通用电子产品全寿命周期可靠性分析方法

王宇，王欣汝，黄进永，刘舜鑫

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

通用电子产品全寿命周期可靠性分析方法

王宇，王欣汝，黄进永，刘舜鑫

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

可靠性是电子产品的不可见质量。通用电子产品的故障事件频发，但是，现有的针对电子产品可靠性的研究却过于 “专一化”，尚未对通用电子产品在整个寿命周期过程的可靠性作出全面的分析。如何在电子产品研制、试验、生产、使用和维修的整个寿命周期中，对电子产品的可靠性进行定性分析和量化评价，是通用电子产品可靠性分析评估中急需解决的问题。针对以上问题，提出了一种对电子产品在全寿命周期中的可靠性进行定性与定量分析的方法，并以某智能电表为例，进行了案例分析。

通用电子产品；全寿命周期；可靠性；定性分析；定量分析

0 引言

作为信息时代的新宠，电子产品因其具有自动化程度高、数量庞大、种类繁多和覆盖面广等特点而得到了广泛的应用，但是，如果不能很好地控制其质量，那么，各大系统的安全性和稳定性都将受到直接的影响，而且电子产品的设计者、消费者和使用者的工作和生活都可能会受到很大的困扰。近期，手机爆炸等负面新闻时有报道，电子产品的安全事故频出，究其原因还是可靠性工作做得不到位。因此，应高度重视电子产品的可靠性工作，除了要加强电子产品生产设计和使用管理等各个环节的测试工作以外，还应对其可靠性做出科学合理的评价，并根据评价结果提出改进和优化设计方案。

在电子产品可靠性分析评价方面，国内外学者开展了大量的研究，取得了一定的成果。例如：张晓洁等[1]人针对不便于通过试验鉴定判断其可靠性水平的军用电子产品，提出了一种通过收集环境试验数据来对其平均故障间隔时间（MTBF：Mean Time Between Failure）进行区间估计的可靠性分析评估方法；覃庆努等[2]人通过结合云模型和Petri网，提出了一种基于CTHSPN来考虑变环境变工作条件的电子产品可靠性评价方法；严云升等[3]人阐述了电子产品可靠性在目前轨道交通系统中的分配问题，并就此探讨了新产品取代老产品的必要条件和冗余系统的可靠性评估问题；柳超[4]提出了一种借助于可靠性预计和分配技术并结合试验数据来对高可靠军用电子产品进行综合分析评估的方法。

由此可见，虽然目前针对电子产品可靠性评价开展了广泛的研究，但是这些研究要么是针对某个特定领域的电子产品，要么是针对电子产品某个研制阶段的可靠性进行评估，并未对通用电子产品在整个寿命周期内的可靠性进行定性与定量的分析。为此，本文结合可靠性预计、评估技术和可靠性试验，结合 “定性分析”和 “定量统计”的优势，提出了通用电子产品全寿命周期中的可靠性的定性与定量分析方法。

1 常用的可靠性分析方法简介

现有的电子产品可靠性分析评价方法有：定时截尾试验法、贝叶斯法、系统分布推理法和模糊计分法。他们在进行可靠性分析方面所具有的优势和局限性如下所述。

定时截尾试验法由于提前知道了电子产品的最大的累积试验时间，因此其能对电子产品的MTBF作出估计。但是，该方法一般用于产品的试验期，同时不论电子产品的质量好坏，都要经过繁琐的累积试验，不能很好地节约资源。

贝叶斯法适用于各种失效分布系统，用此法推算出的系统可靠性置信下限比较接近系统的真实可靠性水平。但是，由于其数学处理的难度大，同时由于缺乏国产电子产品的验前数据，所以该方法未能在我国得到推广。

系统分布推理法是一种以电子产品分系统的可靠性来推算整个产品的可靠性的方法。它非常适合用于评价比较复杂的电子产品的可靠性，但是需要提前知道电子产品某个分系统的可靠性；此外，该方法也需要较长时间来记录各个分系统的失效情况，因而难以管理。

模糊计分法是一种基于GJB 450A《装备可靠性工作通用要求》的方法，其本质上是专家评分法。这种方法对专家水平的依赖程度较大，不同专家组的分析评定可能会导致不同的结果。

因此，通过对以上可靠性评价方法的优缺点进行分析，结合通用电子产品的特点，本文提出了一种在通用电子产品全寿命周期中都适用的可靠性分析方法。

2 通用电子产品全寿命周期可靠性分析方法研究

在通用电子产品的整个寿命周期中，我们可以做很多工作来评价其可靠性水平。一方面，可以按照可靠性检验标准对各电子产品进行可靠性定性分析；另一方面，对于通用电子产品，在其研制阶段可以采用可靠性预计，后期试验和生产等阶段可以采用可靠性评估和可靠性试验等工作来对其可靠性进行量化评价。

