13衛(wèi)星可靠性性設(shè)計(jì)20140424

1、第十三講衛(wèi)星可靠性性設(shè)計(jì),2014年4月24日,,可靠性定義,可靠性-reliability 可靠的狀態(tài)可靠的-reliable 某些事物是可依靠的或是可信賴的，是產(chǎn)品未來的性能或行為。在未來的使用中，產(chǎn)品還是可以信賴的嗎？,以“時(shí)間”為坐標(biāo)的質(zhì)量,未來性能-存在不確定性,定量化-衡量故障發(fā)生難易程度的尺度,“概率”-統(tǒng)計(jì),產(chǎn)品或系統(tǒng)在其壽命周期條件內(nèi)，在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行預(yù)期功能（沒有故障并在指定的性能范圍內(nèi)）的能力

2、。,可靠性定義-產(chǎn)品在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)、完成規(guī)定功能的概率。,R(t)= P( T > t )：可靠性函數(shù)式中：t－工作時(shí)間（期望時(shí)間）；T－產(chǎn)品出故障的時(shí)間（壽命）；P－表示不出現(xiàn)故障的概率。,可靠性基本概念,可靠性（度）函數(shù) 與故障分布函數(shù),故障率函數(shù)（失效率）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率單位：Fit：10-9/h,平均壽命MTTF（數(shù)學(xué)期望）函數(shù)： 1/λ（ λ 為常數(shù)）,可靠性的統(tǒng)計(jì)意義,

3、7;1-4：失效前平均時(shí)間MTTF（5/ 5）,早期故障階段有生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致的故障，較容易暴露，篩選等措施可有效剔除偶然故障期階段故障率維持在一個(gè)比較穩(wěn)定水平，是產(chǎn)品主要工作期間耗損故障階段故障率迅速上升，很快出現(xiàn)大量產(chǎn)品故障或報(bào)廢,浴盆曲線,產(chǎn)品故障的一般規(guī)律,可靠性的準(zhǔn)備及萌芽期– 上世紀(jì)30 ～40 年代期間開始形成可靠性概念，這一階段的活動(dòng)主要集中在德國(guó)和美國(guó)可靠性理論的興起及形成– 20 世紀(jì)50 年代初，美國(guó)

4、在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)現(xiàn)不可靠的電子設(shè)備不僅影響戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)行，而且需要大量的維修費(fèi)用。以1957 年發(fā)表的第一份可靠性研究報(bào)告《軍用電子設(shè)備可靠性》為標(biāo)志可靠性理論迅速發(fā)展階段– 上世紀(jì)60 年代是美國(guó)航空及航天工業(yè)迅速發(fā)展的年代，故被稱為“ 宇航年代” 。以《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》的頒布為標(biāo)志可靠性工程深入發(fā)展的階段– 航空、航天及軍事裝備的需求技術(shù)的深入發(fā)展廣泛的工程應(yīng)用,可靠性理論的發(fā)展歷程,,GJB450A-200

5、9 裝備可靠性工作通用要求全壽命周期對(duì)可靠性技術(shù)的應(yīng)用,具有明確的定性和定量目的，定量目標(biāo)通過反復(fù)迭代得到評(píng)估和滿足針對(duì)各種產(chǎn)品類型、產(chǎn)品各個(gè)層次均進(jìn)行可靠性工作與產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊密結(jié)合、可靠性是設(shè)計(jì)出來的既包括技術(shù)又包括管理，它的工作對(duì)象是物(產(chǎn)品)、事(工作)和人,,可靠性建模,系統(tǒng)可靠性、可用性建模方法,可靠性框圖法RBD（含SIM-S）Markov法Go法（含Go-Flow法、ESA法）故障樹法FT（含DIF Tree）

6、Petri網(wǎng)法（SPN、ADEPT、OOPT、FraNets）故障原理模型法（含故障注入）,Go-Flow模型,Petri網(wǎng)模型,Markov模型,故障原理模型,系統(tǒng)可靠性、可用性建模方法,GJB813－90 可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì),可靠性建模方法的不同描述能力,系統(tǒng)可靠性、可用性建模方法,目的預(yù)計(jì)產(chǎn)品的基本可靠性和任務(wù)可靠性，評(píng)價(jià)所提出的設(shè)計(jì)方案是否能滿足規(guī)定的可靠性定量要求。,電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)GJB299B －

7、1998 電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)GJB/Z 108－98 電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)MIL－HDBK －217,美國(guó)已經(jīng)建立了三大機(jī)械產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)NPRD-91(Nonelectronic Parts Reliability Data 1991)RADC Nonelectronic Reliability Notebook IEEE-STD-500 Reliability Data,可靠性預(yù)計(jì),常用的單元可靠性預(yù)

