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嘉峪檢測網 2020-07-24 15:10
一、可靠性的基本概念
隨著電子技術的發(fā)展，對電子設備也提出了更高的要求，由于設備技術性能和結構要求等方面的提高，可靠性問題愈顯突出，如果沒有可靠性保證，高性能指標是沒有任何意義的。
現(xiàn)代用戶買產品就是買可靠性，對生產廠家來說，可靠性就是信譽，就是市場，就是經濟效益。從整機來講，可靠性貫穿于設計、生產、管理中，從部件、元器件的角度來講，電子元器件的可靠性水平決定了整機的可靠性程度。
可靠性屬于質量的范疇，是產品質量的時間函數(shù)。從基本概念上講，可靠性指標與質量的性能指標所強調的內容是不同的，可靠性的基本概念與時間有關，這些基本概念的具體化，就是產品故障或壽命特征的數(shù)學模型化，只有通過可靠性試驗才能確定產品故障或壽命特征符合哪一種數(shù)學分布，才可以決定產品的可靠性指標，進而推算產品的可靠程度，在可靠性工程中，最常見的壽命分布函數(shù)有指數(shù)分布、威布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布。
二、可靠性試驗的特點和分類
電子設備的可靠性指標是一些綜合性、統(tǒng)計性的指標，與質量性能指標完全不同，不可能用儀表、儀器或其它手段得到結果，而是要通過試驗，從試驗的過程中取得必要的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)分析，處理才能得到可靠性指標的統(tǒng)計量?？煽啃灾笜说膶崿F(xiàn)主要依靠現(xiàn)場試驗或模擬現(xiàn)場條件試驗，一般說電子設備的可靠性試驗可以分為研制階段的試驗、可靠性驗收試驗、可靠性增長試驗、元器件老煉試驗、極限試驗、負荷及過負荷試驗、過載能力試驗等，這類試驗的目的是了解設計是否滿足了可靠性指標的要求，找出或排除設計與制造過程中的缺限和不足，證明設計可靠性能否實現(xiàn)。
對于不同的電子設備，所要達到的目的不同，可以進行的可靠性試驗形式也就各異。
因此可靠性試驗對于電子設備來說是一個系統(tǒng)工程，溫度、振動、沖擊及高溫壽命、加速壽命等試驗在實際應用中較為廣泛。
三、MTBF術語
在工業(yè)領域從電子設備出現(xiàn)開始，業(yè)界一直在關心這些設備能夠正常工作的時間長度和出現(xiàn)故障的頻率。一般來說，MTBF這個指標可以衡量產品的可靠性，MTBF越高，產品可靠性越強，在壽命周期內的故障和維修次數(shù)也就越低。
MTBF，即平均故障間隔時間，單位為“小時”，英文全稱是“Mean Time Between Failure”，代表從新產品在規(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數(shù)值越大表示可靠性越高，正確工作能力越強。它反映了產品的時間質量，是體現(xiàn)產品在規(guī)定時間內保持功能的一種能力。
具體來說，是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。產品故障少代表可靠性高，規(guī)定產品在總的使用階段累計工作時間與故障次數(shù)的比值為MTBF。
四、MTBF測試原理
1.加速壽命試驗 (AcceleratedLife Testing)
1.1 執(zhí)行壽命試驗的目的在于評估產品在既定環(huán)境下之使用壽命。
1.2 常規(guī)試驗耗時較久，且需投入大量的金錢，而產品可靠度信息又不能及時獲得並加以改善。
1.3 可在實驗室里里以加速壽命試驗的方法，在可接受的試驗時間里評估產品的使用壽命。
1.4 是在物理與時間上，加速產品的劣化原因，以較短的時間試驗來推定產品在正常使用狀態(tài)的壽命或失效率。但基本條件是不能破壞原有設計特性。
1.5 一般情況下, 加速壽命試驗考慮的三個要素是環(huán)境應力，試驗樣本數(shù)和試驗時間。
1.6 一般電子和通訊業(yè)的零件可靠度模式及加速模式幾乎都可以從美軍規(guī)范或相關文獻查得，也可自行試驗分析，獲得其數(shù)學經驗公式。
1.7 如果溫度是產品唯一的加速因素，則可采用阿氏模型(Arrhenius Model)，此模式最為常用。
1.8 引進溫度以外的應力，如濕度、電壓、機械應力等，則為艾林模型(Eyring Model)，此種模式適用的產品包括電燈、液晶顯示元件、電容器等。
1.9反乘冪法則(Inverse PowerLaw)適用于金屬和非金屬材料，如軸承和電子裝備等。
1.10 復合模式(CombinationModel)適用于同時考慮溫度與電壓作為環(huán)境應力的電子材料(如電容如下式為電解電容器壽命計算公式)
1.11 一般情況下，主動電子零件完全適用阿氏模型，而電子和通訊類成品也可適用阿氏模型，原因是成品類的失效模式是由大部分主動式電子零件所構成。因此，阿氏模型廣泛應用于電子、通訊行業(yè)。
2. 阿氏模型的加速因子
2.1 阿氏模型起源于瑞典物理化學家SvandteArrhenius 1887年提出的阿氏反應方程式。
R:反應速度 speed of reaction
A: 溫度常數(shù) a unknown non-thermal constant
EA: 活化能 activation energy (eV)
K: Boltzmann常數(shù)，等于8.623*10-5 eV/0K.
