本篇思維導(dǎo)圖

工程實(shí)踐中，標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性設(shè)計(jì)與分析工作，包括確定產(chǎn)品的可靠性要求、可靠性建模、可靠性預(yù)計(jì)、特性分析和設(shè)計(jì)評(píng)審等15個(gè)工作項(xiàng)目。電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)工作基本流程如圖1所示，涉及的可靠性設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括：可靠性建模技術(shù)、可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)、可靠性分配技術(shù)、薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)、特性分析與適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)、耐久性分析技術(shù)。

圖1 電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)工作基本流程

1 可靠性建模技術(shù)

可靠性建模技術(shù)，即建立系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性框圖及相應(yīng)的可靠性數(shù)學(xué)模型（可靠性概率表達(dá)式），它是產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)、可靠性分配技術(shù)的重要基礎(chǔ)。其中，編制可靠性框圖，需要深入了解產(chǎn)品工作過(guò)程及任務(wù)完成中的要求，通過(guò)框圖直觀地展示工作過(guò)程中產(chǎn)品所有單元之間可靠性的相互依賴(lài)關(guān)系，每個(gè)方框所代表的單元（分系統(tǒng)或設(shè)備、板級(jí)組件、零部件、元器件）失效概率是相互獨(dú)立的；建立可靠性數(shù)學(xué)模型，需要根據(jù)可靠性框圖及其定義，用普通概率法、布爾真值表法等方法擬定每個(gè)框圖的可靠性數(shù)學(xué)模型。

目前，可靠性建模技術(shù)發(fā)展了適用于單功能和多功能系統(tǒng)的串聯(lián)系統(tǒng)模型、并聯(lián)系統(tǒng)模型、冗余（貯備）系統(tǒng)模型、表決系統(tǒng)模型及其組合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。幾種典型的可靠性框圖如圖2-6所示，其中，可靠度數(shù)學(xué)模型中Ri（t）表示第i個(gè)單元的可靠度、ti表示第i個(gè)單元的工作壽命。

（1）串聯(lián)系統(tǒng)模型：由n個(gè)單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)，任意單元發(fā)生故障均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖如圖2所示。

圖2 串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

對(duì)于給定的工作時(shí)間t，串聯(lián)系統(tǒng)工作壽命的可靠度數(shù)學(xué)模型：

（2）并聯(lián)系統(tǒng)模型：由n個(gè)單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)，所有單元都發(fā)生故障才會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖如圖3所示。

圖2 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

對(duì)于給定的工作時(shí)間t，并聯(lián)系統(tǒng)工作壽命的可靠度數(shù)學(xué)模型：

（3）冗余（貯備）系統(tǒng)模型：由n個(gè)單元組成的冗余（貯備）系統(tǒng)，其中，一個(gè)單元工作，n-1個(gè)單元貯備，當(dāng)工作單元發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)向貯備單元繼續(xù)工作。貯備單元失效率和工作單元失效率相等時(shí)的熱貯備系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型與上述并聯(lián)系統(tǒng)模型相同。冷貯備系統(tǒng)可靠性框圖如圖4所示。

圖4 冷貯備系統(tǒng)可靠性框圖

對(duì)于給定的工作時(shí)間t，冷貯備系統(tǒng)工作壽命（tS=t1+t2+…+tn＞t）的可靠度數(shù)學(xué)模型（所有單元壽命均服從指數(shù)分布時(shí)）：

（4）表決系統(tǒng)模型：由n個(gè)單元組成的表決系統(tǒng)，當(dāng)有任意k個(gè)單元正常工作時(shí)系統(tǒng)就能正常工作，稱(chēng)為n中取k表決系統(tǒng)（k/n（G））。k/n（G）表決系統(tǒng)的可靠性框圖如圖5所示。

對(duì)于給定的工作時(shí)間t，k/n（G）表決系統(tǒng)工作壽命tS={t1，t2，…，tn}中至少有k個(gè)大于t的可靠度RS（t）數(shù)學(xué)模型（一般情況下系統(tǒng)由相同的單元組成，各單元可靠度相等，均為Ri（t），假設(shè)表決器完全可靠）：

2 可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)