8、計(jì)方法：? 相似產(chǎn)品法? 評(píng)分預(yù)計(jì)法? 應(yīng)力分析法? 故障率預(yù)計(jì)法? 機(jī)械產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)法,各研制階段可靠性預(yù)計(jì)方法的選取,方案階段-只有系統(tǒng)的總體情況、功能要求和結(jié)構(gòu)設(shè)想，預(yù)計(jì)為方案決策提供依據(jù)初步設(shè)計(jì)階段-已有工程圖或草圖，系統(tǒng)組成已確定，預(yù)計(jì)為發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段-系統(tǒng)的各個(gè)組成單元都得到了工作環(huán)境和使用應(yīng)力信息，預(yù)計(jì)為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù),可靠性預(yù)計(jì),引言（1/2）,系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)與系統(tǒng)可靠性分配是系

9、統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中的兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)的功能框圖確定之后就要對(duì)各主要分系統(tǒng)進(jìn)行可靠度分配。當(dāng)分系統(tǒng)功能框圖和單機(jī)數(shù)確定后要對(duì)單機(jī)進(jìn)行可靠度分配。當(dāng)單機(jī)的線路設(shè)計(jì)和元器件數(shù)確定后要對(duì)各種元器件提出失效率指標(biāo)。 當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)完成后，要根據(jù)所采用的電子元器件的實(shí)際失效率數(shù)據(jù)和環(huán)境應(yīng)力水平，電路程式，系統(tǒng)的工作模式，實(shí)際要求的壽命時(shí)間等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠度預(yù)測(cè)。當(dāng)預(yù)測(cè)的可靠度指標(biāo)不能滿足分配的可靠度指標(biāo)時(shí)就要考慮冗余設(shè)計(jì)、改變系統(tǒng)工作

10、模式和提高電子元器件的可靠度等措施。 在系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用各個(gè)階段中的可靠性活動(dòng)，列于圖2-1中。,圖2-1 可靠性預(yù)測(cè)程序圖,§2-1：引言（2/2）,可靠性預(yù)測(cè)和分配是系統(tǒng)可靠性研究的兩個(gè)不同側(cè)面。一個(gè)是從元器件到系統(tǒng)的綜合方法，一個(gè)是從系統(tǒng)到元器件的分析方法，它們相互制約，相輔相成最終使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足所要求的可靠度指標(biāo)。,§2-2：系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)的方法和步驟（1/3）,預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠度的方

11、法，基本上可以分為模擬法和分析法兩大類。對(duì)于系統(tǒng)可靠度計(jì)算，兩者都被采用。當(dāng)系統(tǒng)不能建立精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)往往采用模擬法，一般又稱為蒙特卡洛法。 在應(yīng)用這種方法時(shí)，首先確定系統(tǒng)各單元參數(shù)的分別方式，選出每個(gè)單元及其參數(shù)的隨機(jī)子樣，再把這些子樣組合起來作為系統(tǒng)性能或可靠度的量度。這種方法的關(guān)鍵是要知道單元參數(shù)和系統(tǒng)指標(biāo)間的關(guān)系。 分析方法是另外一種過程，它涉及描述系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方程式的求解問題。 現(xiàn)將各種預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠

12、度的計(jì)算方法示于圖2-2中。,圖2-2 可靠性預(yù)測(cè)方法,§2-2：系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)的方法和步驟（2/3）,§2-2：系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)的方法和步驟（3/3）,預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠度的方法雖然很多，但實(shí)際用于系統(tǒng)可靠度計(jì)算的卻只限于下列三種： （1）數(shù)學(xué)模型法，（2）上下限法，（3）失效樹法。而其中尤以數(shù)學(xué)模型法用得最多。因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)和分系統(tǒng)都可以用數(shù)學(xué)方法來描述。一般是先把系統(tǒng)細(xì)分成一些分系統(tǒng)。分別獨(dú)立地預(yù)測(cè)分系統(tǒng)的可

13、靠度，然后把預(yù)測(cè)所得到的各分系統(tǒng)的可靠度按一定的數(shù)學(xué)模型組合起來預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的可靠度。而當(dāng)系統(tǒng)和分系統(tǒng)之間的關(guān)系特別復(fù)雜時(shí)，建立數(shù)學(xué)模型就十分困難了，這時(shí)模擬法就有用了。上下限法是確定可靠度預(yù)測(cè)值所在的上下限范圍的一種方法。在處理比較復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，它比模擬法省錢。在處理較簡(jiǎn)單問題時(shí)，它又比數(shù)學(xué)模型法簡(jiǎn)捷，而且可以得到相當(dāng)精確的結(jié)果。,可靠性分配,§3-1：可靠度分配的方法和步驟（1/3）,§3-1：可靠度分配的方法和

