基于故障物理的可靠性体系

金春华

（1.北京科技大学 东凌经济管理学院，北京 100192；2.北京信息科技大学 经济管理学院，北京 100192）

基于故障物理的可靠性体系

金春华1,2

（1.北京科技大学 东凌经济管理学院，北京 100192；2.北京信息科技大学 经济管理学院，北京 100192）

建立在数理统计基础上的可靠性工程模式需要耗费较大的时间及经济成本，不利于可靠性工作的企业化应用及后续发展，基于故障物理的可靠性工程体系正是解决这一问题的最佳途径。介绍了故障物理的基本原理，形成了以故障物理为中心的可靠性体系框架，理清了故障物理的分析过程，说明了基于故障物理的可靠性提升方式。为企业进一步提高产品可靠性提供了新的理论方向，实施方法和具体思路。

可靠性体系；故障物理分析；可靠性提升

0 引言

基于数理统计的可靠性工程体系从形成至今已有近60年的历史，曾为产品可靠性提升提供系统的工作流程和模式[1]。然而随着产品日趋复杂、应用范围不断扩大、使用环境条件日益多样化，往往要求在有限的时间和成本下提升产品的可靠性，而通常可靠性的验证试验需要耗费较长的时间和较大的成本，使得企业在推行可靠性工程中遇到巨大阻力。另外一方面，基于数理统计的可靠性在宏观趋势分析以及产品的比较等方面上具有很大的优势，然而宏观的数据分析并不能追究故障发生的具体原因，也无法提出产品可靠性提升的具体要求，因而不能为设计开发提供有效地输入和指导，使得可靠性工作与设计开发脱节，为产品可靠性提升带来困难。

故障物理可靠性是与数理统计同步发展的可靠性工程体系。故障物理的研究方法是从原子分析的角度出发，来解释材料、元件、组件及产品的失效现象，以便为材料、元件、组件、产品的改良、分类、评价、使用以及产品的可靠性的设计、维修等提供依据，它是物理和工程学的基础性技术，可以说故障物理是对可靠性工程起支撑作用的最基础技术。

国内目前绝大多数军工、航天等产品大多以数理统计可靠性为主，然而随着可靠性的民品化、以及可靠性要求的提升等，基于故障物理的可靠性工作将越来越受到重视。然而国内目前关于故障物理的介绍不够系统和全面，本文期望通过对故障物理的系统描述，为企业提升可靠性提供新的方法和思路的参考。

1 故障物理的基本原理

物质的变化均由能量引起，而能量来自外界的能量和物质自身的能量。外界的能量包括来自于物质本身之外的机械能、热能、化学能、核能、电磁能以及生物因素等，而内部能量则来自于内部分子原子等的相互作用力，以及在加工过程中产生的内应力等。通常产品出厂时，产品处于能量相对平衡的状态，而随着产品的使用过程，受到环境应力和工作应力。当这些应力经过位移、时间等过程，将变成能量作用于产品之上，这些能量将使产品材料发生变化。固体材料的性质通常有结构的钝感性和敏感性两类，导致故障、退化发生的主要因素来自后者。产品的失效由结构敏感性上最薄弱环节所决定当产品结构发生变化，导致强度（包括：机械强度、耐高温性、耐腐蚀性、抗静电、抗电强度、抗电磁强度等）变化，并形成不可逆过程时，将直接或间接对产品的参数产生影响，当参数的变化达到故障定义的状态时，便产生了故障[2,3]。

故障物理的研究任务包含两方面的内容：

1） 故障物理的理化模型。主要研究材料在应力（能量）、时间的作用下发生物理、化学变化的规律；

2）故障物理的数理统计模型。加载在产品上的应力或者能量是服从一定的分布规律的，同时由微观物理因素导致的故障在时间和空间上都是随机发生的，因此故障物理的另一个任务是研究故障物理的数理统计模型。

失效的发生是微观的过程，又是总体上宏观变化的过程。因此，故障物理的理化模型和数理统计模型二者相辅相成。

2 故障物理分析过程及应用

可靠性本质上是通故障作斗争的学科，因此其核心问题是如何降低产品的故障。对企业而言，故障的改进通常从已发生的故障着手，通过故障分析得到故障的理化模型和统计模型，并将这些模型应用于可靠性的设计和验证等工作。通过上述工作，企业可建立材料库、结构库以及应力库，作为产品在寿命周期可靠性保障的基础信息。如同质量体系的PDCA循环具有自发的持续改进过程一样，一旦建立与故障做斗争的正确理念和方法，产品的可靠性同样可以再发的持续提升。

