可靠性设计概要

电话：87236477传真：87237185邮编：510610地址：广州市天河区东莞庄路110号e-mail:[e-mail]信息产业部电子第五研究所可靠性研究分析中心中国赛宝试验室可靠性研究分析中心冯敬东实用可靠性设计CEPREI2CEPREI声明本教材大部分图片和实例取材于工业和信息化部电子第五研究所研究分析中心试验室在未得到实验室和同事同意的情况下，所有的案例、图片不能进行拷贝和外传，敬请谅解。教材的图片和实例得到本试验室同事的帮助，在此对各位的支持深表感谢。由于教材内容的增、删会导致与您手中的教材有出入，但主要内容是一致的。3CEPREI国外：40年代重视可靠性，50年代调查分析、统计试验，60年代失效分析，强调环境试验的重要性70年代可靠性工程国内：50年代建立环境适应性试验基地60年代提出可靠性问题、70年代开展可靠性研究80年代以后可靠性保证、管理、系统工程典型案例：78年电视机的MTBF300～500小时，年返修率95％。可靠性工作的发展概述4CEPREI事后检测——代表技术应力试验，试验评价（寿命、失效率）、筛选、数据处理，质量检测。事前预防——代表技术SPC、CPk、6σ，重视生产过程预防技术，推行全面质量管理，重点是生产过程。预先控制——重点是研究退化机理、退化模型，失效机理、失效模型，以及有针对性的控制故障出现的机率。控制产品研发设计的可靠性（静电防护、浪涌抑制、抗干扰技术）。可靠性发展的三个阶段可靠性发展的历史概述15CEPREI两种思路及产生的原因可靠性发展的历史1、通过强化试验保证产品的可靠性2、从失效机理控制入手保证产品的可靠性。一、概述•不要割裂的看这两种思路•充分认识可靠性工作的特点统计和积累6CEPREI可靠性工作的变化概述失效物理分析和失效机理的验证技术1、有针对性的对薄弱环节设计2、有暴露缺陷的试验方法3、从FTA到失效机理分析的深入4、确定失效的根本原因，找出解决对策7CEPREI可靠性发展的历史近期可靠性工作六大热点1、MFOP（无维修使用期）2、指标体系及其验证（故障加权）3、软件可靠性设计和评价4、集成化设计5、推行IPPT管理6、网络化管理可靠性工程体系与热点的依存关系概述8CEPREI概述产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力（概率），就叫做电子产品的可靠性。可靠性定义1、可靠性是在统计学和概率论的基础上建立起来的，存在着随机性和偶然性。2、可靠性的物理意义就是缺陷产生的原因，控制缺陷的产生就是可靠性工作。29CEPREI一、可靠性基础知识一、基本知识和术语R(t)：可靠度函数；F(t)：失效分布函数；f(t)：失效密度函数；λ（t）：失效率函数MTTF：MeanTimeToFailures平均无故障时间MTBF：MeanTimeBetweenFailures,平均无故障间隔时间MCBF:MeanCycleBetweenFailures平均无故障间隔次数10CEPREI一、可靠性基础知识10℃规则当讨论产品在不同环境下的使用寿命时,一般采用“10℃规则”的表达方式。即当周围环境温度上升10℃时，产品寿命就会减少一半；当周围环境温度上升20℃时，产品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响产品寿命（失效）的。一、基本知识和术语电容器的估计寿命用下述公式表示：其中，L0表示最高工作温度下的寿命，Tmax表示最高工作温度，Ta表示实际环境温度。由此可见，如果环境温度每升高10℃，电容器寿命将下降一倍！11CEPREI一、可靠性基础知识二、产品的失效a．功能性失效致命失效、漂移性失效、间歇失效•致命失效:是指产品完全失去规定功能能力的一类失效。•漂移性失效:是指产品的一个或几个参数超过规定值所引起的一类失效，漂移性失效在产品使用中有时是允许的•间歇失效:是指产品在使用或试验过程中呈现时好时坏一类的失效。b．