14、步驟（2/3）,§3-1：可靠度分配的方法和步驟（3/3）,§3-2：系統(tǒng)到分系統(tǒng)的可靠度分配（1/6）,例：,§3-2：系統(tǒng)到分系統(tǒng)的可靠度分配（2/6）,在上述串聯(lián)系統(tǒng)中，系統(tǒng)與分系統(tǒng)的關(guān)系，由下式?jīng)Q定：,Ti是第i個(gè)分系統(tǒng)的MTBF值。,§3-2：系統(tǒng)到分系統(tǒng)的可靠度分配（3/6）,,FMEA及工作程序,§4-1：基本概念（1/2）,§4-1：基本概念（2/2）,

15、7;4-2：FMEA及工作程序（1/21）,§4-2：FMEA及工作程序（2/21）,§4-2：FMEA及工作程序（3/21）,§4-2：FMEA及工作程序（4/21）,§4-2：FMEA及工作程序（5/21）,§4-2：FMEA及工作程序（14/21）,冗余設(shè)計(jì),§5-1：引言：定義,§5-2：基本概念（1/4）：分類,§5-2：基本概念（2/4）,

16、67;5-2：基本概念（3/4）：容錯(cuò),§5-2：基本概念（4/4）：功能代用,§5-3：冗余技術(shù)（1/13）,保險(xiǎn)絲）,§5-3：冗余技術(shù)（2/13）,§5-3：冗余技術(shù)（3/13）,二極管,§5-3：冗余技術(shù)（4/13）,陀螺、飛輪、三模,§5-3：冗余技術(shù)（5/13）,§5-3：冗余技術(shù)（6/13）,§5-3：冗余技術(shù)（7/13）,§5-3：

17、冗余技術(shù)（8/13）,計(jì)算機(jī)、RT,§5-3：冗余技術(shù)（9/13）,§5-3：冗余技術(shù)（10/13）,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),6.1電子元器件的可靠性是可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),要提高電子設(shè)備的可靠性，單憑可靠度預(yù)測(cè)和可靠度分配的數(shù)據(jù)還不行，還必須通過可靠性設(shè)計(jì)來加以實(shí)施?？煽啃栽O(shè)計(jì)在可靠性工程中占有十分重要的地位。據(jù)美國(guó)海軍電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)的故障原因分類百分比如表6-1所示。,表 6-1 故障原因分類

18、,,機(jī)理分析,根據(jù)等級(jí)選用元器件與缺陷控制,元器件降額設(shè)計(jì),電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì),電路容差設(shè)計(jì),電路潛通路分析,元器件優(yōu)選目錄制定與管理元器件補(bǔ)充篩選破壞性物理分析技術(shù)失效分析技術(shù),電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),根據(jù)等級(jí)選用元器件,用于生產(chǎn)控制、選擇和采購(gòu)的生產(chǎn)保證等級(jí)不同的生產(chǎn)保證等級(jí)對(duì)生產(chǎn)元器件所使用的原材料、制造工藝方法、生產(chǎn)、試驗(yàn)和篩選及驗(yàn)收的要求是不同的。元器件總規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量等級(jí)（失效

19、率等級(jí)），產(chǎn)品品質(zhì)的量化狀態(tài)，是固有可靠性的表征。,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),根據(jù)等級(jí)選用元器件,軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄(QPL)合格制造廠家目錄（QML） “ 七專” 定點(diǎn)生產(chǎn)廠家的元器件,GJB 3404 電子元器件選用管理要求GJB/Z 55-1994 宇航用電子元器件選用指南-半導(dǎo)體分立器件 GJB/Z 56-1994 宇航用電子元器件選用指南 -半導(dǎo)體集成電路GJB/Z 83-1996 宇航用電子元器件選用指

20、南 微波元器件 GJB/Z 128-2000 宇航電子元器件選用指南 繼電器……,質(zhì)量等級(jí)越高,檢驗(yàn)、篩選項(xiàng)目試驗(yàn)越多,應(yīng)力越強(qiáng),允許的批不合格率越小,半導(dǎo)體集成電路S級(jí)比B級(jí)多出,晶片批驗(yàn)收非破壞性鍵合拉力顆粒碰撞噪聲監(jiān)測(cè)反偏試驗(yàn)X射線照相,元器件優(yōu)選清單(PPL),原材料、生產(chǎn)過程各道工序及質(zhì)量控制,6.3電子元器件的可靠性篩選,在提高電子產(chǎn)品可靠性的措施中，如何提高電子元器件的可靠性水平是個(gè)關(guān)鍵。隨著電子產(chǎn)品復(fù)雜程

21、度的增加和使用環(huán)境條件的變化，即使元器件的可靠性水平有了明顯的增長(zhǎng)，也仍然不能滿足整機(jī)和系統(tǒng)的要求。所以人們?cè)诖罅Ω倪M(jìn)電子元器件的設(shè)計(jì)工藝的同時(shí)，也越來越多借助篩選、老練技術(shù)，用以剔除有早期失效潛在缺陷的產(chǎn)品。目前在我國(guó)元器件可靠性水平較低的情況下，除元器件廠進(jìn)行工藝篩選外，整機(jī)廠在裝機(jī)前還要進(jìn)行二次篩選。,篩選對(duì)剔除早期失效產(chǎn)品是很有效的。根據(jù)美國(guó)RCA可靠性實(shí)驗(yàn)室對(duì)19萬個(gè)電子元器件在裝機(jī)前進(jìn)行篩選的結(jié)果，半導(dǎo)體二極管剔除率為8.2

