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在第二次世界大戰(zhàn)中，為了能對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行量化評(píng)估，美國(guó)政府采購(gòu)部門(mén)著手建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法來(lái)制定需求規(guī)格和預(yù)測(cè)過(guò)程。因?yàn)槿绻麤](méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，每個(gè)供應(yīng)商的預(yù)測(cè)就會(huì)基于他們各自的數(shù)據(jù)。這樣，對(duì)于一個(gè)由不同供應(yīng)商生產(chǎn)的元器件組成的系統(tǒng)，不僅將難以評(píng)估其可靠性預(yù)計(jì)，而且對(duì)于同樣功能的元件或系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)之間的比較也造成了困難。

 

可靠性預(yù)測(cè)與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)可以追溯到 1956 年 11 月。那時(shí) RAC 發(fā)布了以“電子設(shè)備的可靠性應(yīng)力分析”為題的 TR-1100 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)介紹了元器件失效的計(jì)算值模型。此后，美軍方發(fā)布了MIL-HDBK-217 可靠性預(yù)測(cè)手冊(cè)。

 

MIL-HDBK-217A 規(guī)定，不論其使用環(huán)境、應(yīng)用場(chǎng)合、所用材料、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、器件功耗、制造工藝或制造商，所有的單塊集成電路的失效率都是每百萬(wàn)小時(shí) 0.4 個(gè)失效。這種單一數(shù)值的失效率反映出一個(gè)事實(shí)：正確性和科學(xué)性沒(méi)有像標(biāo)準(zhǔn)化一樣被關(guān)注。

 

微電子器件復(fù)雜的發(fā)展，使得依據(jù) MIL-HDBK- 217 手冊(cè)的預(yù)計(jì)日趨困難。有人可能會(huì)說(shuō) MIL-HDBK-217 不應(yīng)該用來(lái)預(yù)計(jì)新技術(shù)的可靠性。但是由于手冊(cè)一般來(lái)說(shuō)都是幾年以前出版的，而其中的數(shù)據(jù)一般是出版之前 5 到 10 年或更久以前的，那么我們可以公正地說(shuō)，手冊(cè)已經(jīng)不能用來(lái)對(duì)任何正在使用的電子技術(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)了。例如利用 MIL- HDBK - 217B 對(duì) 64K 隨機(jī)存儲(chǔ)器件（RAM）計(jì)算出的平均故障間隙時(shí)間是 13 秒。此結(jié)果超過(guò)器件實(shí)際 MTBF（Mean Time Between Failures,  平均故障間隔時(shí)間）幾個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，由于電子業(yè)的迅猛發(fā)展，MIL-HDBK-217 不能有效地預(yù)計(jì)電子產(chǎn)品可靠性了。

 

現(xiàn)在，美軍方已經(jīng)取消了 MIL-HDBK-217 標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)政府和軍方，以及美國(guó)和歐洲的各種電子元器件、印刷電路板、電子設(shè)備和系統(tǒng)的制造商，已經(jīng)不再使用傳統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法（如 MIL-HDBK-217 及其衍生標(biāo)準(zhǔn)）。

 

通過(guò)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST）、貝爾北方研究所、美國(guó)陸軍、波音公司、Honeywell、Delco 和福特汽車(chē)公司等機(jī)構(gòu)進(jìn)行的研究清楚地表明，這一傳統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法已經(jīng)給業(yè)界帶來(lái)了損害，必須加以改變。

 

當(dāng)前，我國(guó)軍工企業(yè)很多單位還在沿用美國(guó)的方法，緊抱著GJB299不放啊，甚至有些專(zhuān)家也是開(kāi)口閉口都是299，基本上是把可靠性預(yù)計(jì)當(dāng)作表面文章。

 

想要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電子產(chǎn)品的可靠性，需要掌握器件工程，設(shè)計(jì)原理，生產(chǎn)與制造工藝流程以及預(yù)期的使用環(huán)境。到目前已有多種方式可以對(duì)電子系統(tǒng)和部件的可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)，可靠性物理學(xué)方法在工業(yè)和防務(wù)領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。