在整个寿命周期中，对通用电子产品的可靠性进行量化评价一般包括以下3个步骤：1）可靠性预计；2）可靠性评估；3）加速寿命试验。

2.1 可靠性分析理论

2.1.1可靠性预计

可靠性预计主要用于电子产品的设计阶段。在这个阶段，根据电子产品的可靠性模型、结构、材料和工作环境等信息定量地估计其组成单元及系统的可靠性水平[5]。其作用在于能够提前发现各种设计指标是否满足要求，找到较弱的环节，同时也可为改进和优化设计方案提供依据。

目前，国内开展可靠性预计工作所依据的标准主要是由工信部电子五所制定的GJB/Z 299C《电子设备可靠性预计手册》。GJB/Z 299C是在充分地分析大量的可靠性试验数据和现场使用数据的基础上编制而成的，它适用于我国的电子产品，同时也借鉴了美国、英国和法国等国家的可靠性预计手册的优点。该标准涉及21类元器件，包括部分国产元器件和部分进口元器件。它对这些元器件的预计模型、各种参数和基本失效率的图表和公式进行了深入的研究，并且给出了采用应力分析法和元器件计数法进行电子产品可靠性预计所需要的各种信息和图表，应用范围比较广泛。GJB/Z 299D预计明年可以发布。

2.1.2可靠性评估

可靠性评估贯穿于电子产品研制、试验、生产、使用和维修的整个寿命周期中。在研制阶段，对各项可靠性试验的结果进行评估，可以验证试验的有效性；在定型阶段，根据可靠性鉴定试验的结果，可以评估产品的可靠性水平是否达到设计的要求，从而为生产决策提供管理信息；在生产阶段，根据验收试验数据可以评估产品的可靠性能否达到所要求的水平；在早期使用阶段，通过收集分析和评估现场数据能够找出早期故障的原因，加强可靠性筛选，提高产品的可靠性；在使用过程中，定期地对电子产品进行可靠性分析和评估，有利于及时地对可靠性水平低下的电子产品进行改进。

2.1.3加速寿命试验

加速寿命试验是在不改变电子产品的失效机理、不增加新的失效模式的前提下，通过提高一些应力的强度以加速失效进程的试验方法，一般适用于电子产品寿命长，急需缩短试验时间进行产品寿命定量验证的情况。根据加速试验的数据，可以定量地评估产品的寿命，指导电子产品的后期维护、保障。但是，需要注意的是，在开展加速寿命试验之前，首先需要开展可靠性预计，并且需要确保电子产品的可靠性预计的结果是满足设计要求的；否则，开展加速寿命试验的效果可能就会不理想。

2.2 可靠性分析方案流程

本文结合电子产品全寿命周期的特点及各生产和使用者开展电子产品可靠性试验、验证和评估工作的需求，提出了电子产品可靠性定性与定量分析相结合的方法，其具体的分析流程如图1所示。

图1 电子产品可靠性定性与定量分析总体流程方案

本文中提出的电子产品可靠性定性与定量分析相结合的方法一共包括6个步骤，具体的过程如下所述。

a）根据各个生产厂家和使用者提供的电子产品的数据，开展可靠性预计工作。通过可靠性预计，分析各个厂家的产品是否达到了可靠性设计的要求，是否具备开展验证试验、可靠性评估和加速试验的条件。若预计结果符合要求，则继续进行下一步的验证、试验工作；否则，就要提出改进建议，建议厂家改进设计。

b） 按标准开展可靠性验证试验 （定性考核）。 对不同领域的电子产品开展可靠性试验应参照不同的标准。对于一般的军用电子产品，可 按 照 GJB 899A-2009开展可靠性试验，以定性地考核其可靠性是否满足设计要求。

图2 某智能电表的可靠性预计工作界面

c）收集可靠性数据。要求各个电子产品生产厂家提供产品研制过程的试验数据，判断数据是否足以支撑开展可靠性评估。

d）开展可靠性评估，定量地评估可靠性指标。若收集的数据充足，则可采用可靠性评估方法 （经典法和贝叶斯法）进行电子产品的可靠性指标定量评估。

e）进行加速寿命试验。由于加速寿命试验需要投入的人力、物力较大，因此，需要综合地考虑是否开展加速寿命试验。

f）将可靠性验证试验 （定性考核）的结果与可靠性评估 （定量考核）的结果相结合，或者将可靠性验证试验 （定性考核）的结果与加速寿命试验（定量考核）的结果相结合，以此来评价该电子产品在整个寿命周期内的可靠性。

