基于故障物理的可靠性體系

金春華

（1.北京科技大學(xué) 東凌經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100192）

基于故障物理的可靠性體系

金春華1,2

（1.北京科技大學(xué) 東凌經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100192）

建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的可靠性工程模式需要耗費(fèi)較大的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本，不利于可靠性工作的企業(yè)化應(yīng)用及后續(xù)發(fā)展，基于故障物理的可靠性工程體系正是解決這一問(wèn)題的最佳途徑。介紹了故障物理的基本原理，形成了以故障物理為中心的可靠性體系框架，理清了故障物理的分析過(guò)程，說(shuō)明了基于故障物理的可靠性提升方式。為企業(yè)進(jìn)一步提高產(chǎn)品可靠性提供了新的理論方向，實(shí)施方法和具體思路。

可靠性體系；故障物理分析；可靠性提升

0 引言

基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性工程體系從形成至今已有近60年的歷史，曾為產(chǎn)品可靠性提升提供系統(tǒng)的工作流程和模式[1]。然而隨著產(chǎn)品日趨復(fù)雜、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大、使用環(huán)境條件日益多樣化，往往要求在有限的時(shí)間和成本下提升產(chǎn)品的可靠性，而通?？煽啃缘尿?yàn)證試驗(yàn)需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間和較大的成本，使得企業(yè)在推行可靠性工程中遇到巨大阻力。另外一方面，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性在宏觀趨勢(shì)分析以及產(chǎn)品的比較等方面上具有很大的優(yōu)勢(shì)，然而宏觀的數(shù)據(jù)分析并不能追究故障發(fā)生的具體原因，也無(wú)法提出產(chǎn)品可靠性提升的具體要求，因而不能為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供有效地輸入和指導(dǎo)，使得可靠性工作與設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)脫節(jié)，為產(chǎn)品可靠性提升帶來(lái)困難。

故障物理可靠性是與數(shù)理統(tǒng)計(jì)同步發(fā)展的可靠性工程體系。故障物理的研究方法是從原子分析的角度出發(fā)，來(lái)解釋材料、元件、組件及產(chǎn)品的失效現(xiàn)象，以便為材料、元件、組件、產(chǎn)品的改良、分類(lèi)、評(píng)價(jià)、使用以及產(chǎn)品的可靠性的設(shè)計(jì)、維修等提供依據(jù)，它是物理和工程學(xué)的基礎(chǔ)性技術(shù)，可以說(shuō)故障物理是對(duì)可靠性工程起支撐作用的最基礎(chǔ)技術(shù)。

國(guó)內(nèi)目前絕大多數(shù)軍工、航天等產(chǎn)品大多以數(shù)理統(tǒng)計(jì)可靠性為主，然而隨著可靠性的民品化、以及可靠性要求的提升等，基于故障物理的可靠性工作將越來(lái)越受到重視。然而國(guó)內(nèi)目前關(guān)于故障物理的介紹不夠系統(tǒng)和全面，本文期望通過(guò)對(duì)故障物理的系統(tǒng)描述，為企業(yè)提升可靠性提供新的方法和思路的參考。

1 故障物理的基本原理

物質(zhì)的變化均由能量引起，而能量來(lái)自外界的能量和物質(zhì)自身的能量。外界的能量包括來(lái)自于物質(zhì)本身之外的機(jī)械能、熱能、化學(xué)能、核能、電磁能以及生物因素等，而內(nèi)部能量則來(lái)自于內(nèi)部分子原子等的相互作用力，以及在加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力等。通常產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)，產(chǎn)品處于能量相對(duì)平衡的狀態(tài)，而隨著產(chǎn)品的使用過(guò)程，受到環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力。當(dāng)這些應(yīng)力經(jīng)過(guò)位移、時(shí)間等過(guò)程，將變成能量作用于產(chǎn)品之上，這些能量將使產(chǎn)品材料發(fā)生變化。固體材料的性質(zhì)通常有結(jié)構(gòu)的鈍感性和敏感性?xún)深?lèi)，導(dǎo)致故障、退化發(fā)生的主要因素來(lái)自后者。產(chǎn)品的失效由結(jié)構(gòu)敏感性上最薄弱環(huán)節(jié)所決定當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致強(qiáng)度（包括：機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫性、耐腐蝕性、抗靜電、抗電強(qiáng)度、抗電磁強(qiáng)度等）變化，并形成不可逆過(guò)程時(shí)，將直接或間接對(duì)產(chǎn)品的參數(shù)產(chǎn)生影響，當(dāng)參數(shù)的變化達(dá)到故障定義的狀態(tài)時(shí)，便產(chǎn)生了故障[2,3]。