T: 為絕對溫度(Kelvin)
2.2 加速因子
加速因子即為產品在使用條件下的壽命(Luse)和高測試應力條件下(Laccelerated)的壽命的比值。
如果產品壽命適用于阿氏模型，則其加速因子為:
Ts: 室溫+常數(shù)273
Tu: 高溫+常數(shù)273
K: Boltzmann常數(shù)，等于8.623*10-5eV/0K.
2.3 加速因子中活化能Ea的計算
2.3.1 一般電子產品在早夭期失效之Ea為0.2~0.6Ev，正常有用期失效之Ea趨近于1.0Ev；衰老期失效之Ea大于1.0Ev。
2.3.2 根據(jù) HP 可靠度工程部(CRE)的測試規(guī)范，Ea是產品所有零件Ea的平均值。如果新產品的Ea無法計算，可以將Ea設為0.67Ev，做常數(shù)處理。
2.3.3 但是，Dell和Motorola產品的Ea因客戶有特殊要求須設為0.6Ev。
2.3.4 如按設備所有零件Ea的平均值來計算，則可按以以例證參考進行。
注:對各類電子零部件其Ev值可按上述參考值進行計算
五、 MTBF推算方法
1. 由MTBF定義可知，規(guī)定產品在總的使用階段累計工作時間與故障次數(shù)的比值為MTBF, 指數(shù)(Exponential)分布是可靠度統(tǒng)計分析中使用最普遍的機率分布。指數(shù)分布之MTBF數(shù)值為失效率λ的倒數(shù)，故一旦知道λ值，即可由可靠度函數(shù)估算產品的可靠度。
MTBF= Total Operating(Hrs)/Total Failures
2. MTBF的估計值符合卡方分配原理, 其語法為:
故有以下公式:
T= Total Hours
r=Number of failures
Φ =Confidence interval
注: If there are no failures then:(如果未有不良發(fā)生)
MTBFlower = T/-ln(ConfidenceInterval)
六、DMTBF計算
DMTBF: 平均無故障時間驗證，英文全稱:Demonstration Mean time Between failures
計算方法：以溫度為加速壽命試驗且采用阿氏加速壽命模式(Arrhenius Model)
計算公式：(實際使用中，如需要可在分子上乘上24Hrs以方便計算時數(shù))
Duration=[(MTBFspec/2)* GEMfactor] / (DC*Samplesize* Afpowr* AF)
Duration:持續(xù)測試時間
MTBFspec:平均無故障時間
GEMfactor: General Exponential Model綜合指數(shù)
DC: Duty cycle占空比
Sample size:樣本數(shù)
Afpower:加速系數(shù)
AF:加速因子
注：此公式是公司A的公式，但和公司B的不一樣，公司B的公式里沒有2這個分母，所以按此公式算，公司A在做壽命測試時時間要比公司B的短。
1. Duration:持續(xù)測試時間
即一個單位或幾個單位的樣品在進行壽命試驗時總的需要測試的時間
2. GEMfactor: GeneralExponential Model綜合指數(shù)
此指數(shù)一般取常數(shù)，其取值標準為按照Confidence Level進行取值，常用的值為80%信心水準取3.22；而90%信心水準時取2.3026。(公司A現(xiàn)行標準均采用80%信心水準)
3. DC: Duty cycle占空比
即在設備進行開關運行過程中，運行時間占總時間的百分比(如45min ON/15min OFF則其DC值即為:
45min/(45min+15min)=0.75
4. Sample size:樣本數(shù)
根據(jù)實際狀況確認的作壽命試驗的設備數(shù)
5. MTBFSpec:平均無故障時間
規(guī)格書上訂明的設備MTBF時間數(shù)
6. AFpower:加速系數(shù)
即在設備進行開關運行過程中，1小時時間和一個Cycle的ON和OFF時間之和的比值，如:
設備選擇25min ON/5min OFF則Afpower值為:
AFpower=60min/(25+5)min=2
7. AF:加速因子，產品在使用條件下的壽命(Luse)和高測試應力條件下(Laccelerated)的壽命的比值(見2.2所述)。
七、進行可靠性試驗時時間和取樣數(shù)的設定
在進行產品可靠性驗證計劃時，如算得的實驗時數(shù)過長，可以以增加驗證設備數(shù)量按比例來減少壽命測試的時間的修正方法，如：在進行可靠性計劃時如果算得的1個單位的設備其壽命測試時間為1280Hrs，則可以增加實驗設備數(shù)，如使用10個單位的設備進行測試，而1個單位的總測試時間可平均分配至10個單位的設備上，即1280Hrs/10=128Hrs或7 Days。
八、實例
1、根據(jù)客訴/退不良計算量產產品MTBF:
2、根據(jù)spec MTBF計算可靠性驗證時數(shù)和取樣數(shù)
3、當樣品不足導致測試時間過長時采用分批驗證:
(1)經推算TG-3008其1個單位的樣品壽命測試時數(shù)如下:
(2)因為樣機不能在一個批次同時取到，每次只能取部分樣品, 所以，必須采用分批實驗的方法進行，分批實驗的方法如下:
來源：可靠性知識
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