22、~13.3%，晶體管8~17%，線性集成電路為12.8~29.8%，TTL集成電路為6.2~18.8%，CMOS電路為10.7~21.3%.我們國(guó)內(nèi)某重點(diǎn)工程項(xiàng)目對(duì)所用的國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體分立元件進(jìn)行了篩選，其篩選的條件為：高溫貯存+125~150℃，時(shí)間24~72小時(shí)；高低溫循環(huán)（-40℃/30分鐘）~（+125℃/30分鐘），循環(huán)3~5次，其篩選結(jié)果見表6-2。,,,表 6-2 篩選效果,,可見，如果不進(jìn)行可靠性篩選，將有三分之一早期失

23、效的集成電路被裝上整機(jī)，其后果是十分嚴(yán)重的。一般來說，在我國(guó)目前的情況下，元器件通過一次設(shè)計(jì)合理的篩選過程，有可能使整機(jī)的平均無故障工作時(shí)間，提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。,當(dāng)然篩選是要付出代價(jià)的，它使研制、生產(chǎn)的費(fèi)用增加，試驗(yàn)、生產(chǎn)的周期加長(zhǎng)。但與可靠性篩選所得到的好處相比，其經(jīng)濟(jì)效益是很顯著的。特別是對(duì)于導(dǎo)彈、宇航、軍事和海纜等不可維修系統(tǒng)更是如此。因?yàn)橐粋€(gè)有“隱患”的早期失效產(chǎn)品，如果在篩選時(shí)被剔除，其損失僅為其制造成本；如果在裝上印制板后失效

24、，其費(fèi)用就要增加到其成本的十倍；如果裝上整機(jī)后失效，其費(fèi)用就要加到其成本的40倍，最后如果在使用現(xiàn)場(chǎng)失效，其所造成的損失，就相當(dāng)于其成本的80多倍。表6-3給出了不同用途的設(shè)備在四個(gè)不同階段元器件損壞時(shí)，所損失費(fèi)用的比較。,表 6-3 不同階段更換元器件的費(fèi)用,整機(jī)廠在裝機(jī)前對(duì)元器件進(jìn)行篩選，可以把元器件的質(zhì)量情況，及時(shí)對(duì)元器件廠進(jìn)行質(zhì)量反饋，有利于提高元器件的設(shè)計(jì)和工藝水平。,6.3.1篩選項(xiàng)目的選擇,可靠性篩選，按生產(chǎn)過程來分，可

25、分為：工藝篩選、成品篩選、用戶篩選。按所加的應(yīng)力，所用的工具和手段可分為：（1）檢查篩選：包括顯微鏡檢查、紅外顯微鏡檢查、X-射線透視檢查等。（2）密封性篩選：包括氟碳液冒泡檢漏、氦質(zhì)譜儀檢漏、放射性示蹤檢漏等。（3）環(huán)境應(yīng)力篩選：包括振動(dòng)加速度試驗(yàn)、離心加速度試驗(yàn)、機(jī)械沖擊試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)等。（4）壽命篩選：包括高溫貯存試驗(yàn)、功率老練試驗(yàn)（高溫功率老練或常溫功率老練）、高溫反偏試驗(yàn)等等。,“一次篩選”和“二次篩選”的目

26、的與試驗(yàn)方法基本相同，但應(yīng)強(qiáng)調(diào)“二次篩選”應(yīng)是在“一次篩選”的基礎(chǔ)上剪裁而成的。一次篩選項(xiàng)目見總規(guī)范規(guī)定和如下標(biāo)準(zhǔn)中具體的量級(jí)規(guī)定GJB 548B-2005 微電子器件試驗(yàn)方法和程序GJB 128A-1997 半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法GJB 360B-2009 電子及電氣元件試驗(yàn)方法 篩選只能提高批產(chǎn)品的使用可靠性，不能提高產(chǎn)品的固有可靠性。裝機(jī)前必須進(jìn)行百分之百二次篩選常規(guī)補(bǔ)充篩選項(xiàng)目①目檢（顯微鏡鏡檢、X射線照相、紅外掃

27、描等）；②電性能測(cè)試；③密封檢漏；④環(huán)境應(yīng)力篩選（恒定加速、機(jī)械振動(dòng)、沖擊、溫度循環(huán)、熱沖擊等）；⑤壽命篩選（高溫儲(chǔ)存、功率老化、高溫反偏等）。,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),元器件缺陷控制-二次篩選,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),元器件缺陷控制-二次篩選,PIND,篩選項(xiàng)目需根據(jù)封裝類型選擇,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),元器件缺陷控制-二次篩選,GJB 4027A-2006 軍用電子元器件破環(huán)性物理分析方法MIL-STD