故障物理的研究任務(wù)包含兩方面的內(nèi)容：

1） 故障物理的理化模型。主要研究材料在應(yīng)力（能量）、時(shí)間的作用下發(fā)生物理、化學(xué)變化的規(guī)律；

2）故障物理的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型。加載在產(chǎn)品上的應(yīng)力或者能量是服從一定的分布規(guī)律的，同時(shí)由微觀物理因素導(dǎo)致的故障在時(shí)間和空間上都是隨機(jī)發(fā)生的，因此故障物理的另一個(gè)任務(wù)是研究故障物理的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型。

失效的發(fā)生是微觀的過(guò)程，又是總體上宏觀變化的過(guò)程。因此，故障物理的理化模型和數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型二者相輔相成。

2 故障物理分析過(guò)程及應(yīng)用

可靠性本質(zhì)上是通故障作斗爭(zhēng)的學(xué)科，因此其核心問(wèn)題是如何降低產(chǎn)品的故障。對(duì)企業(yè)而言，故障的改進(jìn)通常從已發(fā)生的故障著手，通過(guò)故障分析得到故障的理化模型和統(tǒng)計(jì)模型，并將這些模型應(yīng)用于可靠性的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等工作。通過(guò)上述工作，企業(yè)可建立材料庫(kù)、結(jié)構(gòu)庫(kù)以及應(yīng)力庫(kù)，作為產(chǎn)品在壽命周期可靠性保障的基礎(chǔ)信息。如同質(zhì)量體系的PDCA循環(huán)具有自發(fā)的持續(xù)改進(jìn)過(guò)程一樣，一旦建立與故障做斗爭(zhēng)的正確理念和方法，產(chǎn)品的可靠性同樣可以再發(fā)的持續(xù)提升。

以故障物理為中心的可靠性體系如圖1所示。

2.1 故障物理分析輸入

故障物理分析的輸入是產(chǎn)品生命周期各階段所產(chǎn)生的故障。故障分析，首先應(yīng)有故障品。沒(méi)有故障品，故障物理的研究失去了研究對(duì)象，研究過(guò)程和研究結(jié)果就無(wú)從談起，因此保護(hù)好故障品極為重要。對(duì)于電子產(chǎn)品，如器件損壞，考慮電路板整體所受應(yīng)力，則應(yīng)連同損壞的器件的電路板及其輸入輸出的接口部分一同定義為故障品。連同故障品一同作為故障分析輸入的內(nèi)容還有故障履歷，包括：故障發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境條件、工作狀態(tài)、故障表現(xiàn)、故障部件和故障嚴(yán)重程度等，故障履歷信息將為分析產(chǎn)品的強(qiáng)度、應(yīng)力以及分析相應(yīng)的退化過(guò)程提供重要的信息輸入。于此同時(shí)，還應(yīng)記錄故障統(tǒng)計(jì)信息，包括故障發(fā)生率、故障分布和母本大小等信息。統(tǒng)計(jì)信息將有助于企業(yè)集中精力解決重點(diǎn)故障，同時(shí)可建立故障的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型。

2.2 故障物理分析過(guò)程

故障物理的分析過(guò)程通常是故障點(diǎn)的定位，故障現(xiàn)象和故障模式的分析，對(duì)故障機(jī)理的探究，從而找到故障原因，進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.1 故障點(diǎn)定位

