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编号:

自动控制压力试验设备
可靠性、 维修性、 保障性、 测试性、 安全性、 环境适应性分析汇报

拟 制:

审 核:

批 准:

信阳星宇航天标准件制造有限企业
九月
1 概述
为确保产品质量符合要求, 达成用户满意, 依据《自动控制压力试验设备产品质量确保纲领》要求, 对该产品可靠性、 维修性、 保障性、 测试性、 安全性、 环境适应性进行分析。
2 可靠性分析
2.1 元器件清单
元件选型上截止阀、 减压阀、 安全阀等元件经过GJB150环境试验, 管道采取不锈钢管, 接头采取37°航天标准接头标准, 确保了气路可靠性; 测控系统元件选择汽车级或者军品级元件, 工作温度覆盖系统工作温度范围, 并经过筛选, 含有较高可靠性; 电池组选择军品电池。

2.2 可靠性估计
本器件所采取元器件有7类13种共57个。其中任一元器件失效, 都将造成整个器件失效, 即器件正常工作条件是各元器件都能正常工作。所以, 本器件可靠性模型是一个串联模型。
该器件是可修复产品, 寿命服从指数分布, 依据可靠性理论, 其平均故障间隔时间与失效率成反比, 即:
MTBF= 1/ （1）
所用元器件均是通用或固化产品, 其质量水平、 工作应力及环境条件都相对固定, 其失效率因子等相关可靠性参数可参考《GJB/Z299C-电子设备可靠性估计手册》, 从而采取应力分析法来估计本器件可靠性指标。
本器件通常内置于系统机箱内, 使用大环境是舰船甲板或舰船舱内, 其环境代号Ns2, 工作温度-40℃～+70℃, 现计算其可靠性指标。
2.2.1 PIN二极管工作失效率
本器件使用PIN二极管, 其工作失效率模型为
（2）
式中:
—— 基础失效率, 10-6/h;
—— 环境系数;
—— 质量系数;
—— 种类系数。
由表5.3.11-1查得基础失效率 =0.212×10-6/h;
由表5.3.11-2查得环境系数=14;
由表5.3.11-3查得质量系数=0.05;
由表5.3.11-4查得种类系数=0.5;
本器件中使用了18只PIN二极管, 故其工作失效率为:

2.2.2 片状电容器工作失效率
本器件选择片状电容器, 其工作失效率模型为:
（3）
—— 基础失效率, 10-6/h;
—— 环境系数;
—— 质量系数;
—— 电容量系数;
—— 种类系数;
—— 表面贴装系数。
由表5.7.2-2查得基础失效率=0.00637×10-6/h;
由表5.7.2-4查得环境系数=11.5;
由表5.7.2-5查得质量系数=1;
由表5.7.2-6查得电容量系数=0.75;
由表5.7.2-7查得种类系数=0.3;
由表5.7.2-1查得表面贴装系数=1.2;
本器件中共使用了片状电容器7只, 故其工作失效率为:

2.2.3 电感工作失效率
本器件选择片状电容器, 其工作失效率模型为:
（4）
—— 基础失效率, 10-6/h;
—— 环境系数;
—— 质量系数;
—— 种类系数;
—— 结构系数。
由表5.8.3-1查得基础失效率=0.0062×10-6/h;
由表5.8.3-2查得环境系数=17;
由表5.8.3-3查得质量系数=1;
由表5.8.3-4查得种类系数=1;
由表5.8.3-5查得结构系数=2;
本器件中共使用了电感7只, 故其工作失效率为:

2.2.4 集成电路工作失效率
半导体集成电路工作失效率模型为:
（5）
—— 质量系数;
—— 温度应力系数;
—— 电压应力系数;
—— 环境系数;
—— 成熟系数;
、 —— 电路复杂度失效率;
—— 封装复杂度失效率。
由表5.2.2-2查得环境系数=14;
由表5.2.2-3查得质量系数=0.08;
由表5.2.2-4查得成熟系数=1;
由表5.2.2-5查得温度应力系数=1.02;
由表5.2.2-14查得电压应力系数=1;
由表5.2.2-19查得电路复杂度失效率=0.4272×10-6/h、
=0.0406×10-6/h;
由表5.2.2-19查得封装复杂度失效率=0.1673×10-6/h。
本器件使用集成电路3只, 故其工作失效率为:
2.2.5 贴片电阻工作失效率
贴片电阻工作失效率模型为:
（6）
式中:
—— 基础失效率, 10-6/h;
—— 环境系数;
—— 质量系数;
—— 阻值系数。
由表5.5.3-1查得基础失效率=0.0031×10-6/h;
由表5.5.3-3查得环境系数=10;
由表5.5.3-4查得质量系数=1;
由表5.5.3-5查得阻值系数=1;
本器件使用贴片电阻9只, 故其工作失效率为:

2.2.6 射频连接器工作失效率
本组件选择射频连接器, 其工作失效率模型为
（7）
—— 基础失效率, 10-6/h;
—— 环境系数;
—— 质量系数;
—— 接触件系数;
—— 插拔系数;
—— 插孔结构系数;
由表5.11.1-1查得基础失效率=0.0303×10-6/h;
由表5.11.1-2查得环境系数=10;
由表5.11.1-3查得质量系数=1;
由表5.11.1-4查得接触件系数=1;
由表5.11.1-5查得插拔系数=1;
由表5.11.1-8查得插孔结构系数=0.3;
本器件使用接插件13只, 故其工作失效率为:

2.2.7 印制板工作失效率
印制板工作失效率模型为
（8）
、 —— 基础失效率, 10-6/h, 取值为0.00017×10-6/h, 取值为0.0011×10-6/h;
N —— 使用金属化孔数;
—— 环境系数;
—— 质量系数;
—— 复杂度系数;
由表5.13.1-1查得环境系数=13;
由表5.13.1-2查得质量系数=1.0;
由表5.13.1-3查得复杂度系数=1.0;
本器件使用印制板1块, 故其工作失效率为

2.2.8 焊接点工作失效率
焊接点工作失效率模型为:
（9）
—— 基础失效率, 10-6/h;
—— 环境系数;
—— 质量系数;
由表5.13.2-1查得基础失效率=0.000092×10-6/h;
由表5.13.2-2查得环境系数=10;
由表5.13.2-3查得质量系数=1.0;
本组件共有约100个焊接点,其工作失效率为:
=0.000092×10-6×10×1×100=0.092×10-6/h
2.2.9 开关总工作失效率
开关总失效率为:
=
=（1.3356+0.1154+1.4756+0.8031+0.279+1.1817+0.03861+0.092）×10-6
=5.321×10-6/h
故平均故障间隔时间为:
MTBF=1/ =187934 h
该开关MTBF指标要求为大于50000h, 所以, 理论分析表明开关平均故障间隔时间能够达成要求。
2.3 可靠性数据分析
依据前面计算得到多种元器件工作失效率和GJB299C列出失效率模式分布, 计算整理结果如表1所表示:
从工作失效率角度看, 可能产生故障关键元器件有以下多个:
PIN二极管, 工作失效率占总失效率25.1%;
绕线电感, 工作失效率占总失效率27.73%;
集成电路, 工作失效率占总失效率15.09%;

表1 可 靠 性 数 据 分 析 表
序 号
名 称
工 作
失 效 率
失效率
百分比
关键故障模式
故障模式频数比
1
PIN二极管
1.3356×10-6
25.1%
开路
50%
2
片式电容器
0.1154×10-6
2.17%
短路
74%
3
绕线电感
1.4756×10-6
27.73%
开路
80%
4
集成电路
0.8031×10-6
15.09%
无输出
23%
5
贴片电阻
0.279×10-6
5.24%
开路
91.9%
6
射频连接器
1.1817×10-6
22.2%
插损高
80%
7
印制板
0.03861×10-6
0.73%
孔化不良
60%
8
焊接点
0.092×10-6
1.73%
虚焊
60%
上面3种元件工作失效率之和占总失效率67.92%, 在元器件选择和装配时应尤其加以注意。
2.4 故障模式影响
故障模式影响是分析元器件关键故障对器件产生后果, 并将其进行严酷度分类。
严酷度类别是元器件故障造成最坏潜在后果表示。依据严酷度通常分类标准, 可把本器件严酷度分为三类。
Ⅱ类（致命）——这种故障会引发重在经济损失或造成任务失败。
Ⅲ类（临界）——这种故障会引发一定经济损失或造成任务降级。
Ⅳ类（轻度）——这种故障不会引发显著经济损失或系统任务完成, 但会造成非计划性维护和修理。
本组件故障模式影响分析如表2所表示。