可靠性預(yù)計(jì)，即對(duì)設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的電子設(shè)備的基本可靠性和任務(wù)可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)，它是產(chǎn)品可靠性分配、可靠性設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)和產(chǎn)品維修方案制訂的重要依據(jù)。預(yù)計(jì)時(shí)，根據(jù)可靠性框圖的基本可靠性模型或任務(wù)可靠性模型，導(dǎo)入可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算預(yù)計(jì)。其中，基本可靠性預(yù)計(jì)采用串聯(lián)模型，預(yù)計(jì)參數(shù)是平均失效間隔時(shí)間（MTBF）或失效率（λ）；任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)采用并聯(lián)或表決系統(tǒng)等模型，將任務(wù)完成概率（MCSP）的預(yù)計(jì)作為預(yù)計(jì)參數(shù)，評(píng)估產(chǎn)品執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中完成規(guī)定功能的能力。

電子產(chǎn)品的創(chuàng)新和應(yīng)用，推動(dòng)了可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代，建立了基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析及四個(gè)層面數(shù)據(jù)源的電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)方法：相似設(shè)備法，用于系統(tǒng)層面早期設(shè)計(jì)方案的權(quán)衡；相似復(fù)雜性法和功能預(yù)計(jì)法，用于分系統(tǒng)設(shè)備方案優(yōu)選；元器件計(jì)數(shù)法，用于設(shè)備元器件品種和數(shù)量基本確定的初步設(shè)計(jì)分析；元器件應(yīng)力法，用于設(shè)備元器件詳細(xì)清單和元器件所承受應(yīng)力已確定的研制階段分析。到21世紀(jì)初，電子產(chǎn)品在航天、航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為提高可靠性預(yù)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性，發(fā)展了基于失效物理的可靠性預(yù)計(jì)方法，以解決布線特征尺寸小于130nm的大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路耗損失效和SMT互連焊點(diǎn)疲勞失效等模式對(duì)失效率貢獻(xiàn)凸顯的問(wèn)題，以及電子產(chǎn)品在多變環(huán)境條件下傳統(tǒng)預(yù)計(jì)手冊(cè)無(wú)法預(yù)計(jì)其可靠性的問(wèn)題。

電子元器件可靠性預(yù)計(jì)是電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的核心基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，電子元器件可靠性預(yù)計(jì)方法已經(jīng)形成兩大類(lèi)預(yù)計(jì)手冊(cè)。

一類(lèi)稱(chēng)為基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的失效率預(yù)計(jì)手冊(cè)，其中，以GJB 299C、MIL-HDBK-217F標(biāo)準(zhǔn)為代表。手冊(cè)中各類(lèi)元器件失效率預(yù)計(jì)模型，是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它通過(guò)大量收集整理各類(lèi)元器件的現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)的隨機(jī)失效數(shù)據(jù)，把失效時(shí)間視為隨機(jī)變量，以概率論為基礎(chǔ)建立了經(jīng)驗(yàn)式的元器件工作失效率預(yù)計(jì)模型，其中基本失效率模型僅考慮了溫度、電應(yīng)力引起的失效率貢獻(xiàn)（集成電路增加機(jī)械應(yīng)力引起的失效率貢獻(xiàn)），根據(jù)預(yù)計(jì)模型對(duì)元器件在不同溫度應(yīng)力水平和降額條件下的工作失效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷和預(yù)測(cè)。

另一類(lèi)稱(chēng)為基于失效物理的失效率預(yù)計(jì)手冊(cè)[96,100]，以ANSI/VITA51.2預(yù)計(jì)手冊(cè)、FIDES guide指南為代表。它通過(guò)收集整理各類(lèi)元器件對(duì)其失效率貢獻(xiàn)較大的主要應(yīng)力和失效機(jī)理，利用失效機(jī)理退化模型，分別獲取元器件在溫度、溫循、濕度、機(jī)械等相關(guān)應(yīng)力條件下的典型基本失效率數(shù)據(jù)，并結(jié)合元器件在電子設(shè)備中的實(shí)際工作時(shí)間權(quán)重和各類(lèi)應(yīng)力加速系數(shù)，建立元器件的工作失效率預(yù)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)更切合實(shí)際的元器件失效率預(yù)測(cè)，作為傳統(tǒng)基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的失效率預(yù)計(jì)方法的補(bǔ)充。