故障物理的分析首先從故障點(diǎn)的定位開(kāi)始，其難易程度隨產(chǎn)品形態(tài)的不同有很大的差異。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品某些帶有自監(jiān)測(cè)功能的產(chǎn)品通常故障點(diǎn)定位相對(duì)容易。而對(duì)于電子產(chǎn)品故障點(diǎn)的定位有時(shí)需要借助一定的測(cè)試方法，尤其是在集成電路中，對(duì)故障點(diǎn)的定位需要用到聲學(xué)掃描、X-ray掃描、開(kāi)封、染色等多種手段結(jié)合進(jìn)行定位。對(duì)故障點(diǎn)的定位越精確，越容易揭示其失效的過(guò)程。

2.2.2 故障模式分析

故障模式即故障的表現(xiàn)形式。更確切地說(shuō)，故障模式一般是對(duì)產(chǎn)品所發(fā)生的、能被觀察或測(cè)量到的故障現(xiàn)象的規(guī)范描述。通常機(jī)械及電子行業(yè)對(duì)發(fā)生頻率較高的試下模式均已有規(guī)范化的描述。如：機(jī)械產(chǎn)品中常見(jiàn)的：磨損、斷裂、變形和腐蝕等。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)首先判斷其是否歸納到已有的故障模式中，如是新的故障模式，則應(yīng)謹(jǐn)慎規(guī)范地定義其故障模式。

某些機(jī)械的故障模式是比較容易檢測(cè)到的，但是某些電子產(chǎn)品失效模式則可能需要通過(guò)破壞性物理分析（DPA）才能夠發(fā)現(xiàn)。隨著新產(chǎn)品、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，產(chǎn)品的失效模式的確認(rèn)方法、檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)設(shè)備正在以更快的速度發(fā)展[4]。

圖1 以故障物理為中心的可靠性體系框架

2.2.3 故障機(jī)理分析

故障機(jī)理即導(dǎo)致故障的物理、化學(xué)以及其他的過(guò)程。因此失效機(jī)理注重的是對(duì)過(guò)程的研究，這是故障物理的核心和難點(diǎn)。

出廠(chǎng)為合格的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)運(yùn)、使用的過(guò)程最終產(chǎn)生故障，原理上均是由于能量作用導(dǎo)致材料變化的結(jié)果。因此，故障物理的研究應(yīng)首先明確作用在產(chǎn)品上的能量。要完整分析這些能量的來(lái)源，首先應(yīng)分析產(chǎn)品的壽命剖面及任務(wù)剖面所有經(jīng)過(guò)的環(huán)境和時(shí)序，以及在這些剖面下環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力。

產(chǎn)品在壽命剖面和任務(wù)剖面所受的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力，在形式上將變現(xiàn)為機(jī)械能、熱能、化學(xué)能、生物能、核能和電磁能六種能量作用于產(chǎn)品中。能量以不同的方式加載在產(chǎn)品的材料上，將對(duì)材料不同的影響，因此需要考慮能量的速度、能量的大小、能量的變化規(guī)律和能量的作用點(diǎn)等。能量的大小將決定產(chǎn)品破壞的程度、能量的速度和變化規(guī)律將決定破壞的形式，如：快速的能量作用，可能將引發(fā)材料瞬間過(guò)應(yīng)力，典型的例子是過(guò)電應(yīng)力；能量的作用點(diǎn)將決定材料破壞的起始點(diǎn)，故障點(diǎn)的定位將與此互相印證。

能量的上述因素對(duì)材料的影響大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為可逆的變化，一類(lèi)為不可逆的變化。產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)的不可逆變化，在宏觀上將表現(xiàn)為產(chǎn)品性能變化，而性能變化到不能達(dá)到規(guī)定的功能時(shí)，換而言之就是越過(guò)了故障定義產(chǎn)生各種故障的變現(xiàn)形式，即故障模式。

