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嘉峪檢測網(wǎng) 2020-04-28 10:18
背后的故事
Reliability Testing作為Solid State Drive（簡稱固態(tài)硬盤）SIT測試階段最重要的測試項，推動著產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提升。UBER、Endurance、Retention、Temperature Extreme、MTBF等可靠性指標(biāo)值也作為產(chǎn)品競爭力的一部分體現(xiàn)在產(chǎn)品規(guī)格書中。馬克思先生指導(dǎo)我們：“See through the appearance to perceive the essence”，這期讓我們透過MTBF，去發(fā)現(xiàn)其背后的故事！
幾個術(shù)語
古人有云：兵馬未動，糧草先行；宜未雨而綢繆，毋臨渴而掘井；足不強則跡不遠，鋒不铦則割不深！不錯，總結(jié)就是：開戰(zhàn)前，我們先把幾個基本概念理清楚（敲黑板，劃紅線）！
Failure Rate：failure Rateλ，λ定義為失效個數(shù)r與n測試樣品在指定測試條件下運行t時間的比值，即λ= r / n*t 。針對電子產(chǎn)品，通常我們用FIT（Failure In Time）體現(xiàn)，如1 FIT代表運行10^9小時，出現(xiàn)1個失效設(shè)備。
例子：4000個測試設(shè)備，同時持續(xù)運行了5000個小時，最終發(fā)現(xiàn)有2個設(shè)備發(fā)生故障，則通過計算可以得知λ=2/4000*5000h=1*10^-7 h ，則λ=100 FIT
浴盆曲線：又稱失效率曲線，指產(chǎn)品從投入到報廢為止的整個生命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律，大致分為早期失效期、隨機失效期、損耗失效期。我們通常描述的FIT實際是指的是隨機失效期（明確失效周期可以指導(dǎo)我們正確定義Ea值，進而減少實際誤差）
MTBF：即平均故障間隔時間，英文全稱是“Mean Time Between Failure”，指新的產(chǎn)品在規(guī)定的工作環(huán)境條件下開始工作到出現(xiàn)第一個故障的時間的平均值。MTBF越長表示可靠性越高，保持正確工作能力越強，單位為“小時”。通常也指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，也稱為平均故障間隔。它僅適用于可維修產(chǎn)品（不可維修產(chǎn)品我們用MTTF定義）。當(dāng)產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布時，失效率的倒數(shù)表示兩個失效之間的時間間隔。λ=1/MTBF
例子：某產(chǎn)品SSD MTBF值標(biāo)稱為150萬小時，保修5年；150萬小時約為171年，并不是說該產(chǎn)品SSD每塊盤均能工作171年不出故障。由MTBF=1/λ可知λ=1/MTBF=1/171年，即該固態(tài)硬盤的平均年故障率約為0.6%，一年內(nèi)，平均1000塊固態(tài)硬盤有6塊會出故障。
綜上所述，F(xiàn)IT/MTBF值是產(chǎn)品設(shè)計時要考慮的重要參數(shù)，測試工程師經(jīng)常使用各種不同的方法與標(biāo)準(zhǔn)來估計產(chǎn)品的MTBF值，其目的就是為了找出產(chǎn)品設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)。
如何測MTBF？
古人云：萬事俱備，只欠東風(fēng)；養(yǎng)兵千日,用兵一時；十年磨一劍，霜刃未曾試。總結(jié)一句話就是：實戰(zhàn)中，我們可以通過一些工程化的測試方法，使測試MTBF參考值和實際應(yīng)用中MTBF值誤差最小。
MTBF有三種測試方法，分別是：預(yù)測法、實驗法、實測法，三種方法都可以完成MTBF的測試需求，蘿卜白菜各有所愛，文章結(jié)束，大家應(yīng)該能找到屬于自己的答案。
MTBF預(yù)測法：