兩類(lèi)預(yù)計(jì)手冊(cè)都建立了各類(lèi)電子元器件工作失效率預(yù)計(jì)模型，積累了大量的元器件基本失效數(shù)據(jù)，在進(jìn)行電子設(shè)備失效率預(yù)計(jì)時(shí)，無(wú)論哪種預(yù)計(jì)方法，都將元器件失效率或失效機(jī)理失效率簡(jiǎn)化為指數(shù)分布，視其在電子設(shè)備隨機(jī)失效階段對(duì)總體失效率的貢獻(xiàn)為恒定失效率，這與電子設(shè)備失效率最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果的浴盆曲線基本相符，這種簡(jiǎn)化處理為電子設(shè)備的可靠性預(yù)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。

（1）基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的失效率預(yù)計(jì)模型。例如：GJB 299C預(yù)計(jì)手冊(cè)中的電子元器件工作失效率預(yù)計(jì)模型如下：

式中，λP是元器件工作失效率；

λb是僅考慮溫度和電應(yīng)力的元器件基本失效率；

πi是各種影響元器件工作失效率的修正因子。

如，普通晶體管及二極管的基本失效率λb模型：

普通晶體管及二極管的工作失效率λP模型：

λP=λbπEπQπAπSDπrπC

模型中基本失效率λb僅考慮元器件在電應(yīng)力和溫度應(yīng)力作用下的失效率，工作失效率λP通過(guò)環(huán)境系數(shù)πE、質(zhì)量系數(shù)πQ、應(yīng)用系數(shù)πA、電壓應(yīng)力系數(shù)πSD、額定功率或額定電流系數(shù)πr、結(jié)構(gòu)系數(shù)πC的修正，調(diào)整這些影響因素對(duì)晶體管及二極管失效率帶來(lái)的影響。

（2）基于失效物理的失效率預(yù)計(jì)模型。例如：FIDES guide預(yù)計(jì)手冊(cè)指南的電子元器件工作失效率預(yù)計(jì)模型如下：

λ=λPhysical·∏PM·∏Process

式中，λ是某類(lèi)元器件的工作失效率；

λPhysical是該類(lèi)元器件物理因素失效率，是由于各類(lèi)物理因素引起的失效率；

∏PM是零部件制造質(zhì)量和技術(shù)因素的失效率修正因子；

∏Process是整機(jī)產(chǎn)品研發(fā)、制造和使用中的質(zhì)量及技術(shù)因素的失效率修正因子。

是該類(lèi)元器件的時(shí)間權(quán)重，壽命剖面第i階段時(shí)間在一年中的比例；

λphase-i是該類(lèi)元器件在壽命剖面第i階段的物理因素失效率；

λ0·∏acceleration是該類(lèi)元器件在壽命剖面第i階段的物理因素總體基本失效率。

式中，∏induced是該類(lèi)元器件在壽命剖面第i階段的過(guò)應(yīng)力影響調(diào)整系數(shù)；

∏Thermal是該類(lèi)元器件在壽命剖面第i階段芯片的溫度加速調(diào)整系數(shù)。

上述兩類(lèi)預(yù)計(jì)模型均可用于電子設(shè)備的可靠性預(yù)計(jì)，區(qū)別在于元器件基本失效率的預(yù)計(jì)。前者僅考慮溫度應(yīng)力和電應(yīng)力對(duì)基本失效率的貢獻(xiàn)，這對(duì)傳統(tǒng)元器件產(chǎn)品完全適用；后者全面考慮了芯片溫度、外殼溫循、引腳焊點(diǎn)溫循、潮濕、機(jī)械等應(yīng)力下的一系列失效機(jī)理的基本失效率之和，這對(duì)特征尺寸小于130nm的亞微米級(jí)、超深亞微米級(jí)半導(dǎo)體集成電路和高密度集成組件SMT焊點(diǎn)而言是必須的。

3 可靠性分配技術(shù)

可靠性分配就是把系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性總體要求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品每個(gè)單元的可靠性要求的過(guò)程。可靠性分配參數(shù)可以是：可靠度（R（t））、平均失效間隔時(shí)間（MTBF）、故障率（λ）等，分配后的參數(shù)作為產(chǎn)品各單元的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)。產(chǎn)品可靠性分配的基本原則是保證依據(jù)分配指標(biāo)設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品滿(mǎn)足規(guī)定的可靠性總體要求，因此產(chǎn)品可靠性分配包括求解下面的不等式：