28、-1580,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),元器件缺陷控制-破壞性物理分析（簡(jiǎn)稱DPA）,元器件缺陷控制-元器件失效分析,GJB 3157-98 半導(dǎo)體分立器件失效分析方法GJB 3233-98 半導(dǎo)體集成電路失效分析程序和方法,6.4降額使用,降額使用就是為了改善可靠性而有計(jì)劃地減輕材料和元器件的實(shí)際應(yīng)力，這是實(shí)現(xiàn)整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)的主要途徑之一。降額的指標(biāo)是降額因子，它是以實(shí)際應(yīng)力與額定應(yīng)力之比來表示。降額因子的大小取決于元器件的使

29、用環(huán)境、負(fù)載大小、工作方式以及整機(jī)可靠度要求等因素。隨著元器件的種類不同，可考慮的應(yīng)力是不同的，一般包括溫度、電壓和功率耗散，不管應(yīng)力的形成如何，對(duì)于大部分器件，特別是半導(dǎo)體器件，其基本問題是溫度的影響。,表 6-6 基本失效率與降額后失效率的比較,6.4.2軍用電子設(shè)備的降額一般取值,集成電路輸出負(fù)荷不得大于70%，驅(qū)動(dòng)的僅5/8；晶體管不超過額定功率的50%；電阻功率負(fù)荷不超過50%，，串聯(lián)使用不得超過40%；電容器直流工作

30、電壓不超過50%，交流使用更?。蛔儔浩鳒厣?，絕緣級(jí)為105℃不超過40℃，絕緣級(jí)為125℃不超過50℃；繼電器觸點(diǎn)電流15%~30%左右。,表 6-7 線性微電路降額,注：表中的電源電壓僅適用于帶動(dòng)態(tài)電源電壓范圍的器件；所有其它器件按制造廠推薦的電源電壓。降額低于電源電壓80%時(shí)，可以使器件在低于推薦的工作電壓工作。,表 6-8 數(shù)字微電路降額,注：①對(duì)雙極型應(yīng)加嚴(yán)標(biāo)稱值容差。②按低于電源電壓的80%設(shè)計(jì)時(shí)，可能使器件在低于

31、推薦的工作電壓工作。③對(duì)動(dòng)態(tài)器件來說，應(yīng)當(dāng)注意不要在低于最低頻率要求的條件下工作。④減少輸出會(huì)增加元器件總數(shù)，從而提高設(shè)備的故障率。應(yīng)允許進(jìn)行調(diào)整，以免出現(xiàn)這種現(xiàn)象。,表 6-9 混合器件降額,注：當(dāng)殼溫高于100℃時(shí)，殼溫每升高1℃，功率密度值應(yīng)比表列值每平方英寸降低1瓦。*1平方英寸=6.552平方厘米,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),元器件降額設(shè)計(jì)使元器件或設(shè)備工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)降低于元器件或設(shè)備的額定值；降低基

32、本故障率、提高使用可靠性的目的；主要因素：電應(yīng)力和溫度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：降額的程度與效果，各類元器件均有一個(gè)最佳的降額范圍，在此范圍內(nèi)應(yīng)力變化對(duì)其故障率影響較大。,GJB/Z35-93，元器件降額準(zhǔn)則,（1）在額定參數(shù)條件下的降額（2）每個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)都要考慮降額（3）功率降額優(yōu)先考慮（4）感性負(fù)載重點(diǎn)考慮（5）溫度降額全面考慮（6）大功率晶體管在小電流下，大大降低放大系數(shù)而且參數(shù)穩(wěn)定性降低；繼電器的線包電流不僅不能降低，反而應(yīng)在額

33、定值之上，否則影響可靠的接觸。,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),元器件降額設(shè)計(jì)原則,元器件降額設(shè)計(jì)步驟,確定降額準(zhǔn)則—根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)確定降額等級(jí)—根據(jù)使用需求選擇確定降額參數(shù)確定降額因子實(shí)際降額后參數(shù)計(jì)算,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)、熱分析熱設(shè)計(jì)：合理元器件布局，將功率大的器件分散放置，減少或消除熱應(yīng)力集中點(diǎn)，從而降低溫度；熱分析：結(jié)點(diǎn)溫度：元

34、器件PN結(jié)溫度，一般是元件的最高溫度；殼溫度：元器件的殼的外表面的溫度；電路板溫度：連續(xù)的二維溫度分布，各點(diǎn)的溫度是厚度方向的平均值；電路板溫度梯度：沿著長(zhǎng)度方向的溫度變化率，也是二維的；,GJBZ27-92，電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè),7.1 電子元器件的工作溫度與可靠性,電子元器件工作溫度與可靠性之間有著密切的關(guān)系。在電子元器件制造時(shí)所使用的材料有一定的溫度極限，當(dāng)超過這個(gè)極限時(shí)，物理性能就發(fā)生變化，器件就不能發(fā)揮它預(yù)期的作用