3 案例分析

在众多的电子产品中，本文选取某智能电表，用上文中提出的定性与定量分析方法对其可靠性进行分析[6]，具体的步骤如下所述。

a）首先，直接采用工信部电子五所的六性协同工作平台CARMES中的可靠性预计模块，按智能电表的各个模块，将各项参数输入自动计算得到其失效率 （单位为10-6/h），工作界面如图2所示；然后，分析结果，确认其是否满足可靠性设计开展要求。

b）按照DL/T 830标准开展可靠性验证试验，定性地考核该智能电表是否满足设计要求[7]。

c）收集该智能电表生产厂家提供的产品研制过程的各项试验数据，主要包括：

1）按照GB/T 17215标准开展的高低温试验、交变湿热试验和阳光辐射试验数据；

2）电磁兼容性试验数据；

3）可靠性增长试验数据；

4）可靠性摸底试验数据；

5）类似型号 （例如：功能结构基本相同，仅有小部分改进的型号）的环境试验数据、使用数据、验证或鉴定试验数据。

然后，将上述收集的数据，应用CARMES可靠性评估软件的试验数据管理模块，录入相关数据，判断收集的数据是否足以支撑可靠性评估工作的开展。

d）若步骤c）收集的数据充足，则可采用可靠性评估方法对智能电表的可靠性指标进行定量的评估。在实施可靠性评估工作时，可直接采用CARMES可靠性评估软件，进行可靠性评估，评估界面如图3所示。

e）若步骤d）的可靠性评估的结果能够满足要求，则优先采用可靠性评估手段；否则对该智能电表开展加速寿命试验。

图3 CARMES可靠性评估界面

f）最后，结合以上结果，对该智能电表的可靠性做出总体评价和分析，并编写评估报告。

4 结束语

为了解决电子产品故障事件频发、对装备的使用方造成了严重影响的问题，需要对其整个寿命周期的可靠性进行定性和定量的分析。目前的研究尚未对电子产品在通用性、全寿命、定性和量化等多个方面同时做出评价分析。针对此问题，本文提出了一种定性与定量相结合的通用电子产品全寿命周期内的可靠性分析方法。该方法对通用电子产品的可靠性设计工作的开展具有重要的指导意义，不失为一种经济、有效的可行方法。

[1]张晓洁，王强，李政.一种电子产品的可靠性评估方法[J].电子产品可靠性与环境试验，2014，32（1）：32-35.

[2]覃庆努，魏学业，黄赞武，等.变环境变工作条件下电子系统的可靠性评价方法 [J].中南大学学报 （自然科学版），2013，44（8）：3254-3260.

[3]严云升，张潮东.电子产品的可靠性分析和评估 [J].机车电传动，2007（6）：6-9.

[4]柳超.高可靠军用电子产品可靠性评估方法 [J].四川兵工学报，2006，27（6）：64-66.

[5]骆明珠，康锐，刘法旺.电子产品可靠性预计方法综述[J].电子科学技术，2014，1（2）：246-256.

[6]全国电工仪器仪表标准化技术委员会.电能表可靠性要求及考核方法：JB/T 50070[S].北京：机械工业出版社，2002.

[7]电力行业电测量标委会.静止式单相交流有功电能表使用导则：DL/T 830-2002[S].北京：中国电力出版社，2002.

A Reliability Analysis Method of General Electronic Products During Life Cycle

WANG Yu，WANG Xinru，HUANG Jinyong，LIU Shunxin
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

Reliability is the invisible quality of electronic products.At present， the failure events of electric products occur frequently，but the current research on the reliability of general electronic products is too specific，and it hasn't yet made a comprehensive analysis of the reliability of general electronic products in the whole lifecycle.How to qualitatively analyze and quantitatively evaluate the reliabilityofelectronicproducts in theirwhole life cycleof development，testing，production，use and maintenance is an urgent problem to be solved in the reliability analysis and evaluation of general electronic products.In view of the above problems，a method for qualitative and quantitative analysis of the reliability of electronic products in the whole life cycle is proposed，and taking a smart meter as an example，a case analysis is carried out.

general electronic product；life cycle；reliability；qualitative analysis；quantitative analysis

TB 114.3

：A

：1672-5468（2017）01-0040-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.01.009

2016-07-04

2016-12-05

王宇 （1988-），男，湖南衡阳人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性数据中心工程师，从事电子产品可靠性设计分析工作。