合性检查。 3 FTA、FMECA等分析工作。同时开展其它一些可靠性分析工作，如热设计分析等。 4. 对设计过程中发现的薄弱环节采取设计更改等措施。,工作流程说明：,见下页,2020/7

14、/22,21,可靠性设计- 3.系统可靠性设计技术流程,3.系统（产品）工程研制阶段-详细设计阶段,2020/7/22,22,可靠性设计- 3.系统可靠性设计技术流程,附录:可靠性设计阶段各种可靠性设计分析方法,1、 可靠性定性定量要求制定 2、 可靠性模型建立 3、 可靠性分配 4、 可靠性预计 5、 故障树分析（FTA） 6、 硬件故障模式影响和危害分析（FMEA/CA） 7、 优选元器件清单（PPL）制定 8、 可靠性设计（含降额设计准则）总则制定 9、 热设计 10、 电磁兼容性设计 11、 健壮设计 12、 耐环境设计 13、 软件可靠性设计 14 . 电子元器件及电路容差设计 15

15、 . 潜在通路分析设计,2020/7/22,23,3、可靠性仿真技术的应用,目前世界上有非常先进的仿真技术： 热仿真技术、EMC/EMI仿真技术、SI仿真技术、PI仿真技术等,Apism仿真工具(套件),信号完成性分析 SI,电源完整性分析 (PI),电磁兼容性分析 (EMI),2020/7/22,24,3、可靠性仿真技术的应用,ApsimSI:高性能信号完整性分析工具,ApsimSI是一个集成的软件系统，可在布线前和布线后 进行信号完整性分析和仿真.是分析和校正的工具。它是目前 最先进的信号完整性分析工具。设计人员用它可以进行高速 数字电路和数模混合电路的信号完整性分析,ApsimSI 功能

16、,可解决PCB设计中 反射、串扰、传输时延、 地/电层噪声带来的信号影响.,2020/7/22,25,3、可靠性仿真技术的应用,ApsimPI/EMI分析,ApsimRPATH是目前业内唯一 的可以画出回流路径的仿真器， 主要用于解决EMI问题。,ApsimDELTA-I PI仿真软件,功能,2020/7/22,26,3、可靠性仿真技术的应用,EMC仿真,仿真模型,2020/7/22,27,3、可靠性仿真技术的应用,热仿真模型,Apsim/Flotherm和BETASofe,2020/7/22,28,对产品进行热分析是确定其温度场的温度分布，并对热设计成果进行检验和优化。 获得产品温度场的主要

17、途径是：温度测量和数字分析计算。下面分别介绍： 温度测量：使用热电耦对被测物直接进行表面温度和温度场测量。所得数据准确。通常对实物进行热分析。 数字分析计算：主要应用于产品设计过程中，特别是产品设计初期，尚无实物可测。热场计算是特别复杂的，特别是板级、系统级产品。需要专业热设计工程师完成。 BETA软件可进行快速计算，并进行三维模拟温度场，计算速度是有限元法的50倍。给分析带来很大方便。特别是设计初期，会给构思带来即效验证。,3、可靠性仿真技术的应用,热仿真技术,2020/7/22,29,1概述 2、环境应力筛选(ESS）试验技术 3、HALT 2Hz10KHz.,2020/7/22,39,4

18、、可靠性试验技术,3、 HALT&HASS试验技术,HALT技术 工作原理,1、Thermal Step Stress Test,4、Combined Environment Stress Test,2、Rapid Thermal Transitions Stress Test(以60/min),3、Vibration Step Stress Test,HALT应用于产品开发设计阶段，对以后的可靠性试验可节省大量的资源。 这种新的可靠性试验方法是由美国HOBBS工程公司的Gregg.k.Hobbs博士 研究提出的。这种分析技术对于飞行器、导弹部件、通信产品等高可靠性系 统是必不可少的，可在设计

19、阶段极大地改善并提高产品的耐环境设计能力。,2020/7/22,40,4、可靠性试验技术,3、 HALT&HASS试验技术,Min Temp: -70 Max Temp: +90 Max Vibration Level: 45Grms Rapid Thermal Transitions: 60/min Cycle: 9,试验设计,2020/7/22,41,4、可靠性试验技术,3、 HALT&HASS试验技术,下面是美国可靠性分析中心的一个统计数据， 造成电子系统故障的主要原因为：,2020/7/22,42,4、可靠性试验技术,3、 HALT&HASS试验技术,评价产品的可靠性是以MIL-HDB

20、K-217为依据的，他的预计方法 是以ARRHENIUS模型进行的。但是，实际环境中的失效模式并 不遵循这一规律。例如，振动、冲击、湿度等都是失效的共存原因。 甚至温度冲击导致的产品失效也不遵循ARRHENIUS模型 实际上，许多现场失效是由不确定因素造成的，这些不定因素是 当今电子系统的可靠性问题的主要原因。但是，这些原因可用 HALT和HASS来成功地预测和清除故障。 总之，HALT技术在美国，已经广泛地应用到电子产品的可靠性 分析中去，已经成为很先进的产品耐环境设计分析工具。,总结,2020/7/22,43,4、可靠性试验技术,4、振动试验技术试验技术,工作原理,2020/7/22,44

