《可靠性设计与试验》.ppt

第十二章第十二章 可靠性设计与试验可靠性设计与试验 12.1 概论概论12.2 元器件的筛选元器件的筛选12.3.电子产品的可靠性预计电子产品的可靠性预计12.4 降额设计降额设计12.5 漂移失效（漂移失效（marginal failure）的设计）的设计12.6 机械可靠性概率设计机械可靠性概率设计:干涉理论干涉理论12.7可靠性试验可靠性试验1可整理ppt12.1 12.1 概论概论在高费用及通货膨胀时代，获得有效的备在高费用及通货膨胀时代，获得有效的备用系统的关键是：用系统的关键是：在最低费用的基础上得在最低费用的基础上得到性能，可靠性及系统其它参数之间的折到性能，可靠性及系统其它参数之间的折衷平衡。衷平衡。它们之间有一定的矛盾，这就要它们之间有一定的矛盾，这就要求设计人员能够掌握更新的设计方法，以求设计人员能够掌握更新的设计方法，以较快的周期更新产品，设计人员必须使用较快的周期更新产品，设计人员必须使用户在产品的性能，可靠性，维修性及费用户在产品的性能，可靠性，维修性及费用几个方面达到可接受的平衡关系。在确定几个方面达到可接受的平衡关系。在确定了可靠性，维修性，费用，性能的设计指了可靠性，维修性，费用，性能的设计指标以后求解它们的最优方案。标以后求解它们的最优方案。2可整理ppt可靠性设计内容可靠性设计内容最大限度地提高固有可靠性，其中包括：原件的选择与管理，降额最大限度地提高固有可靠性，其中包括：原件的选择与管理，降额设计，参数设计与漂移设计，环境防护，贮备设计，设计的简化与分设计，参数设计与漂移设计，环境防护，贮备设计，设计的简化与分析，这些措施都有利于提高系统的固有可靠性。析，这些措施都有利于提高系统的固有可靠性。设计中考虑降低生产与使用过程中可靠性的退化问题，进行退化分设计中考虑降低生产与使用过程中可靠性的退化问题，进行退化分析，维修设计措施，包括早期故障的判断，故障分析等。析，维修设计措施，包括早期故障的判断，故障分析等。制定元件的筛选或老练方案，可靠性试验。元件选择及管理有以下制定元件的筛选或老练方案，可靠性试验。元件选择及管理有以下几个内容：几个内容：确定完成所需功能元件类型及预期的工作环境。确定完成所需功能元件类型及预期的工作环境。确定元件的临界值，（额定值）确定元件的临界值，（额定值）,如果超过这个值有可能失效而如果超过这个值有可能失效而 出现危险情况等，出现危险情况等，确定元件的质量等级。确定元件的质量等级。可靠性分配与优化设计，重要度分析也是设计中的重要任务。可靠性分配与优化设计，重要度分析也是设计中的重要任务。费用设计，费用的估计和分配技术。费用设计，费用的估计和分配技术。可靠性分配与优化可靠性分配与优化可靠性审查与评估可靠性审查与评估储备设计方法储备设计方法3可整理ppt12.2 12.2 元器件的筛选元器件的筛选可靠性筛选的目的是尽快地缩短早期失效可靠性筛选的目的是尽快地缩短早期失效期并把失效率降低到可接受水平上。利用期并把失效率降低到可接受水平上。利用加速或增加应力条件温度可以加快筛选速加速或增加应力条件温度可以加快筛选速度，表明同一种产品在不同条件下失效率度，表明同一种产品在不同条件下失效率不是相同的，因此在进行可靠性试验时就不是相同的，因此在进行可靠性试验时就可以提高应力条件，使早期失效在较短的可以提高应力条件，使早期失效在较短的时间内剔除。时间内剔除。4可整理ppt可靠性筛选的特点可靠性筛选的特点可靠性筛选只能剔除一批元件中早期失效元件，可靠性筛选只能剔除一批元件中早期失效元件，而不能提高产品的可靠性的固有数值。例如工艺而不能提高产品的可靠性的固有数值。例如工艺上的缺陷，设计上的问题无法从筛选中排除，还上的缺陷，设计上的问题无法从筛选中排除，还氧树脂龟裂就是一例。氧树脂龟裂就是一例。经过筛选后的元件要求不产生失效机理和失效经过筛选后的元件要求不产生失效机理和失效分布的变化，它是一种非破坏性试验。分布的变化，它是一种非破坏性试验。可靠性筛选是对可靠性筛选是对100100元件进行试验，不是抽样元件进行试验，不是抽样试验。试验。