电子系统装备可靠性问题研究

贺世民　郭浩　陈玉斌　宝国辉

【摘 要】本文主要阐述了电子产品可靠性常用基础概念、常用公式及实施方法，较为系统地介绍了电子产品可靠性工作的流程，对于电子系统装备的技术人员和管理人员，具有一定的参考应用价值。

【关键词】可靠性；可用性；MTBF；可靠性模型；可靠性预计

1.认识产品可靠性工作

1.1什么是产品的可靠性

产品在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的能力叫产品的“可靠性”。通俗地说，产品故障出的少，就是可靠性高。可靠性的概率度量叫可靠度，用R（t）表示。

设N个产品从时刻“0”开始工作，到时刻t失效的总个数为n（t），当N足够大时

R（t）≈[N-n（t）]/N=N（t）/N

这里边重点是产品、规定条件、规定时间、规定功能。

产品：硬件（汽车、电视机等）、流程性材料（水泥、燃油、煤气等）、软件（程序、记录等）、服务（理发、导游等）。

规定条件：主要指自然、人文等环境。

规定时间：指时间段或某一时刻。

规定功能：产品所应达到的能力和效果。

我们这里讲到的产品可靠性通俗说就是我们研制生产的设备或系统在用户所处的环境中使用时实现其应有的技战术性能的能力。

1.2产品可靠性的重要性

在国际上，可靠性起源于第二次世界大战，1944年纳粹德国用V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭在起飞台上爆炸，还有一些掉进英吉利海峡。由此德国提出并运用了串联模型得出火箭系统可靠度，成为第一个运用系统可靠性理论的飞行器。当时美国海军统计，运往远东的航空无线电设备有60%不能工作。电子设备在规定使用期内仅有30%的时间能有效工作。在此期间，因可靠性问题损失的飞机2.1万架，是被击落飞机的1.5倍。由此引起人们对可靠性问题的认识，通过大量现场调查和故障分析，采取对策，诞生了可靠性这门学科。

上述例子充分证明了装备可靠性的重要。因此现代武器装备既要重视性能，又不能轻视可靠性。要获得装备的高可靠性，目前通用的做法是采用工程化的方法进行设计和管理。

下面我们介绍一下可靠性工程方法的一些基本内容。也是目前我们工作中常用到的内容。

2.常用的可靠性工程技术指标

●可用性

产品在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度。可用性的概率度量叫“可用度”，用“A”表示。

可用性描述了在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下及随机规定的时刻处于可执行规定任务的能力。

●固有可用度

仅与工作时间和修复性维修时间有关的一种可用性参数。其度量方法为：产品的平均故障间隔时间和平均故障间隔时间、平均修复时间的和之比。

●使用可用度

它是与能工作时间和不能工作时间有关的一种可用性参数。其度量方法为：产品的能工作时间与能工作时间、不能工作时间的和之比。

● MTBF

它是在规定的条件下和规定的时间内，产品处于规定状态的总数与这段时间内故障总数之比。它是可修复产品的一种基本参数。

对于一批产品来说

MTBF=tiN

式中ti为第i个产品无故障工作时间；

N为产品的数量。

●故障率（λ）。

产品工作到t时刻后的单位时间内发生失效的概率。它是在规定的条件下和规定的时间内，产品的故障总数和寿命单位总数之比。它是可靠性的一种基本参数。

3.产品可靠性模型

（a）产品定义。

●确定产品的任务和工作模式。

●规定产品及其分系统的性能参数及容许界限。

●确定产品的物理界限及功能接口。

●确定构成任务失效的条件。

●确定产品的寿命剖面和任务剖面。

对于建立基本可靠性模型，一定要明白：产品组成和框图结构、寿命剖面。

（b）确定产品可靠性框图。根据产品定义的结果，将产品组成部分按工作流程以框图的形式表示出来。

（c）确定计算产品可靠性的数学模型。

4.产品可靠性预计

4.1可靠性预计的目的

（a）可靠性预计作为一种设计工具，可从可靠度、性能、费用、研制周期等选择最佳的设计方案。其中早期预计着重于方案的现实性和可能性研究。

（b）选择了某一设计方案后，通过可靠性预计可发现设计的薄弱环节，以便及时改进。

（c）通过可靠性预计可以推测产品能否达到规定的可靠性要求。

（d）可靠性预计结果不仅用于指导设计，还可以为转阶段决策提供信息，为可靠性试验、制定维修计划、保障性分析、安全性分析、生存性评价等提供信息。后期预计着重于对设备的可靠性进行评价或提出硬件改进建议。

（e）为可靠性指标的分配和可靠性保障设计提供依据。

4.2可靠性预计方法

（a）回归分析法。

（b）相似产品法。

（c）相似电路法。

（d）专家评分法。

（e）有源单元估算法。

（f）元件计数法。

（g）应力分析法。

这里重点介绍计数法和应力分析法。

4.3计数法

（a）元器件计数可靠性预计法是根据设备中各类元器件的数量及该元器件通用失效率、元器件质量等级和设备的应用环境类别来估算设备可靠性的一种方法。

4.4应力分析法

元器件应力分析可靠性预计法是通过分析元器件所承受的应力，计算元器件在该应力条件下的工作失效率来预计设备的可靠性。

元器件在不同应力条件下其失效率不同。在普通场合，这些应力主要的是电应力和环境应力。元器件应力分析可靠性预计法较全面的考虑了电、热和其它气候、机械环境应力等因素对元器件失效率的影响。通过分析设备上各元器件工作时所承受的电、热应力及了解元器件的质量等级，承受电、热应力的额定值，工艺结构参数和应用环境类别等，利用手册给出的数值、图表和失效率模型，来计算各元器件的工作失效率，由此预计电子设备的可靠性水平。

其预计的主要程序：

（a）分析各元器件的应用方式，工作环境温度及其它环境应力，以及负荷电应力比等工作应力数据。

（b）汇编设备的元器件详细清单，清单内容包括：元器件名称，型号规格，数量，产品标准，性能额定值及有关的设计、工艺、结构参数和工作应力数据等。

在采用应力分析进行预计时，大多数元器件种类分别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虑温度和电应力对元器件失效率影响。而工作失效率模型除反映温度、电应力等基本因素外，还包括其它多种的对元器件失效率影响的因素。一般（集成电路除外）表示为：反映电应力（S）、温度应力（T）影响的基本失效率（λb）与其余影响失效率的质量因子、环境因子、设计、工艺、结构因子以及应用因子（π系数）等一系列修正因子的乘积。

λp=λpπ

集成电路失效率计算除考虑上述因子外，还应考虑结温、电路复杂度、封装复杂度等因子。 [科]

【参考文献】

[1]王锡吉.电子设备可靠性工程.陕西科学技术出版社，1999.

[2]杨启善，杨秉喜等.可靠性标准应用导引.中国标准出版社，2000.