 

可靠性物理學(xué)方法（RPA）是建立在掌握失效機(jī)理并且可以套用故障物理學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上。故障物理學(xué)是一種可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致電子部件失效的物理過(guò)程和原理并進(jìn)行特征分析和建模的方法，其核心是運(yùn)用物理和化學(xué)既有方程式進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模和仿真。

 

另外，針對(duì)非電子產(chǎn)品，工程上也越來(lái)越重視可靠性預(yù)計(jì)方法的實(shí)用性，以及對(duì)產(chǎn)品可靠性改進(jìn)發(fā)揮的作用。

     

表1 非電產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法

預(yù)計(jì)方法	適用范圍	預(yù)計(jì)參數(shù)	前提條件
相似產(chǎn)品法	方案階段	MTBF、λ	a）有相似產(chǎn)品，且該產(chǎn)品與相似產(chǎn)品間的差別易于評(píng)定 b）有相似產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)
修正系數(shù)法	工程研制階段早期	λ	a）有該零件的故障率模型 b）能確定零部件模型中所需的設(shè)計(jì)使用參數(shù)
應(yīng)力強(qiáng)度干涉法	工程研制階段中后期	R(t)	能確定零部件應(yīng)力和強(qiáng)度的分布形式、分布參數(shù)
極限狀態(tài)函數(shù)法	工程研制階段中后期	R(t)	能確定零部件應(yīng)力和強(qiáng)度的表達(dá)式

 

相似產(chǎn)品法

相似產(chǎn)品法的基本思想是根據(jù)仿制或改型的類(lèi)似國(guó)內(nèi)外非電產(chǎn)品的故障率，分析兩者在組成結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)水平、制造工藝水平、原材料與零部件選用情況、使用環(huán)境等方面的相似因素，通過(guò)專(zhuān)家評(píng)分給出各方面的修正系數(shù)，綜合權(quán)衡后得出一個(gè)綜合修正因子，再用相似產(chǎn)品故障率除以綜合修正因子，得到新產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果。此方法類(lèi)似于電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)中的相似產(chǎn)品法。

 

修正系數(shù)法

修正系數(shù)法的基本思想是：通過(guò)建立零部件故障率與影響其故障模式的主要設(shè)計(jì)、使用參數(shù)的函數(shù)關(guān)系（即故障率模型）來(lái)預(yù)計(jì)新的零部件的故障率，再運(yùn)用產(chǎn)品可靠性模型，預(yù)計(jì)產(chǎn)品的可靠性。

 

修正系數(shù)法的實(shí)施步驟和要點(diǎn)為：

（1）建立零部件的故障率模型。根據(jù)零部件的種類(lèi)，參考預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)（如NSWC-98/LE1《機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序手冊(cè)》），確定故障率模型。

（2）確定零部件的相關(guān)參數(shù)。依照選定的故障率模型確定零部件預(yù)計(jì)需要的參數(shù)，主要是設(shè)計(jì)、使用參數(shù)（如速度、載荷、規(guī)定溫度、潤(rùn)滑劑的黏度等）。

（3）計(jì)算零部件的故障率。

（4）根據(jù)可靠性模型預(yù)計(jì)產(chǎn)品的可靠性。

    如從NSWC-98/LE1《機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序手冊(cè)》找出齒輪的故障率模型為：

    λGE  =λGE,B·CGS·C GP·CGA·C GL·C GT·C GV

   式中：λGE—特定情況下齒輪故障率

            λGE,B —制造商提供的基本故障率；

            CGS —速度偏差的修正系數(shù)；

            C GP —載荷偏差的修正系數(shù)；

            C GA —軸線不重合度的修正系數(shù)；

            C GL —潤(rùn)滑偏差的修正系數(shù)；

            C GT —溫度的修正系數(shù)；

            C GV —保養(yǎng)因素的修正系數(shù)。

 