35、。材料的這種物理故障往往導(dǎo)致了器件的故障或失效。器件還可能在額定溫度上由于持續(xù)工作而發(fā)生故障，雖慢慢產(chǎn)生但卻不斷惡化，最后達(dá)到器件壽命終點(diǎn)。故障率的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)表明電子器件的故障與工作溫度有密切的關(guān)系。圖7-1說明溫度對(duì)電子設(shè)備的可靠性起著很重要的作用。,圖7-1 各種電子元件的溫度與失效率的關(guān)系曲線,然而，適合電子器件工作的溫度是多少呢？可以幫助設(shè)計(jì)者制定可接受的溫度等級(jí)又是什么呢？這些指標(biāo)是設(shè)計(jì)電子設(shè)備的基礎(chǔ)。,表7-1,表7-1

36、標(biāo)準(zhǔn)電子模塊的工作環(huán)境,用于民用飛機(jī)上的電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)由ARINC技術(shù)規(guī)范404來控制，它的一部分列于表7-2.,表7-2 用于民航機(jī)電電子設(shè)備上的元件溫度,矩陣法通過對(duì)電路組成器件參數(shù)的均值、方差或高階矩來分析電路輸出指標(biāo)的一種概率統(tǒng)計(jì)方法；最壞情況分析法電路組成器件參數(shù)的偏差在最不利的組合情況下，給電路輸出指標(biāo)帶來的影響進(jìn)行分析的一種非概率統(tǒng)計(jì)方法；蒙特卡洛法通過對(duì)電路組成器件參數(shù)的分布來推斷電路輸出指標(biāo)的一種計(jì)算模擬

37、方法。,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電路容差分析,定義 是一種預(yù)測(cè)電路性能參數(shù)穩(wěn)定性的方法。它主要分析電路的組成部分在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)其參數(shù)偏差和寄生參數(shù)對(duì)電路性能容差的影響，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。特別適用于對(duì)精度要求高、對(duì)性能穩(wěn)定苛刻的復(fù)雜系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路。,GJB/Z89-97 電路容差分析指南,一般流程：,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電路容差分析,定義：潛通路是引起非期望事件或抑制所要求事件的潛藏狀態(tài)

38、，潛通路是在復(fù)雜系統(tǒng)中出現(xiàn)的意外路徑或邏輯流，在某些條件下它可能引起不需要的功能或抑制需要的功能。這種路徑或邏輯流可能是由硬件、軟件、操作員的動(dòng)作或者這些因素的組合造成的。,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電路潛通路分析,規(guī)則一：多電源多地的配電電路中，指定負(fù)載上的所有電流應(yīng)由一個(gè)電源流向一個(gè)地。在設(shè)計(jì)中無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)該用二極管隔離直流電源或用繼電器隔離直流或交流電源。,,規(guī)則二：多負(fù)載電源的接通。和多個(gè)開關(guān)相連的某個(gè)負(fù)載因某個(gè)開關(guān)閉合而

39、意外啟動(dòng)，X型連接容易出現(xiàn)此類問題。解決方案是用H連接代替X連接，且在H型連接線路的橫桿上加一個(gè)二極管。,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電路潛通路分析,,規(guī)則三：開關(guān)標(biāo)記。除標(biāo)記開關(guān)控制對(duì)象外，還應(yīng)標(biāo)記開關(guān)動(dòng)作的結(jié)果，避免因標(biāo)記不明造成非設(shè)計(jì)意圖的操作。規(guī)則四：數(shù)字信號(hào)分開后再合成引起的潛在定時(shí)。數(shù)字信號(hào)分開后再合成，信號(hào)沿不同路徑傳播有不同的傳輸延時(shí)而引起瞬時(shí)的假信號(hào)，解決方法為加入時(shí)鐘控制的緩沖器，使得信號(hào)同步。,,規(guī)則X：……,

40、,,電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),電路潛通路分析,全面潛通路分析流程,SoHaR公司 CapFast／SCAT軟件Chris Price等，開發(fā)了應(yīng)用軟件FLAME,故障樹分析—FTA,8.2 FTA概述,這樣就形成一個(gè)由上向下發(fā)散的倒掛著的“樹”，成為失效樹，或故障樹。,,圖8-2,圖8-3,,目的：一個(gè)是壽命評(píng)估；另一個(gè)是故障或薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別與糾正。,可靠性試驗(yàn)的目的,可靠性試驗(yàn)的比較,定義在電子產(chǎn)品上施加隨機(jī)振動(dòng)及溫度循