2.2.4 故障原因分析

故障原因是觸發(fā)故障機(jī)理產(chǎn)生的因素。從產(chǎn)品的壽命剖面中明確其發(fā)生的階段，找尋出發(fā)故障機(jī)理的各類(lèi)因素。原則上說(shuō)，故障機(jī)理的發(fā)生是正向過(guò)程，而尋找故障原因則是逆向過(guò)程，即從產(chǎn)品發(fā)生的故障推測(cè)其發(fā)生的過(guò)程，進(jìn)一步推測(cè)出發(fā)這些過(guò)程的因素，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。確認(rèn)故障原因后，對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)可以有兩種途徑：一種途徑是阻隔失效發(fā)生的原因，另一種途徑是改變產(chǎn)品的失效機(jī)理，即需改變產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)、進(jìn)而改變產(chǎn)品的強(qiáng)度。由于后者會(huì)有產(chǎn)生新的失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此通常在企業(yè)會(huì)選擇阻隔失效發(fā)生的原因，如：該進(jìn)設(shè)計(jì)、該進(jìn)工藝及檢驗(yàn)手段、人員培訓(xùn)、該進(jìn)儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境、增加環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)、增加保護(hù)電路、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、使用過(guò)程簡(jiǎn)易化等。

2.2.5 可靠性數(shù)據(jù)平臺(tái)

產(chǎn)品故障分析過(guò)程是企業(yè)積累材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、時(shí)間等關(guān)系的過(guò)程，是企業(yè)寶貴的資產(chǎn)，企業(yè)有必要將這些分析結(jié)果數(shù)據(jù)平臺(tái)化。各企業(yè)建立的平臺(tái)的模式可不盡相同，應(yīng)包含故障相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)即：材料庫(kù)、結(jié)構(gòu)庫(kù)、應(yīng)力庫(kù)、故障模式庫(kù)（包含故障模型）等，以為企業(yè)的可靠工作持續(xù)提升提供基礎(chǔ)保障。

3 基于故障物理的可靠性提升

1）提出可靠性要求

在沒(méi)有故障物理基礎(chǔ)的情況下，制定可靠性要求通常有兩個(gè)途徑：一是基于相似產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)；二是基于客戶(hù)或定制方（如：軍方）提出的要求；但由于新技術(shù)、新材料、產(chǎn)品的新應(yīng)用等日新月異，有可能還未得到歷史產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，新的產(chǎn)品又要投入了，因此基于相似產(chǎn)品提出可靠性指標(biāo)已越來(lái)越困難，客戶(hù)端提出可靠性指標(biāo)也面臨著同樣的問(wèn)題。故障物理技術(shù)為確定可靠性指標(biāo)或要求提供了新的依據(jù)和方法：即通過(guò)對(duì)產(chǎn)品在壽命剖面和任務(wù)剖面上所受的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力，應(yīng)力的作用方式和作用點(diǎn)的分析，以及產(chǎn)品在應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的失效方式及失效機(jī)理，同時(shí)通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，明確產(chǎn)品失效的概率，從而確定可靠性的指標(biāo)和要求。

2）可靠性設(shè)計(jì)

基于故障物理的理化模型和數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型由于比較客觀的反應(yīng)了事物的發(fā)展的宏觀和微觀的規(guī)律，因此能夠?yàn)榭煽啃栽O(shè)計(jì)提供極具價(jià)值的設(shè)計(jì)輸入信息。如：類(lèi)似產(chǎn)品的失效形式（過(guò)應(yīng)力、累計(jì)損傷），可明確產(chǎn)品提高可靠性的途徑是需要提升產(chǎn)品的強(qiáng)度還是要減緩其退化的過(guò)程；通過(guò)最弱環(huán)模型可以明確產(chǎn)品應(yīng)提升可靠性的具體單元、零件、直至材料；同時(shí)通過(guò)應(yīng)力分析，可以提出對(duì)產(chǎn)品的材料在強(qiáng)度和在環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力下的退化要求，從而為新材料、新技術(shù)的研究和應(yīng)用提供方向。

3）可靠性預(yù)計(jì)