應(yīng)力—強(qiáng)度干涉法

 

應(yīng)力—強(qiáng)度干涉法的基本思想是：零部件是否故障取決于強(qiáng)度與應(yīng)力的關(guān)系，當(dāng)強(qiáng)度大于應(yīng)力時(shí)，認(rèn)為零部件正常；而當(dāng)應(yīng)力大于強(qiáng)度時(shí)，則認(rèn)為零部件必定故障。實(shí)際工作中應(yīng)力與強(qiáng)度表現(xiàn)為一定分布狀態(tài)的隨機(jī)變量，將應(yīng)力與強(qiáng)度表示在同一坐標(biāo)系中，如圖2所示，圖中陰影即為應(yīng)力—強(qiáng)度“干涉區(qū)”，在此區(qū)域內(nèi)就可能發(fā)生應(yīng)力大于強(qiáng)度的情況，計(jì)算干涉區(qū)內(nèi)應(yīng)力大于強(qiáng)度的概率模型（故障概率），即為應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型。

 

應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型中，應(yīng)力X和強(qiáng)度Y的概率密度函數(shù)分別用和表示,強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率（可靠度）可表示為：

 應(yīng)力—強(qiáng)度干涉法實(shí)施步驟：

   （1）確定零部件應(yīng)力、強(qiáng)度分布。

    （2）根據(jù)應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型計(jì)算零部件可靠度。常用概率分布的可靠度計(jì)算公式見(jiàn)表2。

   （3）根據(jù)可靠性建模的基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型預(yù)計(jì)產(chǎn)品的可靠性。

 

在工程使用時(shí)，應(yīng)力—強(qiáng)度干涉法要求知道應(yīng)力和強(qiáng)度這兩個(gè)隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)，這些函數(shù)在實(shí)際中難以得到，應(yīng)用中常采取近似假設(shè)。另外，可對(duì)干涉模型中的應(yīng)力和強(qiáng)度的概念推廣，凡是引起故障的因素都稱(chēng)為“應(yīng)力”，凡是阻止故障的因素都稱(chēng)為“強(qiáng)度”，那么應(yīng)力—強(qiáng)度干涉法同樣可以應(yīng)用到剛度、磨損及其他可靠性問(wèn)題中。

 

極限狀態(tài)函數(shù)法

應(yīng)力—強(qiáng)度干涉法是概率分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但是由于應(yīng)力—強(qiáng)度干涉法需要已知應(yīng)力和強(qiáng)度的分布類(lèi)型和概率密度函數(shù)，因此工程中有時(shí)難以直接應(yīng)用。通過(guò)建立極限狀態(tài)函數(shù)，利用一次二階矩等方法，可以不需要知道應(yīng)力和強(qiáng)度分布進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，該方法是近似概率法的一種，常用于結(jié)構(gòu)可靠性概率設(shè)計(jì)。

一次二階矩法基本思想是把極限狀態(tài)函數(shù)用近似極限狀態(tài)曲面代替原極限狀態(tài)曲面。一次二階矩法是在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)空間中在均值點(diǎn)或最可能失效點(diǎn)處構(gòu)造與極限狀態(tài)曲面相切的切平面，然后計(jì)算原點(diǎn)到該切平面的距離從而計(jì)算可靠度，即將極限狀態(tài)函數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)一次展開(kāi)，利用隨機(jī)變量的均值（一階矩）和標(biāo)準(zhǔn)差（二階矩）計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度的值。目前比較常用的計(jì)算此類(lèi)問(wèn)題的方法是驗(yàn)算點(diǎn)法，下面給出驗(yàn)算點(diǎn)法的實(shí)施步驟。

 

極限狀態(tài)函數(shù)法注意事項(xiàng)：

1）注意區(qū)分隨機(jī)變量的分布形式，對(duì)正態(tài)分布和非正態(tài)分布要分別處置。

2）一次二階矩法計(jì)算量較大，建議采用計(jì)算機(jī)軟件輔助計(jì)算。