電子系統(tǒng)裝備可靠性問題研究

賀世民　郭浩　陳玉斌　寶國輝

【摘 要】本文主要闡述了電子產(chǎn)品可靠性常用基礎(chǔ)概念、常用公式及實施方法，較為系統(tǒng)地介紹了電子產(chǎn)品可靠性工作的流程，對于電子系統(tǒng)裝備的技術(shù)人員和管理人員，具有一定的參考應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】可靠性；可用性；MTBF；可靠性模型；可靠性預(yù)計

1.認(rèn)識產(chǎn)品可靠性工作

1.1什么是產(chǎn)品的可靠性

產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力叫產(chǎn)品的“可靠性”。通俗地說，產(chǎn)品故障出的少，就是可靠性高?？煽啃缘母怕识攘拷锌煽慷龋肦（t）表示。

設(shè)N個產(chǎn)品從時刻“0”開始工作，到時刻t失效的總個數(shù)為n（t），當(dāng)N足夠大時

R（t）≈[N-n（t）]/N=N（t）/N

這里邊重點是產(chǎn)品、規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能。

產(chǎn)品：硬件（汽車、電視機(jī)等）、流程性材料（水泥、燃油、煤氣等）、軟件（程序、記錄等）、服務(wù)（理發(fā)、導(dǎo)游等）。

規(guī)定條件：主要指自然、人文等環(huán)境。

規(guī)定時間：指時間段或某一時刻。

規(guī)定功能：產(chǎn)品所應(yīng)達(dá)到的能力和效果。

我們這里講到的產(chǎn)品可靠性通俗說就是我們研制生產(chǎn)的設(shè)備或系統(tǒng)在用戶所處的環(huán)境中使用時實現(xiàn)其應(yīng)有的技戰(zhàn)術(shù)性能的能力。

1.2產(chǎn)品可靠性的重要性

在國際上，可靠性起源于第二次世界大戰(zhàn)，1944年納粹德國用V-2火箭襲擊倫敦，有80枚火箭在起飛臺上爆炸，還有一些掉進(jìn)英吉利海峽。由此德國提出并運用了串聯(lián)模型得出火箭系統(tǒng)可靠度，成為第一個運用系統(tǒng)可靠性理論的飛行器。當(dāng)時美國海軍統(tǒng)計，運往遠(yuǎn)東的航空無線電設(shè)備有60%不能工作。電子設(shè)備在規(guī)定使用期內(nèi)僅有30%的時間能有效工作。在此期間，因可靠性問題損失的飛機(jī)2.1萬架，是被擊落飛機(jī)的1.5倍。由此引起人們對可靠性問題的認(rèn)識，通過大量現(xiàn)場調(diào)查和故障分析，采取對策，誕生了可靠性這門學(xué)科。

上述例子充分證明了裝備可靠性的重要。因此現(xiàn)代武器裝備既要重視性能，又不能輕視可靠性。要獲得裝備的高可靠性，目前通用的做法是采用工程化的方法進(jìn)行設(shè)計和管理。

下面我們介紹一下可靠性工程方法的一些基本內(nèi)容。也是目前我們工作中常用到的內(nèi)容。

2.常用的可靠性工程技術(shù)指標(biāo)

●可用性

產(chǎn)品在任一隨機(jī)時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度?？捎眯缘母怕识攘拷小翱捎枚取保谩癆”表示。

可用性描述了在要求的外部資源得到保證的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定的條件下及隨機(jī)規(guī)定的時刻處于可執(zhí)行規(guī)定任務(wù)的能力。

●固有可用度

僅與工作時間和修復(fù)性維修時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其度量方法為：產(chǎn)品的平均故障間隔時間和平均故障間隔時間、平均修復(fù)時間的和之比。

●使用可用度

它是與能工作時間和不能工作時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其度量方法為：產(chǎn)品的能工作時間與能工作時間、不能工作時間的和之比。

● MTBF

它是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品處于規(guī)定狀態(tài)的總數(shù)與這段時間內(nèi)故障總數(shù)之比。它是可修復(fù)產(chǎn)品的一種基本參數(shù)。

對于一批產(chǎn)品來說

MTBF=tiN

式中ti為第i個產(chǎn)品無故障工作時間；

N為產(chǎn)品的數(shù)量。

●故障率（λ）。

產(chǎn)品工作到t時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。它是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品的故障總數(shù)和壽命單位總數(shù)之比。它是可靠性的一種基本參數(shù)。