21、,4、可靠性试验技术,4、振动试验技术试验技术,振动技术性能指标,一台技术指标先进的振动台,其功能资源是非常丰富的.它应包括以下环境模型: (1).正弦定频 (2).正弦扫频 (3).宽带随机 (4).宽带+窄带 (5).宽带+正弦 (6).宽带+正弦+窄带 (7).冲击响应谱 (8).规定波形(三角,梯形,半正弦),2020/7/22,45,4、可靠性试验技术,4、振动试验技术试验技术,设计定型评价方案,设计定型要求寻找 结构设计、材料 选择和工艺设计 方面的各种缺陷， 以便尽早采取措施。 宽带+正弦模型； 冲击响应谱；,2020/7/22,46,4、可靠性试验技术,4、振动试验技术试验技术

22、,来料控制,来料控制一般用 环境应力筛选,2020/7/22,47,4、可靠性试验技术,4、振动试验技术试验技术,确认产品生产过程中，产品的耐环境能力，为产品出厂验收 提供决策。试验条件没有生产定型严。如果做ESS环境应力 筛选需要100%进行。拟用如下铁路运输或履带车力学 环境模型进行出厂可靠性检验。,出厂检验,2020/7/22,48,4、可靠性试验技术,美国热测（THERMOTRON） THERMOTRON（美国热测工业公司）是全球最大的环境与可靠性试验设备制造商之一。他是全球唯一既能生产振动台（包括振动软件）又能生产试验箱的公司。是美国国防部指定的生产可靠性与环境试验设备的厂商之一。参

23、与制订了美军标MIL环境试验部分。他生产的可靠性与环境试验设备很全，性能指标很先进。可靠性试验系统可达到全球最先进的性能指标。属于高档产品。振动台系统在全球不处于领袖地位.比较有名的振动台供应商有，英国灵公司、德国TIRA、美国UD等。 THERMOTRON振动系统除满足一定指标外，还有以下特点：,（1）、动态对中系统使用光传感器，确保动圈精确对中，并保证振动台在操作过程中不超过位移极限。 （2）、采用气冷D类放大器 （3）、与AGREE试验箱兼容，也可单独使用ESS试验 （4）、大直径振动台 （5）、800线分辨率，能精确控制窄带/低频试验。 （6）、振动方向：三轴六自由度 （7）、推力：9

24、08KG.f-5400kg.f （8）、位移：25MM/P-P，50MM/P-P （9）、功放规格：2.2KVA59.4KVA (10)、唯一的全套系统制造商。,4、振动试验技术试验技术,可靠性设备供应商,2020/7/22,49,4、可靠性试验技术,5、可靠性验证试验MTBF测定技术,决策风险 使用方风险是MTBF的真值与MTBF的检验下限1相等时设备被接收的概率。 生产方风险是MTBF的真值与MTBF的检验上限1相等时设备被拒收的概率。 GJB899试验方案中均给出了精确风险值。 鉴别比 鉴别比d是MTBF的检验上限0与下限值1的比值。 鉴别比越大，试验作出的判决就越快。,说明,2020/

25、7/22,50,4、可靠性试验技术- (5、可靠性验证试验MTBF测定技术),2020/7/22,51,4、可靠性试验技术- (5、可靠性验证试验MTBF测定技术),2020/7/22,52,4、可靠性试验技术- (5、可靠性验证试验MTBF测定技术),2020/7/22,53,4、可靠性试验技术- (5、可靠性验证试验MTBF测定技术),2020/7/22,54,4、可靠性试验技术- (5、可靠性验证试验MTBF测定技术),2020/7/22,55,4、可靠性试验技术- (5、可靠性验证试验MTBF测定技术),2020/7/22,56,4、可靠性试验技术- (5、可靠性验证试验MTBF测定技

26、术),2020/7/22,57,4、可靠性试验技术,6、集成电路 加速寿命试验模型,Arrhenius 方程在集成电路的加速寿命试验中得到了最广泛的应用。 由此建立的电子产品的高温加速寿命试验的加速因子计算模型为：,AF(t)=exp(Ea/k)(1/Tuse-1/Tstress) AF(t)-温度加速因子 Ea-析出故障的耗费能量（activation energy=0.3ev1.2ev） k-Boltzmann常数=8.61710-5ev/ok Tuse-产品正常工作的温度 Tstress-产品施加应力的温度 以上是产品在高温应力条件下的加速因子计算的数学模型。,2020/7/22,58,