1、標(biāo)準(zhǔn)局限性：目前最通用的權(quán)威性標(biāo)準(zhǔn)是MIL-HDBK-217、GJB/Z299B和Bellcore，分別用于軍工產(chǎn)品和民用產(chǎn)品。其中，MIL-HDBK-217是由美國國防部可靠性中心及Rome實驗室提出并成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，專門用于軍工產(chǎn)品MTBF值計算，GJB/Z299B是我國軍用標(biāo)準(zhǔn)；而Bellcore是由AT&TBell實驗室提出并成為商用電子產(chǎn)品MTBF值計算的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。MIL-HDBK-217據(jù)說95年發(fā)布一版后就不再維護更新了，所以標(biāo)準(zhǔn)本身也有局限性
2、預(yù)測法局限性：預(yù)測法主要采用應(yīng)力分析法和元件計數(shù)法分析產(chǎn)品的MTBF。主要考慮的是產(chǎn)品中每個器件的失效率；影響因素包括：πE 環(huán)境因素Environment factor) 、πQ 品質(zhì)因素：(Quality factor)、πA 應(yīng)用因素：(Application factor)、πC 復(fù)雜性因素：(Quality factor)、πL 累計因素：(Learning factor)、πS 電應(yīng)力因素：(Electrical Stress factor)、πT 溫度因素：(Temperature factor）等。受各種因素影響，以及計算參數(shù)的選擇上受計算人員對系數(shù)的掌握和了解程度影響很大，因此和實際值相比會有很大的差異。不推薦。
MTBF實測法：
顧名思義，就是直接測試，最終統(tǒng)計結(jié)果，比如MTBF比較小的產(chǎn)品可以按照這種方法直接驗證，假如產(chǎn)品手冊宣稱150萬小時，這種方法的確不太可行。
MTBF 實驗法：
這種方法是我個人比較推薦的一種方法，經(jīng)過合理的測試方法，參考準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)評估出來的MTBF也是比較準(zhǔn)確的，實驗法大致也分：定時截尾試驗：指實驗到規(guī)定的時間終止。定數(shù)截尾試驗：指實驗到出現(xiàn)規(guī)定的故障數(shù)或失效數(shù)時而終止。因為溫度是我們產(chǎn)品唯一的加速因素，所以這里我引入了加速因子（AF：Accelerate Factor），加速因子AF即為產(chǎn)品在正常使用條件下的壽命和高測試應(yīng)力條件下的壽命的比值。一般采用Arrhenius Model（阿氏模型），AF=e{ Ea/Kb*[1/Tn-1/Ta]} （畫圈圈，在我們Reliability Testing中會經(jīng)常用到這個AF）。
Ea：活化能，單位eV，活化能高，表示對溫度變化影響比較顯著。當(dāng)試驗的溫度與使用溫度差距范圍不大時，Ea可設(shè)為常數(shù)。一般電子產(chǎn)品在早期失效期的Ea為0.2~0.6eV，隨機失效期的Ea趨近于1.0eV；損耗失效期的Ea大于1.0eV。后面例子我用到Ea值=1.1
Kb：Boltzmann Constant波茲曼常數(shù)，(0.00008623eV/°k)
Tn：正常操作條件絕對溫度(°k)
Ta：加速壽命試驗條件絕對溫度(°k)
E：2.718
Confidence Level：信心度 ，一般為60%，α=0.4；90%，α=0.1
UCL ：Unit Confidence Level，信心系數(shù)。UCL=X^2(α,2r+2)，使用卡方公式作為對MTBF準(zhǔn)確性的要求，因此冒險率越小，X^2就越大，計算的MTBF越小，可信度越高。同時失效數(shù)r越大，不良率就高了，X^2自然也變大，在同樣的時間下MTBF就會變小。該值可以直接參考JESD47，附表為Confidence Level =60%時的UCL
亮劍公式：
MTBF=Total Test Time*AF/UCL
Total Test Time=(Sample Size) *(Test Days)*(Power On Hours/Day)
例：100塊樣品，信心度為0.6，用戶使用溫度為30度，測試溫度為55度。假設(shè)在測試60天后，有1塊盤失效，請計算MTBF值。
（我自己做了一個專門計算AF的表，只需要輸入正常使用溫度和壓力溫度方可計算出AF值，根據(jù)上述描述可以算的AF=24.78）
AF= AF=e{ Ea/Kb*[1/Tn-1/Ta]}=24.78
MTBF=100*60*24*24.78/2.03≈170W 小時
來源：Internet
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