以故障物理为中心的可靠性体系如图1所示。

2.1 故障物理分析输入

故障物理分析的输入是产品生命周期各阶段所产生的故障。故障分析，首先应有故障品。没有故障品，故障物理的研究失去了研究对象，研究过程和研究结果就无从谈起，因此保护好故障品极为重要。对于电子产品，如器件损坏，考虑电路板整体所受应力，则应连同损坏的器件的电路板及其输入输出的接口部分一同定义为故障品。连同故障品一同作为故障分析输入的内容还有故障履历，包括：故障发生的时间、地点、环境条件、工作状态、故障表现、故障部件和故障严重程度等，故障履历信息将为分析产品的强度、应力以及分析相应的退化过程提供重要的信息输入。于此同时，还应记录故障统计信息，包括故障发生率、故障分布和母本大小等信息。统计信息将有助于企业集中精力解决重点故障，同时可建立故障的数理统计模型。

2.2 故障物理分析过程

故障物理的分析过程通常是故障点的定位，故障现象和故障模式的分析，对故障机理的探究，从而找到故障原因，进行改进。

2.2.1 故障点定位

故障物理的分析首先从故障点的定位开始，其难易程度随产品形态的不同有很大的差异。对于机械产品某些带有自监测功能的产品通常故障点定位相对容易。而对于电子产品故障点的定位有时需要借助一定的测试方法，尤其是在集成电路中，对故障点的定位需要用到声学扫描、X-ray扫描、开封、染色等多种手段结合进行定位。对故障点的定位越精确，越容易揭示其失效的过程。

2.2.2 故障模式分析

故障模式即故障的表现形式。更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范描述。通常机械及电子行业对发生频率较高的试下模式均已有规范化的描述。如：机械产品中常见的：磨损、断裂、变形和腐蚀等。当发生故障时，应首先判断其是否归纳到已有的故障模式中，如是新的故障模式，则应谨慎规范地定义其故障模式。

某些机械的故障模式是比较容易检测到的，但是某些电子产品失效模式则可能需要通过破坏性物理分析（DPA）才能够发现。随着新产品、新技术的不断出现，产品的失效模式的确认方法、检测技术和检测设备正在以更快的速度发展[4]。

图1 以故障物理为中心的可靠性体系框架

2.2.3 故障机理分析

故障机理即导致故障的物理、化学以及其他的过程。因此失效机理注重的是对过程的研究，这是故障物理的核心和难点。

出厂为合格的产品，经过储运、使用的过程最终产生故障，原理上均是由于能量作用导致材料变化的结果。因此，故障物理的研究应首先明确作用在产品上的能量。要完整分析这些能量的来源，首先应分析产品的寿命剖面及任务剖面所有经过的环境和时序，以及在这些剖面下环境应力和工作应力。

产品在寿命剖面和任务剖面所受的环境应力和工作应力，在形式上将变现为机械能、热能、化学能、生物能、核能和电磁能六种能量作用于产品中。能量以不同的方式加载在产品的材料上，将对材料不同的影响，因此需要考虑能量的速度、能量的大小、能量的变化规律和能量的作用点等。能量的大小将决定产品破坏的程度、能量的速度和变化规律将决定破坏的形式，如：快速的能量作用，可能将引发材料瞬间过应力，典型的例子是过电应力；能量的作用点将决定材料破坏的起始点，故障点的定位将与此互相印证。

能量的上述因素对材料的影响大致可分为两类：一类为可逆的变化，一类为不可逆的变化。产品材料、结构的不可逆变化，在宏观上将表现为产品性能变化，而性能变化到不能达到规定的功能时，换而言之就是越过了故障定义产生各种故障的变现形式，即故障模式。

2.2.4 故障原因分析

故障原因是触发故障机理产生的因素。从产品的寿命剖面中明确其发生的阶段，找寻出发故障机理的各类因素。原则上说，故障机理的发生是正向过程，而寻找故障原因则是逆向过程，即从产品发生的故障推测其发生的过程，进一步推测出发这些过程的因素，并对其进行验证。确认故障原因后，对产品的改进可以有两种途径：一种途径是阻隔失效发生的原因，另一种途径是改变产品的失效机理，即需改变产品的材料、结构、进而改变产品的强度。由于后者会有产生新的失效的风险，因此通常在企业会选择阻隔失效发生的原因，如：该进设计、该进工艺及检验手段、人员培训、该进储运环境、增加环境防护设计、增加保护电路、作业标准化、使用过程简易化等。

2.2.5 可靠性数据平台

产品故障分析过程是企业积累材料、结构、应力、时间等关系的过程，是企业宝贵的资产，企业有必要将这些分析结果数据平台化。各企业建立的平台的模式可不尽相同，应包含故障相关的基础数据库即：材料库、结构库、应力库、故障模式库（包含故障模型）等，以为企业的可靠工作持续提升提供基础保障。

3 基于故障物理的可靠性提升

1）提出可靠性要求

在没有故障物理基础的情况下，制定可靠性要求通常有两个途径：一是基于相似产品的可靠性指标；二是基于客户或定制方（如：军方）提出的要求；但由于新技术、新材料、产品的新应用等日新月异，有可能还未得到历史产品的数据，新的产品又要投入了，因此基于相似产品提出可靠性指标已越来越困难，客户端提出可靠性指标也面临着同样的问题。故障物理技术为确定可靠性指标或要求提供了新的依据和方法：即通过对产品在寿命剖面和任务剖面上所受的环境应力和工作应力，应力的作用方式和作用点的分析，以及产品在应力作用下所产生的失效方式及失效机理，同时通过数理统计，明确产品失效的概率，从而确定可靠性的指标和要求。