5可整理ppt筛选分类筛选分类检查筛选检查筛选：显微镜检查：显微镜检查,红外线非破坏检查红外线非破坏检查,X,X射射线非破坏检查线非破坏检查密封性筛选密封性筛选：很多元器件是在密封条件才能正：很多元器件是在密封条件才能正常，检查漏气是十分重要的一项提高可靠性的措常，检查漏气是十分重要的一项提高可靠性的措施，如氦检或效射性检漏。施，如氦检或效射性检漏。环境应力筛选环境应力筛选：振动加速度筛选：振动加速度筛选,冲击加速度筛冲击加速度筛选选,离心加速度筛选离心加速度筛选 20000g100000g 20000g100000g加速度加速度,温度温度冲击筛选冲击筛选 （4040 C85C85 C C冲击锗器件）（冲击锗器件）（5555 C125C125 C C冲击硅器件）冲击硅器件）寿命储存筛选寿命储存筛选:（i i）高温储存筛选）高温储存筛选,（iiii）功率）功率老化筛选老化筛选6可整理ppt应应 力力 筛筛 选选 7可整理ppt例如某厂半导体例如某厂半导体3DG32加加300毫瓦功率进行摸底试毫瓦功率进行摸底试验，得到试验时间与失效率的数据如表验，得到试验时间与失效率的数据如表8可整理ppt筛选中的筛选中的PDAPDA值控制技术值控制技术 PDAPDA是是Percent Defective AllowablePercent Defective Allowable的缩写。意的缩写。意为为“批允许不合格率批允许不合格率”。PDAPDA不是试验方法，而是不是试验方法，而是一种试验控制技术。一种试验控制技术。PDAPDA技术的引入使筛选的作用技术的引入使筛选的作用有一个质的飞跃。在引入前，筛选只是有一个质的飞跃。在引入前，筛选只是100%100%的的“过筛过筛”，不合格的全，不合格的全“筛筛”下去，合格的当然都下去，合格的当然都将会使用，但这些合格器件的失效率仍是个未知将会使用，但这些合格器件的失效率仍是个未知数。数。PDAPDA技术能部分解决这个问题。应用它能分辨技术能部分解决这个问题。应用它能分辨出某批电路将来使用时失效率将较低，而某批电出某批电路将来使用时失效率将较低，而某批电路路“过筛过筛”后的后的“合格合格”品失效率仍高，仍然必品失效率仍高，仍然必须整批报废。须整批报废。9可整理pptPDAPDA技术可简述技术可简述 事先确定事先确定PDA的控制值，如质量的控制值，如质量S级的产级的产品，品，PDA的控制值选的控制值选3%，质量，质量B级选级选5%等。等。经规定的试验筛选后，有失效数为经规定的试验筛选后，有失效数为r，投，投入试验的产品数入试验的产品数N，则，则定义批缺陷率定义批缺陷率P=r/N将将P与与PDA值比较值比较，如，如P值大，则该批拒值大，则该批拒收。如收。如P值不大，则通过该试验。值不大，则通过该试验。PP值直接反映试验前该批产品的可靠性水值直接反映试验前该批产品的可靠性水平，即当平，即当P值增加，产品可靠性急剧下降。值增加，产品可靠性急剧下降。10可整理ppt例例12-112-1：设，：设，小时，从小时，从100100个元件中，其中次品有个元件中，其中次品有1010个，求达到系统个，求达到系统 小时和小时和0.00120.0012小时的筛选时间。小时的筛选时间。11可整理ppt12.3.12.3.电子产品的可靠性预计电子产品的可靠性预计产品的可靠性预计是在产品定型过程中，产品的可靠性预计是在产品定型过程中，从元器件的可靠性参数，经过试验结果与从元器件的可靠性参数，经过试验结果与理论的分析计算，对产品可能达到的理论的分析计算，对产品可能达到的可靠可靠性水平进行一种预测过程性水平进行一种预测过程。产品可靠性预计的目的是为了产品可靠性预计的目的是为了落实产品定落实产品定量化的可靠性指标量化的可靠性指标，为使产品达到规定的，为使产品达到规定的可靠性要求，并为今后改进产品的可靠性可靠性要求，并为今后改进产品的可靠性提供理论的基础。提供理论的基础。