27、4、可靠性试验技术,6、集成电路 加速寿命试验模型,2、 电压加速因子（Voltage Acceleration Factor）的计算模型 AF(v)=expzVstress-Vuse 式中:AF(v)-电压加速因子 z-电压加速常数（typically,0.5z1.0） Vstress-应力电压（Stress voltage） Vuse-使用电压(Operating voltage),2020/7/22,59,4、可靠性试验技术,6、集成电路 加速寿命试验模型,3、 Hallberg-Peck Model 湿度加速因子由Hallberg和Peck推算出： AF（RH）=RHstress/RH

28、usen 式中: AF（RH）-湿度加速因子 RHstress-应力条件下的相对湿度 RHuse-使用条件下的相对湿度 n-湿度的加速率常数介于23之间,2020/7/22,60,4、可靠性试验技术,6、集成电路 加速寿命试验模型,4、 Coffin-Manson Model（科芬曼森模型） 温度循环的加速因子数学模型为： AF（tc）=Tstress(hot)-Tstress(cold)/Tuse(hot)-Tuse(cold) 式中:AF（tc）-温度循环加速因子 Tstress(hot/cold)-应力温度 Tuse(hot/cold)-使用温度 -温度变化的加速率常数介于 48之间,2

29、020/7/22,61,6、集成电路 加速寿命试验模型,4、可靠性试验技术,5、 综合加速因子: AF=AF(t)AF（RH）AF(v),2020/7/22,62,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,1. 体系建设 2. 可靠性工作的中心 3. 可靠性工作计划 4. 建立并实施可靠性标准及产品标准 5. 应用成熟的可靠性技术 6. 我司今后应加大力度，进行几个方向的可靠性研究 7. 标准化建设,2020/7/22,63,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,1、可靠性工程体系建设,可靠性 工程体 系框架,（7）可靠性管理体系,（6）制造工艺可靠性研究体系,（5）故障、失效分析体系,（4）老化

30、筛选体系,（3）可靠性试验体系,（2）可靠性评价体系,（1）可靠性设计体系,2020/7/22,64,可靠性工程体系结构图,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,2020/7/22,65,可靠性试验体系,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,2020/7/22,66,可靠性试验技术能力:,振动系统,ESS系统,AGREE系统,HALT& HASS系统,可靠性增长 试验,环境应力筛选 （ESS）,可靠性测定,可靠性验证 试验,形成全球最先进的电子产品可靠性试验硬件体系,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,1、可靠性工程体系建设,2020/7/22,67,振动系统 约10万美金 2003年,ES

31、S 系统 约10万美金 2003年,AGREE 系统 约20万美金 2004年,HALT& HASS 系统 约20万美金 2004年,把早期失效点提前 推进到恒定失效点,耐环境设计的极 限点测试,MTBF计算,分析工艺结构问题,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,1、可靠性工程体系建设,设备技术和资金评估,2020/7/22,68,电子产品的可靠性是设计出来的、制造出来的、管理出来的。 设计和制造阶段确定下来的可靠性是“固有可靠性”，占产品可靠性的80%以上。是在产品早期设计定型阶段就确定了的可靠性指标，并通过生产得以确定。它是一个设计奠定、生产（制造）实现和管理保证的一个系统工程。“使用可

32、靠性”是产品在使用过程中，因环境和人为因素影响所能达到的可靠性，它约占产品可靠性的20%以下。使用可靠性与运输、环境、操作、安装、维修技术等有关。,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,2、可靠性工作的中心,2020/7/22,69,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,2、可靠性工作的中心,电子产品可靠性的重心在设计和制造。,设计阶段的故障决不放到制造过程中去解决； 生产阶段的故障决不放到成品检验过程中去解决； 成品检验过程中可以清除的故障决不流入客户手中去。 以上环环相扣的严密的过程，应有相应的可靠性管理体系来保证。 如果我们在客户手中发现有设计阶段的故障时，那我们就应该看看是否是体系 问

33、题了。因为产品故障跨越了设计定型、制造过程控制、出厂检验三大屏蔽网。,解决产品可靠性 问题的指导思想,2020/7/22,70,5、可靠性工程在现代工业企业中的应用,2、可靠性工作的中心,产品可靠性的四大评价体系,设计定型 评价体系,制造过程 控制评价 及生产定 型评价体系,出厂检验 评价体系,物料控制 评价体系,2020/7/22,71,1、今后可靠性工作应进一步加强内存产品的PCB、关键IC产品的可靠性应用研究力度；在此基础上开展可靠性预计和分配技术；开展可靠性评价、验证技术；开展内存产品的生产制造工艺可靠性研究，逐步建立标准工艺线的工序能力考核和控制技术；逐步开展先进可靠性设计技术；进行元器件、PCB的失效物理研究、新材料新器件结构性能的失效机理研究、无损检测及筛选技术研究；以及新的失效模式研究，建立各种失效模型，失效数据库，从而控制各种失效模式，实现内存可靠性增长。 2、加强来料老化筛选，并提出严格的可靠性定量指标要求；加强工艺过程控制；加强新产品可靠性设计与功能设计的协调。 3、逐步建立完整的可靠性技术和管理体系。在新产品立项、设计、生产制造、检验、用户服