式中，?Ri^是分配給第i個(gè)單元的可靠性要求參數(shù)（i=1，2，3，…，n）；

R*是產(chǎn)品可靠性總體要求參數(shù)；

f是產(chǎn)品各單元與產(chǎn)品間的可靠性函數(shù)關(guān)系。

系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性分配方法，包括：不考慮各單元重要性串聯(lián)系統(tǒng)的等分配法，考慮產(chǎn)品復(fù)雜程度、技術(shù)成熟度、工作時(shí)間、環(huán)境條件等因素分值的評(píng)分分配法（目標(biāo)可達(dá)性分配法），適用于與老系統(tǒng)相似的新設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)品的比例組合分配法，考慮產(chǎn)品各單元重要度和復(fù)雜度的分配法（AGREE分配法），針對(duì)產(chǎn)品較低可靠度單元提升的最少工作量分配法（可靠度再分配法）等。

實(shí)際應(yīng)用中，不論采用哪種可靠性分配方法，為減少分配的重復(fù)次數(shù)和避免附加設(shè)計(jì)的反復(fù)分配，需要在規(guī)定的可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)各單元的可靠性分配留有一定的裕量。

4 薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)

薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)，包括：失效模式與影響分析（FMEA）、故障樹(shù)分析（FTA）、潛在電路分析（SCA）、電路容差分析（CTA）等技術(shù)。多年的研究總結(jié)和凝練，形成了標(biāo)準(zhǔn)化的FMEA、FTA、SCA、CTA方法和技術(shù)，目的是通過(guò)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)品自上而下或自下而上的全面分析，發(fā)現(xiàn)元器件、零部件、設(shè)備在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中可能存在的故障模式，以及每一種故障模式的產(chǎn)生原因及影響，找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)措施。

5 特性分析與適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)

特性分析與適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)，包括：降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、機(jī)械強(qiáng)度分析、環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)、有限元分析等技術(shù)。其中，降額設(shè)計(jì)使元器件使用中承受的應(yīng)力低于其額定值，以達(dá)到延緩其參數(shù)退化，提高使用可靠性的目的；冗余設(shè)計(jì)是指重復(fù)配置系統(tǒng)中的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，讓冗余的部件及時(shí)承擔(dān)故障部件的工作；熱設(shè)計(jì)是通過(guò)采用適當(dāng)?shù)纳岱绞剑刂飘a(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的工作溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)規(guī)定的最高溫度上限；機(jī)械強(qiáng)度分析是通過(guò)分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性，確定包裝、儲(chǔ)存、裝卸、運(yùn)輸、維修等對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響；環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)是指針對(duì)影響產(chǎn)品可靠性的環(huán)境因素，采取必要的設(shè)計(jì)防護(hù)，減少或消除有害的環(huán)境影響，設(shè)計(jì)防護(hù)包括：溫度保護(hù)、沖擊和振動(dòng)隔離、潮濕保護(hù)、沙塵保護(hù)、防爆、電磁兼容設(shè)計(jì)等；有限元分析是指通過(guò)采用有限元分析技術(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度、熱特性、電磁場(chǎng)、潮氣擴(kuò)散等進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品承載設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料的薄弱環(huán)節(jié)及產(chǎn)品的過(guò)熱部分。

6 耐久性分析技術(shù)

耐久性分析技術(shù)，包括：機(jī)械零部件的機(jī)械疲勞損傷、電子元器件的電耗損和熱機(jī)械耗損退化等分析技術(shù)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)的耐久性分析，評(píng)價(jià)機(jī)械零部件的耐久性或機(jī)械疲勞壽命，評(píng)價(jià)電子元器件的耗損機(jī)理退化壽命?？赏ㄟ^(guò)評(píng)價(jià)產(chǎn)品壽命周期的載荷與應(yīng)力、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料特性和失效機(jī)理等進(jìn)行耐久性分析，發(fā)現(xiàn)過(guò)早發(fā)生耗損故障的機(jī)械零部件、電子元器件，確定故障的根本原因和可能采取的糾正措施。

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