12可整理ppt可靠性预计的目的可靠性预计的目的 1 1、定量地给出产品的可靠性预计指标；、定量地给出产品的可靠性预计指标；2 2、通过预计了解产品的各元器件之间的可、通过预计了解产品的各元器件之间的可 靠性关系，并为改进和提高产品的可靠靠性关系，并为改进和提高产品的可靠 性提供依据；性提供依据；3 3、找出产品中的薄弱环节，为改进产品可、找出产品中的薄弱环节，为改进产品可 靠性提供措施；靠性提供措施；4 4、通过可靠性预计与分配，节约开发费、通过可靠性预计与分配，节约开发费 用；用；13可整理ppt可靠性预计的可靠性预计的计数法计数法14可整理ppt表表12-1 12-1 半导体分立器件通用质量系数半导体分立器件通用质量系数15可整理ppt可靠性预计的可靠性预计的应力法应力法16可整理ppt基本失效率的数学模型基本失效率的数学模型17可整理ppt例例12.2：金属膜电阻，额定功率：金属膜电阻，额定功率0.25W，20k，质量，质量等级等级 ，环境温度，环境温度50C，耗散功率，耗散功率0.1W，18可整理ppt例例12.312.3：固体钽电解电容器，质量等级：固体钽电解电容器，质量等级 ，额定工作电压，额定工作电压40v(40v(直流直流)，额定电容量，额定电容量15 15 ，工作电压，工作电压16v(16v(直流直流)，环境，环境温度温度70C70C，电容与电源之间回路电阻，电容与电源之间回路电阻808019可整理ppt应用实例应用实例20可整理ppt正电源电路元器件清单正电源电路元器件清单 21可整理ppt22可整理ppt12.4 12.4 降额设计降额设计通过设计有目的地降低元器件工作时实际通过设计有目的地降低元器件工作时实际承受的应力，以降低元器件的工作失效率。承受的应力，以降低元器件的工作失效率。其设计的依据是：其设计的依据是：GJB/Z35-93GJB/Z35-93。降额的基本参数各个不同工程领域不完全降额的基本参数各个不同工程领域不完全相同，一般大家熟悉的有这样一些参数：相同，一般大家熟悉的有这样一些参数：电压，电流，功率，转矩，速度，湿度，电压，电流，功率，转矩，速度，湿度，温度等。温度等。23可整理ppt降降 额额 设设 计计24可整理ppt国产可控硅的降额因子国产可控硅的降额因子 25可整理ppt漂移失效漂移失效在可靠性的研究中，大多数失效是指突发性失效，在可靠性的研究中，大多数失效是指突发性失效，这种失效是偶然性的，服从某种随机的规律，但这种失效是偶然性的，服从某种随机的规律，但许多产品的失效除了突发性的以外还有随时间的许多产品的失效除了突发性的以外还有随时间的积累而产生的一种漂移性的参数改变。这种软故积累而产生的一种漂移性的参数改变。这种软故障到达一定的程度以后不能满足确定功能要求，障到达一定的程度以后不能满足确定功能要求，实际上也判为失效或故障，现在从失效的观点来实际上也判为失效或故障，现在从失效的观点来研究漂移失效。电路的漂移分析，或有时叫容差研究漂移失效。电路的漂移分析，或有时叫容差分析，主要是应用于关键电路。分析，主要是应用于关键电路。由于某个变量超过界限值而引起的失效就叫界限由于某个变量超过界限值而引起的失效就叫界限失效。如果这种界限，随时间慢慢的漂移最终超失效。如果这种界限，随时间慢慢的漂移最终超过界限值，这种场合称之为漂移失效，又称退化过界限值，这种场合称之为漂移失效，又称退化失效。失效。26可整理ppt12.5 12.5 漂移失效（漂移失效（marginal failuremarginal failure）的设计）的设计27可整理ppt灵敏度与方差系数灵敏度与方差系数 28可整理ppt例例12.4 12.4 一个一个LCLC调谐回路，其中的电感为调谐回路，其中的电感为5050微亨误差微亨误差10%10%，电容为，电容为3030微微微微法误差法误差5%5%，设频率漂移的最大允许值，设频率漂移的最大允许值200Hz200Hz，求原设计的电感和电容能否，求原设计的电感和电容能否满足上述频率漂移要求，如果不满足，应如何提高元器件的精度？满足上述频率漂移要求，如果不满足，应如何提高元器件的精度？