2）可靠性设计

基于故障物理的理化模型和数理统计模型由于比较客观的反应了事物的发展的宏观和微观的规律，因此能够为可靠性设计提供极具价值的设计输入信息。如：类似产品的失效形式（过应力、累计损伤），可明确产品提高可靠性的途径是需要提升产品的强度还是要减缓其退化的过程；通过最弱环模型可以明确产品应提升可靠性的具体单元、零件、直至材料；同时通过应力分析，可以提出对产品的材料在强度和在环境应力和工作应力下的退化要求，从而为新材料、新技术的研究和应用提供方向。

3）可靠性预计

可靠性预计是对产品可靠性特征参数进行预先估计的一种工作。可靠性预计为今后的产品的备品备件、保障服务等工作提供必要的信息。传统的可靠性预计方法来源于美军标MIL-HDBK-217及其衍生手册，这些手册基本来源于军用产品的使用环境，并给出相应的修正系数，然而由于很多产品与军品在环境上有很大差异，而且随着技术发展，很多修正系数等已不再适用，这些因素导致预计结果与产品的实际运行情况相差巨大，成为产品售后保障的障碍。而根据故障物理模型所开展预计可通过可靠性建模和仿真[5,6]，比价准确的预计产品的可靠性状况，一方面为产品改进提供有力的依据，另一方面也为产品的售后保障提供准确信息，确保资源的合理使用。

4）可靠性验证

可靠性验证按照施加应力的原则分为模拟实验与激发试验。模拟实验又称为正常应力试验，激发试验又分为加速应力试验、加速寿命试验和加速退化试验等。模拟试验是尽可能地模拟任务剖面的真实条件进行试验，以评估产品的可靠性。用此种方式评估要求单台产品的试验时间至少是4.3倍MTBF。随着可靠性的越来越来高，产品的试验所需耗费的时间和成本也越来越大。因此激发试验的应用越来越广泛，通常加速试验是用更高的应力来换取时间，因此需要在应力—时间——故障机理上建立模型，来确保产品在不改变失效机理的前提下能够用更短的时间更有效的进行可靠性试验和可靠性评估。同时由于故障物理模型是在充分考虑产品的寿命剖面和任务剖面上的应力及产品的强度变化的过程上的，因此在可靠性性验证过程中，可进行仿真建模，并利用计算机进行随机试验[7～9]，得到相应的数理统计模型，从而能够在不易进行试验的情况下，可获得相对比较准确的验证结果。

4 结束语

目前我国的制造业急需从做大到做强的转型，可靠性作为产品的核心竞争力已毋庸置疑。而基于数理统计的可靠性工程正日益面临着时间、成本与效果的挑战。可靠性本质上是与故障做斗争的学科，而故障物理从本源上揭示故障的发展规律，使企业能够将有限的资源投入到产品的可靠性分析和预防中，而非耗费巨大时间和成本的可靠性试验中。本文为企业如何开展故障物理的可靠性工作提供了有价值的参考。同时，故障物理可靠性的开展必然在产业链中形成对新材料、新技术的强力推动，从而建立稳固、上升的产业链，为我国的制造业转型发展提供良好的土壤。

[1] 黄志伟.可靠性系统工程的理论与技术结构框架分析[J].硅谷,2014,(13)：154-161.

[2] 胡林忠.失效机理在可靠性工程中的应用[J].环境技术,2008,(02)：14-18.

[3] 刘柳,周林,邵将.电子产品故障物理模型研究与应用进展[J].装备环境工程,2015,(02)：54-58.

[4] 何胜宗,武慧薇.失效分析在智能电能表可靠性提升中的应用[J].电子产品可靠性与环境试验,2016,(06)：26-30.

[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,2014,(02)：246-256.

[6] 曹胜.基于故障物理的电子产品可靠性预计与试验研究[D].电子科技大学,2016.

[7] 邵帅,刘柳,钟季龙.电子产品故障物理模型仿真分析与试验验证[J].测控技术,2016,(11)：141-145.

[8] 陈颖,高蕾,康锐.基于故障物理的电子产品可靠性仿真分析方法[J].中国电子科学研究院学报,2013,(05)：444-448.

[9] 梁奕坤,胡宁,黄进永,余昭杰.基于失效物理的可靠性仿真技术及软件设计[J].电子产品可靠性与环境试验,2016,(03)：76-79.

Reliability system based on physics of failure method

JIN Chun-hua1,2

TB114.3

：A

：1009-0134(2017)05-0153-04

2017-04-28

金春华（1974 -），男，江苏苏州人，博士研究生，研究方向为质量与可靠性工作。