3.產(chǎn)品可靠性模型

（a）產(chǎn)品定義。

●確定產(chǎn)品的任務(wù)和工作模式。

●規(guī)定產(chǎn)品及其分系統(tǒng)的性能參數(shù)及容許界限。

●確定產(chǎn)品的物理界限及功能接口。

●確定構(gòu)成任務(wù)失效的條件。

●確定產(chǎn)品的壽命剖面和任務(wù)剖面。

對于建立基本可靠性模型，一定要明白：產(chǎn)品組成和框圖結(jié)構(gòu)、壽命剖面。

（b）確定產(chǎn)品可靠性框圖。根據(jù)產(chǎn)品定義的結(jié)果，將產(chǎn)品組成部分按工作流程以框圖的形式表示出來。

（c）確定計算產(chǎn)品可靠性的數(shù)學(xué)模型。

4.產(chǎn)品可靠性預(yù)計

4.1可靠性預(yù)計的目的

（a）可靠性預(yù)計作為一種設(shè)計工具，可從可靠度、性能、費用、研制周期等選擇最佳的設(shè)計方案。其中早期預(yù)計著重于方案的現(xiàn)實性和可能性研究。

（b）選擇了某一設(shè)計方案后，通過可靠性預(yù)計可發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，以便及時改進(jìn)。

（c）通過可靠性預(yù)計可以推測產(chǎn)品能否達(dá)到規(guī)定的可靠性要求。

（d）可靠性預(yù)計結(jié)果不僅用于指導(dǎo)設(shè)計，還可以為轉(zhuǎn)階段決策提供信息，為可靠性試驗、制定維修計劃、保障性分析、安全性分析、生存性評價等提供信息。后期預(yù)計著重于對設(shè)備的可靠性進(jìn)行評價或提出硬件改進(jìn)建議。

（e）為可靠性指標(biāo)的分配和可靠性保障設(shè)計提供依據(jù)。

4.2可靠性預(yù)計方法

（a）回歸分析法。

（b）相似產(chǎn)品法。

（c）相似電路法。

（d）專家評分法。

（e）有源單元估算法。

（f）元件計數(shù)法。

（g）應(yīng)力分析法。

這里重點介紹計數(shù)法和應(yīng)力分析法。

4.3計數(shù)法

（a）元器件計數(shù)可靠性預(yù)計法是根據(jù)設(shè)備中各類元器件的數(shù)量及該元器件通用失效率、元器件質(zhì)量等級和設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境類別來估算設(shè)備可靠性的一種方法。

4.4應(yīng)力分析法

元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計法是通過分析元器件所承受的應(yīng)力，計算元器件在該應(yīng)力條件下的工作失效率來預(yù)計設(shè)備的可靠性。

元器件在不同應(yīng)力條件下其失效率不同。在普通場合，這些應(yīng)力主要的是電應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力。元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計法較全面的考慮了電、熱和其它氣候、機(jī)械環(huán)境應(yīng)力等因素對元器件失效率的影響。通過分析設(shè)備上各元器件工作時所承受的電、熱應(yīng)力及了解元器件的質(zhì)量等級，承受電、熱應(yīng)力的額定值，工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和應(yīng)用環(huán)境類別等，利用手冊給出的數(shù)值、圖表和失效率模型，來計算各元器件的工作失效率，由此預(yù)計電子設(shè)備的可靠性水平。

其預(yù)計的主要程序：

（a）分析各元器件的應(yīng)用方式，工作環(huán)境溫度及其它環(huán)境應(yīng)力，以及負(fù)荷電應(yīng)力比等工作應(yīng)力數(shù)據(jù)。

（b）匯編設(shè)備的元器件詳細(xì)清單，清單內(nèi)容包括：元器件名稱，型號規(guī)格，數(shù)量，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，性能額定值及有關(guān)的設(shè)計、工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作應(yīng)力數(shù)據(jù)等。

在采用應(yīng)力分析進(jìn)行預(yù)計時，大多數(shù)元器件種類分別有基本失效率模型和工作失效率模型。基本失效率模型一般考慮溫度和電應(yīng)力對元器件失效率影響。而工作失效率模型除反映溫度、電應(yīng)力等基本因素外，還包括其它多種的對元器件失效率影響的因素。一般（集成電路除外）表示為：反映電應(yīng)力（S）、溫度應(yīng)力（T）影響的基本失效率（λb）與其余影響失效率的質(zhì)量因子、環(huán)境因子、設(shè)計、工藝、結(jié)構(gòu)因子以及應(yīng)用因子（π系數(shù)）等一系列修正因子的乘積。

λp=λpπ

集成電路失效率計算除考慮上述因子外，還應(yīng)考慮結(jié)溫、電路復(fù)雜度、封裝復(fù)雜度等因子。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]王錫吉.電子設(shè)備可靠性工程.陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

[2]楊啟善，楊秉喜等.可靠性標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用導(dǎo)引.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.