阶段性失效早期失效、偶然失效、耗损失效漂移失效间歇失效(浴盆曲线)致命失效12CEPREI一、可靠性基础知识二、产品的失效浴盆曲线：通常将电子元器件和设备失效率数值连接成曲线后就会得出所示的“浴盆曲线”。产品不同阶段的失效原因可以用右边表格说明●氧化●疲劳老化●性能退化●腐蚀退化失效期●外部振动●使用人员误用●环境条件的变化波动●不良抗压性能随机失效期●不够完善的生产●存在缺陷的材料●不合适的环境●不够完善的设计早期失效期常见失效机理和原因失效时期313CEPREI一、可靠性基础知识三、可靠性的特征量可靠度R(t)产品在规定条件下使用时间t后，还能完成规定功能的概率，被定义为产品的“可靠度”。用数学符号来表示，则为：R(t)=P(Tt)式中：t－工作时间（期望时间）；T－产品出故障的时间（寿命）；P－表示不出现故障的概率。例如某舰艇在95天的航海任务中，其雷达不出故障的概率为90%，其可靠度表达为:R(95天)＝P（T95天）＝90％14CEPREI由于大部分的产品其失效分布为指数形式，因此在指数分布情况下，可靠度R(t)的计算公式为R(t)=e－λt≈1-λt式中：λ－样品的失效率；t－时间Nn(t)N-n(t)t0t0可靠度函数的计算当同型号的N个产品作为样品总数、并足够大的情况下可靠度函数的估计值为：R(t)=[N-n(t)]/N式中：n(t)－样品t时刻的失效总数；N－样品总数。一、可靠性基础知识三、可靠性的特征量15CEPREI一、可靠性基础知识三、可靠性的特征量可靠度特性1、可靠度是时间的函数。2、可靠度是表示一批产品的统计特性，而不是表示个别产品的可靠性。3、可以用概率来表示产品的可靠性。R(t)的用途1、估计一批产品随时间变化的可靠能力。2、估算一批产品工作一段时间后继续工作的可靠能力16CEPREI一、可靠性基础知识例1：80个样品的失效时间分组整理如表，如何估计这批产品的可靠度318261596212006001000140018002200260030000～400400～800800～12001200～16001600～20002000～24002400～28002800～320012345678失效数n组中值（h）失效时间范围（h）组号R（0）＝1；R（400）＝77/80=0.963；R（800）＝59/80=0.738R（1200）＝0.413R（1600）＝0.225R（2000）＝0.113R（2400）＝0.075R（2800）＝0.013R（3200）＝0根据公式：R(t)=[N-n(t)]/N求每一时间段的可靠度。式中：N－表示投入试验的样品总数；n（t）－表示试验到t时刻失效的总数三、可靠性的特征量返回417CEPREI一、可靠性基础知识R（0）＝1；R（400）＝77/80=0.963；R（800）＝59/80=0.738R（1200）＝0.413R（1600）＝0.225R（2000）＝0.113R（2400）＝0.075R（2800）＝0.013R（3200）＝000.20.40.60.811.20500100015002000250030003500三、可靠性的特征量根据计算的结果作图0.73818CEPREI例2：一批产品的失效统计满足指数分布，有21个产品工作到800小时失效，此时还有59个产品，如再继续工作1000小时，问在这1000小时里的可靠度是多少？解：利用已知条件：1、工作时间800小时，2、失效数量21个求失效率λ。λ=21/59×800=0.000328代入公式R(t)=e-λt≈1－λt=1-0.00038×1000小时=1-0.38=0.62问题：注意与前图的差别，R(t)不同原因是什么？一、可靠性基础知识三、可靠性的特征量31826159621t0t1t2t319CEPREI一、可靠性基础知识指数分布的重要性质——“无记忆性”当产品工作了S小时后，再继续工作t小时的失效概率与已工作过的时间S的长短无关，就像使用一个新产品一样。整机的失效分布大部分满足指数分布。