41、環(huán)應(yīng)力，以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元件引起的早期故障的一種工序或方法。適用對(duì)象印刷電路板組裝件、電子組件或整機(jī)；對(duì)大型電子產(chǎn)品應(yīng)優(yōu)先考慮較低裝配級(jí)別如印刷電路板組裝件上進(jìn)行篩選。特點(diǎn)研制階段和批生產(chǎn)初期的全部產(chǎn)品均應(yīng)進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，在批生產(chǎn)中、后期可根據(jù)產(chǎn)品批量及質(zhì)量穩(wěn)定情況進(jìn)行抽樣篩選。,GJB1032-90 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法,可靠性試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù),環(huán)境應(yīng)力篩選,篩選所能發(fā)現(xiàn)的電子產(chǎn)品缺陷,隨機(jī)振動(dòng)5~15min,隨機(jī)振

42、動(dòng)5min,,,,40h,80h,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,可靠性試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù),環(huán)境應(yīng)力篩選程序,MIL-STD-1635《可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)》； MIL-HDBK-189《可靠性增長(zhǎng)管理》GJB1407 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn),可靠性試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù),目的：通過“試驗(yàn)-分析-改進(jìn)-再試驗(yàn)-再分析-再改進(jìn)…”的過程（TAAF——Test Analysis and Fix）。暴露并消除缺陷、解決設(shè)計(jì)缺陷

43、、提高產(chǎn)品可靠性。,特點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)間通常取產(chǎn)品MTBF目標(biāo)值的θF的5～25倍（取決于可靠性增長(zhǎng)模型、工程經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品規(guī)范），可以使用增長(zhǎng)模型進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)估，成功的增長(zhǎng)可以代替可靠性鑒定試驗(yàn)。,可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn),可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的適用對(duì)象： 只有①新研及②重大技術(shù)更改后的復(fù)雜關(guān)鍵產(chǎn)品、③可靠性指標(biāo)高且需分階段增長(zhǎng)的關(guān)鍵產(chǎn)品一般才安排進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。,不適用于機(jī)械產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選主要適用于電子產(chǎn)品，也適用于電氣、機(jī)電、光電和電化學(xué)產(chǎn)

44、品?？煽啃栽鲩L(zhǎng)試驗(yàn)可靠性鑒定試驗(yàn)可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)適用于機(jī)械產(chǎn)品可靠性研制試驗(yàn)通過對(duì)產(chǎn)品施加適當(dāng)?shù)沫h(huán)境應(yīng)力、工作載荷，尋找產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)缺陷，以改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的固有可靠性水平。適用于機(jī)械產(chǎn)品?？煽啃苑治鲈u(píng)價(jià)壽命試驗(yàn),可靠性試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù),可靠性鑒定試驗(yàn)可靠性驗(yàn)收試驗(yàn),GJB 889A-2009 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn),可靠性試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù),屬于統(tǒng)計(jì)試驗(yàn),是用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性是否符合規(guī)定要求。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的目的是度量和

45、驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性，并給出可靠性驗(yàn)證值。,是一種抽樣檢驗(yàn)。與其他抽樣檢驗(yàn)的不同之處在于：它注重的是那些與時(shí)間有關(guān)的產(chǎn)品特性，如MTBF。,可靠性鑒定試驗(yàn)是驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否達(dá)到了規(guī)定的可靠性要求，一般是MTBF最低可接受值。,加速壽命試驗(yàn),可靠性試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù),針對(duì)失效主機(jī)理施加高應(yīng)力（保證機(jī)理一致），使用試驗(yàn)得到的壽命數(shù)據(jù)計(jì)算加速模型參數(shù)（加速模型反應(yīng)力對(duì)壽命的作用），進(jìn)而計(jì)算得到正常應(yīng)力下的壽命。,加速性能退化試驗(yàn),,,加速壽命試驗(yàn),

46、可靠性試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù),加速性能退化試驗(yàn),加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)恒定加速試驗(yàn)：樣本在不同應(yīng)力下的 分配；步進(jìn)加速試驗(yàn)：不同應(yīng)力下的試驗(yàn)時(shí)間分配,,可靠性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),小樣本與大系統(tǒng)電子設(shè)備與機(jī)械系統(tǒng)隨機(jī)性與模糊性低可靠元器件組成高可靠系統(tǒng),工程應(yīng)用中面臨的幾個(gè)問題,傳統(tǒng):開展可靠性試驗(yàn)，評(píng)估產(chǎn)品的可靠性，驗(yàn)證產(chǎn)品是否達(dá)到規(guī)定的可靠性要求，起著“警察”的作用;現(xiàn)在:制定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及指南，建立可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，提供各種分析及設(shè)計(jì)工具、方法和軟件，起