可靠性預(yù)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品可靠性特征參數(shù)進(jìn)行預(yù)先估計(jì)的一種工作?？煽啃灶A(yù)計(jì)為今后的產(chǎn)品的備品備件、保障服務(wù)等工作提供必要的信息。傳統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)方法來(lái)源于美軍標(biāo)MIL-HDBK-217及其衍生手冊(cè)，這些手冊(cè)基本來(lái)源于軍用產(chǎn)品的使用環(huán)境，并給出相應(yīng)的修正系數(shù)，然而由于很多產(chǎn)品與軍品在環(huán)境上有很大差異，而且隨著技術(shù)發(fā)展，很多修正系數(shù)等已不再適用，這些因素導(dǎo)致預(yù)計(jì)結(jié)果與產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行情況相差巨大，成為產(chǎn)品售后保障的障礙。而根據(jù)故障物理模型所開(kāi)展預(yù)計(jì)可通過(guò)可靠性建模和仿真[5,6]，比價(jià)準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)產(chǎn)品的可靠性狀況，一方面為產(chǎn)品改進(jìn)提供有力的依據(jù)，另一方面也為產(chǎn)品的售后保障提供準(zhǔn)確信息，確保資源的合理使用。

4）可靠性驗(yàn)證

可靠性驗(yàn)證按照施加應(yīng)力的原則分為模擬實(shí)驗(yàn)與激發(fā)試驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)又稱(chēng)為正常應(yīng)力試驗(yàn)，激發(fā)試驗(yàn)又分為加速應(yīng)力試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)和加速退化試驗(yàn)等。模擬試驗(yàn)是盡可能地模擬任務(wù)剖面的真實(shí)條件進(jìn)行試驗(yàn)，以評(píng)估產(chǎn)品的可靠性。用此種方式評(píng)估要求單臺(tái)產(chǎn)品的試驗(yàn)時(shí)間至少是4.3倍MTBF。隨著可靠性的越來(lái)越來(lái)高，產(chǎn)品的試驗(yàn)所需耗費(fèi)的時(shí)間和成本也越來(lái)越大。因此激發(fā)試驗(yàn)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，通常加速試驗(yàn)是用更高的應(yīng)力來(lái)?yè)Q取時(shí)間，因此需要在應(yīng)力—時(shí)間——故障機(jī)理上建立模型，來(lái)確保產(chǎn)品在不改變失效機(jī)理的前提下能夠用更短的時(shí)間更有效的進(jìn)行可靠性試驗(yàn)和可靠性評(píng)估。同時(shí)由于故障物理模型是在充分考慮產(chǎn)品的壽命剖面和任務(wù)剖面上的應(yīng)力及產(chǎn)品的強(qiáng)度變化的過(guò)程上的，因此在可靠性性驗(yàn)證過(guò)程中，可進(jìn)行仿真建模，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)[7～9]，得到相應(yīng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型，從而能夠在不易進(jìn)行試驗(yàn)的情況下，可獲得相對(duì)比較準(zhǔn)確的驗(yàn)證結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)的制造業(yè)急需從做大到做強(qiáng)的轉(zhuǎn)型，可靠性作為產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力已毋庸置疑。而基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性工程正日益面臨著時(shí)間、成本與效果的挑戰(zhàn)。可靠性本質(zhì)上是與故障做斗爭(zhēng)的學(xué)科，而故障物理從本源上揭示故障的發(fā)展規(guī)律，使企業(yè)能夠?qū)⒂邢薜馁Y源投入到產(chǎn)品的可靠性分析和預(yù)防中，而非耗費(fèi)巨大時(shí)間和成本的可靠性試驗(yàn)中。本文為企業(yè)如何開(kāi)展故障物理的可靠性工作提供了有價(jià)值的參考。同時(shí)，故障物理可靠性的開(kāi)展必然在產(chǎn)業(yè)鏈中形成對(duì)新材料、新技術(shù)的強(qiáng)力推動(dòng)，從而建立穩(wěn)固、上升的產(chǎn)業(yè)鏈，為我國(guó)的制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供良好的土壤。

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Reliability system based on physics of failure method

JIN Chun-hua1,2

TB114.3

：A

：1009-0134(2017)05-0153-04

2017-04-28

金春華（1974 -），男，江蘇蘇州人，博士研究生，研究方向?yàn)橘|(zhì)量與可靠性工作。