29可整理ppt机械可靠性机械可靠性 机械部件的失败一般不完全遵守指数分布规律，从实验数机械部件的失败一般不完全遵守指数分布规律，从实验数据分析，有些机械部件的寿命采用威布尔分布形式，磨损据分析，有些机械部件的寿命采用威布尔分布形式，磨损失效是影响机械零件及设备可靠性的主要因素，例如由于失效是影响机械零件及设备可靠性的主要因素，例如由于润滑不好，配对材料质量欠佳，密封泄漏，高速或高温条润滑不好，配对材料质量欠佳，密封泄漏，高速或高温条件润滑情况恶化等原因，引起零件的磨损、擦伤和胶合等件润滑情况恶化等原因，引起零件的磨损、擦伤和胶合等不同的失效模式，尽管可靠性理论在机械部件中的研究近不同的失效模式，尽管可靠性理论在机械部件中的研究近十年来已有进展，但是不同的部件或者环境的作用影响很十年来已有进展，但是不同的部件或者环境的作用影响很大，磨损耗量随时间增长，其离散性越来越大，分布参数大，磨损耗量随时间增长，其离散性越来越大，分布参数也有较大的不确定性，因此机械部件的可靠性理论有待进也有较大的不确定性，因此机械部件的可靠性理论有待进一步深入研究。一种用于强度研究的概率论分析受到广泛一步深入研究。一种用于强度研究的概率论分析受到广泛的应用，由于模型中考虑到强度与应力分布之间的干涉关的应用，由于模型中考虑到强度与应力分布之间的干涉关系，所以这种理论又称干涉理论。系，所以这种理论又称干涉理论。30可整理ppt12.6 12.6 机械可靠性概率设计机械可靠性概率设计:干涉理论干涉理论31可整理ppt32可整理ppt33可整理ppt例例12.5 12.5 设计一拉杆，已知作用于杆的拉力载荷设计一拉杆，已知作用于杆的拉力载荷 kgf kgf，拉杆材料，拉杆材料为低合金钢，其强度极限为低合金钢，其强度极限 kgf/mm2 kgf/mm2，标准偏差，标准偏差kgf/mm2kgf/mm2，求可靠度为，求可靠度为0.9990.999时拉杆的截面半径。时拉杆的截面半径。34可整理ppt例例12.3由实验数据的统计知道，零件（浮动花键轴）在工作到小时由实验数据的统计知道，零件（浮动花键轴）在工作到小时 时，时，磨损量的平均值为磨损量的平均值为 微米，微米，微米，设计上允许零件的磨微米，设计上允许零件的磨损量为损量为 微米，试问达到工作时间微米，试问达到工作时间t的零件耐磨可靠度？的零件耐磨可靠度？35可整理ppt12.712.7可靠性试验可靠性试验 12.7.1 12.7.1 引言引言为了为了了解各种外界因素的影响量了解各种外界因素的影响量（应力）对产品可靠性和（应力）对产品可靠性和环境适应性的作用，需要进行可靠性试验环境适应性的作用，需要进行可靠性试验,可靠性试验是评可靠性试验是评价和分析产品可靠性的基本工作环节。价和分析产品可靠性的基本工作环节。通过可靠性试验可以确定电子产品在各种环境条件下工作通过可靠性试验可以确定电子产品在各种环境条件下工作或贮存时的可靠性特征量，为设计、生产、使用提供有用或贮存时的可靠性特征量，为设计、生产、使用提供有用的数据；也可以的数据；也可以充分暴露产品的设计、制造等方面所存在充分暴露产品的设计、制造等方面所存在的问题的问题。现场试验是最客观最有意义的试验现场试验是最客观最有意义的试验，但这不是一件容易的，但这不是一件容易的事，往往需要很长的试验时间，而且要有准确的现场可靠事，往往需要很长的试验时间，而且要有准确的现场可靠性使用数据报告，性使用数据报告，可靠性试验是生产高可靠性产品的可靠性试验是生产高可靠性产品的重要环节重要环节。36可整理ppt可靠性试验分类可靠性试验分类 可靠性试验的种类较多，按试验性质分，可靠性试验的种类较多，按试验性质分，有破坏性试验有破坏性试验和和非破坏性试验非破坏性试验，按可靠性试验目的分，有筛选试验、摸底按可靠性试验目的分，有筛选试验、摸底试验、鉴定试验，验证试验，批量保证试试验、鉴定试验，验证试验，批量保证试验和交收试验等；验和交收试验等；按可靠性试验项目可以分为：按可靠性试验项目可以分为：寿命试验寿命试验，使用条件试验使用条件试验，环境试验环境试验和和特殊试验特殊试验等。等。37可整理ppt38可整理ppt加速寿命试验加速寿命试验 39可整理ppt环境试验环境试验 环境大致可分为四大类：（1）工业环境：腐蚀性介质：如二氧化硫（），二氧化碳（），硫化氢（）气体，腐蚀性液体及腐蚀性粉尘等；高温与低温：如冶炼厂的高温、冷炼厂的低温；高气压与低气压：如氨（）管道的高气压，真空中的低气压固体性粉尘：如磨损性粉尘、导电性粉尘及可燃性粉尘等。