1、指数分布的寿命与失效率互为倒数。2、失效率是平行与时间轴的直线（随机失效）。三、可靠性的特征量正态分布在可靠性计算的用途1、用于检验和描述产品的定量规范关系，2、用于质量控制，依据极限中心理论，3、描述产品损耗期的失效分布规律。20CEPREI一、可靠性基础知识失效分布函数F(t)（也称为不可靠度）产品的寿命T是一个随机变量。如果以t表示规定的时间，以T表示产品的寿命，则T≤t的事件就是一个随机事件。随机事件T≤t的概率，就称为该产品的失效分布函数，即：F(t)＝P(T≤t)如果给定的时间t为100小时，则表示为F(100)＝P(T≤100)这表示了产品在100小时前的失效概率,因而，失效分布函数F（t),含有累积失效概率的意思。三、可靠性的特征量521CEPREI当N为总数、并足够大的情况下失效分布函数的表达式：F(t)≈n(t)/NF(t)和R(t)的关系产品在规定的时间内失效与不失效，完成与不能完成规定功能是相互对立的。概率论中称它们之间是相互对立的事件，它们之间的关系式有:R(t)+F(t)=[N-n(t)]/N＋n(t)/N=1由以上公式可看出可靠度是小于1的。Nn(t)t0t0[0,t0]内产品的失效数与参加试验的总数之比是产品发生的失效频率。失效分布函数F(t)的计算公式一、可靠性基础知识三、可靠性的特征量22CEPREI例3：系统由a、b两个分组件构成，已知a组件1000小时的可靠度为0.96,b组件1000小时的可靠度为0.95,求串联系统1000小时的可靠度。根据系统可靠性的观点，串联系统的可靠度为所用元器件可靠度的乘积，目前为两个分组件的乘积，有R系统（1000）＝Ra(1000)×Rb(1000)＝0.96×0.95＝91.2％显然系统可靠度低于每个组件的可靠度，当系统由三个组件串联组成，且c组件1000小时可靠度为0.99时，系统可靠度为R系统（1000）＝0.96×0.95×0.99＝90％1、一般系统中使用的组件或元器件越多可靠度越低。2、串联后的系统可靠度，比各组件中最低的可靠度还要低。一、可靠性基础知识三、可靠性的特征量23CEPREI31826159621一、可靠性基础知识失效密度函数f(t)t三、可靠性的特征量用来表征失效分布随时间变化的情况，即产品在时刻t的单位时间里发生失效的概率，称为产品在时刻t的失效密度。如图可见在每个时间段中失效的比例是不一样的。0t1t2t31、用故障数据作近似计算各组在时间间隔∆t的失效数∆ni与产品总数N在时间间隔∆t之比称为该组的失效密度即f（t）＝∆ni/（∆t×N）例如：直方图t2～t3间的失效密度为：f（t）=26/(t3-t2)×N=26/400×80＝5.2例1数据24CEPREI31826159621一、可靠性基础知识失效密度函数f(t)t图中可见累计失效率n(t)/N是各组失效密度的累加，当累加到最后一组时必然为1。三、可靠性的特征量0t1t2t32、用指数分布函数计算用指数分布函数计算的公式为：f（t）＝λe－λt625CEPREI一、可靠性基础知识失效密度函数f(t)如图可见在每个时间段中失效的比例是不一样的。失效密度函数在工程中的意义：1、相同条件下哪个时间段失效密度高；2、不同条件下哪种条件下失效密度高失效密度函数与失效分布函数、可靠度的关系F（t）＝1－R（t）＝器件的失效分布类型指的就是f（t）或F（t）的函数类型，它们是用来说明产品失效规律的一个较好形式，反映失效产品数分布在各个时刻的情况。∫tdttf0)(三、可靠性的特征量26CEPREI时间t1～t2间隔里发生故障的概率比，定义为失效率λ(t)，计算公式如下：λ(t)＝＝一、可靠性基础知识失效率函数λ(t)三、可靠性的特征量)(R)()(R)(R11221ttttt⋅−−瞬时失效率函数h（t）h（t）＝＝)()(tRtf∫⋅t0)(hdttλ(t)＝失效率和瞬时失效率关系指数分布时λ(t)＝h（t）0fNNt⋅ΔNs⋅ΔΔtnNf:失效样品总数