47、到了“信息員”的作用;將來:進(jìn)一步要求可靠性工程師成為設(shè)計(jì)組的成員，負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行可靠性教育，使每個(gè)設(shè)計(jì)師都了解可靠性，起到“教員”的作用。,可靠性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),可靠性工程師的職責(zé)范圍在變化,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),硬件可靠性軟件可靠性,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)到底指什么？,復(fù)雜系統(tǒng)-網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：電網(wǎng)、交通網(wǎng)、inter網(wǎng)、城市燃?xì)夤倬W(wǎng)、軟件,支持交流協(xié)作的基礎(chǔ)設(shè)施/系統(tǒng)硬件設(shè)備+軟件/規(guī)則,無處不網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代,工程網(wǎng)絡(luò)：基礎(chǔ)設(shè)施+規(guī)則

48、==》硬件+軟件能作為產(chǎn)品看待,現(xiàn)狀,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為一類特殊的系統(tǒng)，其可靠性研究最早可追溯到1955 年對(duì)電信交換網(wǎng)絡(luò)的研究，早期主要集中于通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。20 世紀(jì)70 年代以前主要是以網(wǎng)絡(luò)的連通作為網(wǎng)絡(luò)可靠性規(guī)定功能來研究。20 世紀(jì)80 年代，由于通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的迅速擴(kuò)張，使用頻度、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的快速增加以及動(dòng)態(tài)路由技術(shù)的采用等原因，網(wǎng)絡(luò)擁塞和延時(shí)逐漸成為了網(wǎng)絡(luò)可靠性主要考慮的因素。這 一時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性研究主要集中于通信網(wǎng)絡(luò)基

49、于性能的可靠性。20 世紀(jì)90 年代后，伴隨著人類社會(huì)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程加快，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性逐漸成為可靠性研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，研究對(duì)象從通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到電力網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、物流網(wǎng)絡(luò)等。,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),由于構(gòu)件不能正常工作帶來的錯(cuò)誤。性能方面的故障：每個(gè)構(gòu)件都能正常工作，但性能不滿足要求；配合/時(shí)序方面的故障：每個(gè)構(gòu)件/軟件都正常工作，但由于時(shí)間同步?jīng)]有做好，接收方對(duì)數(shù)據(jù)的解讀是錯(cuò)誤的；一旦考慮性能，就有多任務(wù)的故障判據(jù)問題：比

50、如，某網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)想定中既包含語(yǔ)音通話也包含圖像傳輸。當(dāng)某構(gòu)件所能支持的吞吐量小于10M/s時(shí)，對(duì)于任務(wù)中的語(yǔ)音通話能滿足作戰(zhàn)要求，但其圖像傳輸卻已經(jīng)不能滿足作戰(zhàn)要求。,故障判據(jù),123/140,網(wǎng)絡(luò)可靠性整體指標(biāo),網(wǎng)絡(luò)抗毀性,網(wǎng)絡(luò)生存性,網(wǎng)絡(luò)可用性,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性,連通度,粘聚度,分散度,攻擊度,連通度,粘聚度,業(yè)務(wù)性,吞吐量,延時(shí),傳輸效率,可靠性的指標(biāo)體系,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù),,評(píng)價(jià)的參數(shù)體系

51、,基本可靠性-為在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持連通的能力。任務(wù)可靠性-在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的物質(zhì)流、信息流、能量流傳輸任務(wù)的能力。 1）抗毀性Invulnerability是基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性參數(shù)，不考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和邊的可靠度，衡量的是在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)或邊發(fā)生自然失效或遭受故意攻擊的條件下，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持連通的能力?；趥鹘y(tǒng)圖論的網(wǎng)絡(luò)抗毀性參數(shù)：連通度（connectivity），堅(jiān)韌度（toughness

52、），完整度（integrity），粘連度（tenacity），離散數(shù)（scattering number），核度（coritivity），膨脹系數(shù)（expansion coefficient），自然連通度（natural connectivity）基于統(tǒng)計(jì)物理的網(wǎng)絡(luò)抗毀性參數(shù)：基于統(tǒng)計(jì)物理的抗毀性參數(shù)通過觀察節(jié)點(diǎn)或邊移除過程中網(wǎng)絡(luò)性能的變化，用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生相變時(shí)的臨界節(jié)點(diǎn)（邊）移除比例來刻畫網(wǎng)絡(luò)的抗毀

53、性，常用的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)包括連通片數(shù)目、最大連通片規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)直徑、平均最短路徑長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)效率、可達(dá)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)目等。2）生存性survivability生存性參數(shù)是概率性的，它不僅和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，也和網(wǎng)絡(luò)部件的故障概率、外部故障以及維修策略等有關(guān)。端端可靠度、K端可靠度和全端可靠度……,可靠性分析與計(jì)算方法：是指在給定網(wǎng)絡(luò)部件可靠度的條件下，研究如何計(jì)算各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性度量參數(shù)。學(xué)術(shù)界目前以單方面計(jì)算發(fā)展比較受重視，分