（2）自然环境：自然环境分为气候环境、机械环境、生物环境、辐射环境及电环境等。（3）人为环境：人为环境有使用、维护、包装及贮存等。（4）特殊使用环境：40可整理ppt环境试验的种类环境试验的种类（1）现场使用试验现场使用试验（2）天然暴露试验天然暴露试验（3）人工模拟试验人工模拟试验人人工工模模拟拟试试验验是是一一种种在在短短期期内内观观察察产产品品所所能能承承受受的的应应力力有有多多大大的的试试验验。常常用用的的有有低低温温试试验验、高高温温试试验验、湿湿度度冲冲击击试试验验、湿湿度度循循环环试试验验、潮潮湿湿试试验验、盐盐雾雾试试验验、尘尘砂砂试试验验、振振动动试试验验、碰碰撞撞试试验验、冲冲击击试试验验、离离心心加加速速度度试试验验、爆爆炸炸试试验验、声声振振试试验验等等。我我国国四四机机部部对对电电子子元元器器件件的的基基本本环环境境技技术要求等级和试验方法都有标准。术要求等级和试验方法都有标准。41可整理ppt可靠性寿命试验可靠性寿命试验 产品的可靠性试验在规定的环境条件、工作条产品的可靠性试验在规定的环境条件、工作条件和维修保养条件下的件和维修保养条件下的寿命试验寿命试验。寿命试验是分析产品寿命特征和失效规律的试寿命试验是分析产品寿命特征和失效规律的试验。通过这种试验可以了解验。通过这种试验可以了解产品寿命统计规律产品寿命统计规律的特征量的特征量（如失效率、平均寿命等），以便作（如失效率、平均寿命等），以便作为可靠性预测、可靠性设计、制定筛选条件，为可靠性预测、可靠性设计、制定筛选条件，改进产品质量的依据。一般地说，可靠性试验改进产品质量的依据。一般地说，可靠性试验通常指寿命试验。通常指寿命试验。1）加速试验加速试验 2）长期寿命试验长期寿命试验42可整理ppt寿命试验方案寿命试验方案 四种试验方案四种试验方案序贯截尾试验序贯截尾试验 定时截尾试验定时截尾试验 定数截尾试验定数截尾试验 逐次结尾试验法逐次结尾试验法(适合现场试验适合现场试验)43可整理ppt电子产品的可靠性设计鉴定及验收电子产品的可靠性设计鉴定及验收（指数分布）（指数分布）可靠性鉴定和验收试验主要考核两个方面可靠性鉴定和验收试验主要考核两个方面 1.可靠性测定试验可靠性测定试验（Reliability determination test）为为确确定定产产品品的的可可靠靠性性特特征征量量的的数数值值（如如：MTBF、等等）而而进进行行的的试试验。如可靠性摸底试验等。验。如可靠性摸底试验等。2.可可靠靠性性合合格格试试验验（Reliability compliance test）为为确确定定产产品品可可靠靠性特征量是否符合所要求的水平进行的试验。它包括：性特征量是否符合所要求的水平进行的试验。它包括：（1）可可靠靠性性鉴鉴定定试试验验（Reliability compliance test）是是为为了了验验证证产产品的设计能否符合所要求的水平而进行的试验，品的设计能否符合所要求的水平而进行的试验，（2）这这类类试试验验是是在在连连续续生生产产过过程程中中进进行行的的一一系系列列定定期期性性试试验验，是是为为了确定产品能否在所要求的水平下都能陆续满足要求。了确定产品能否在所要求的水平下都能陆续满足要求。44可整理ppt试验设计中有关问题的确定试验设计中有关问题的确定 无无论论试试验验是是否否加加速速，有有无无替替换换，定定数数或或定定时时截截尾尾，在在安安排排试试验验时时，首首先先要要根根据据不不同同产产品品和和它它们们的的试试验验目目的的来来选选定定试试验验对对象象（性性质质）然然后后再再选选择择试试验验方方案案、环环境境应应力力条条件件、工工作作状状态态，最最后后确确定定故故障障判别条件。判别条件。1.统计试样方案的选择统计试样方案的选择2.测试周期的选择测试周期的选择 3.试验样品数量（抽验量）的确定试验样品数量（抽验量）的确定4.试验截止时间的确定试验截止时间的确定 45可整理ppt加速寿命试验加速寿命试验 46可整理ppt