序号
名 称
故 障
模 式
故 障
原 因
故 障 影 响
补 偿
措 施
严酷度类 别
1
PIN二极管
开路
金丝未键合
影响器件性能, 严重时功效丧失
补焊
Ⅱ类
2
片式电容器
短路
粘结不牢或过量
影响器件性能
重新粘接
Ⅲ类
3
绕线电感
开路
虚焊
不能提供直流偏置
补焊
Ⅱ类
4
集成电路
无输出
静电击穿
驱动器失效
更换器件
Ⅱ类
5
贴片电阻
开路
粘接不牢
功效受到影响
重新粘接
Ⅳ类
6
射频连接器
插损高
器件老化、 磨损
性能变差
更换器件
Ⅲ类
7
印制板
孔化不良
虚焊
性能变差或功效受影响
补焊
Ⅳ类
8
焊接点
虚焊
电压击穿
可靠性变差
更换器件
Ⅳ类
表2 故障模式及影响分析表
由上表可知, 从故障影响严酷度角度看, 属于Ⅱ类严酷度有3种元器件: PIN二极管、 电感和集成电路。属于Ⅲ类严酷度有2种元器件: 片式电容, 射频连接器。其它属于Ⅳ类。
2.5 结论和提议
由上面分析,能够得出以下结论:
1.本组件平均故障间隔时间能够达成指标大于50,000小时要求。影响本组件工作可靠性首要器件是绕线电感, 其次是PIN二极管和集成电路。现在选择电感都是自制绕线电感, 其焊接质量对组件可靠性影响最大, 所以要重视焊接过程和焊接人员培训。
2.从故障模式分布来看, 元器件开路故障概率极大, 所以在设计方案确定后, 应十分重视安装调试工艺, 以消除产品潜在故障。
3.因为电子产品故障率曲线是经典浴盆曲线, 所以在产品研制生产阶段, 对部件和组件都必需进行可靠性应力筛选试验, 用以发觉并消除产品早期故障, 使产品故障快速下降到较低偶然故障阶段, 从而确保产品可靠性。

3 保障性
本器件复杂度不高, 组成相对简单, 是整机配套一个零件, 使用要求和用途均由用户指定, 承制方只需要依据用户指定要求进行简化设计, 达成易于安装、 更换目即可。交付时应提供使用说明书。当用户要求时, 应按用户要求配合完成相关保障性工作。

4 维修性、 测试性
本器件复杂度不高, 对外接口较少, 与其它器件连接相对简单, 器件本身可恢复性维修工作不能在现场进行, 现场只能更换替换, 故障件需返厂后方可进行维修。所以, 该器件在维修性、 测试性方面不作过多分析, 设计时关键应考虑便于快速定位检测故障。
该器件对外接口为: 1个射频输入端口, 3个射频输出端口, 5个电源供电及控制端子。借助矢量网络分析仪、 数字万用表等仪表可方便完成测试和故障检测, 定位故障部位。确定故障后, 直接将故障件替换更换, 返厂维修。

5 安全性
本器件不含磁性介质, 无电磁干扰影响, 使用供电电压为安全电压, 器件内不含有毒有害物质, 不会对人体造成损害。

6 环境适应性
环境适应性是指装备在其寿命期估计可能碰到多种环境作用下能实现其全部预定功效、 性能和不被破坏能力, 是装备关键质量特征之一。本器件关键应用在舰载电子系统中, 系统安置于甲板或舱内。其可能存在环境条件有日照高温、 低温、 潮湿、 雨雪雾等, 现对其进行分析。
4.1 高温
电子系统处于日照状态下, 使各器件工作在相对较高温度区域内, 通常发烧器件工作时温度可达80～90℃, 对于开关, 自然条件下通常最高工作温度在60～70℃。高温对该器件作用关键表现在以下两个方面: 一是物理特征改变, 因为材料膨胀系数不一样, 高温下会产生变形, 造成一些配合关系改变, 另外, 部分非金属材料中易挥发物质挥发, 加速其老化和失效; 二是电器性能方面改变, 关键是部分半导体器件对温度敏感性, 使在高温时电性能发生改变。本器件通常安装于封闭机箱内, 保持器件与机箱良好导热可降低器件工作温度, 避免器件内部半导体元件受损、 老化, 延长其使用寿命。
4.2 低温
低温与高温对该器件影响机理相同, 同属温度环境影响。在严寒地域冬季, 极恶劣低温条件下约为-40～-20℃。温度变低, 关键影响半导体器件性能, 使插入损耗发生改变。对于该开关器件, 试验和既往经验表明, 温度在-40～70℃改变时, 对关键指标插入损耗影响并不很大。所以, 低温下关键是器件老化影响。
4.3 潮湿
空气中湿度过高, 会再固体表面附着一层肉眼看不到水膜, 水膜与空气中酸性气体（如CO2、 SO2、 NO2等）作用而含有弱酸性。这种水膜使金属零件表面锈蚀, 元器件焊点被腐蚀, 从而产生断路或电子产品性能下降; 另外, 水膜还会使陶瓷、 玻璃等绝缘电阻下降等。当湿度由低到高改变猛烈时, 诸如绝缘陶瓷、 玻璃等致密性材料因吸湿性很小而吸湿速度慢, 湿气在表面凝聚成水珠, 形成凝露现象, 使表面电阻下降100～1000倍。本开关器件置于封闭机箱内, 可有效降低潮湿带来危害影响, 加上器件本身采取相关密闭方法, 使得其能在潮湿环境下良好工作。
4.４ 盐雾
舰载电子系统通常都工作与海面环境下, 而盐作为最普遍化合物之一, 肯定对舰载电子系统产生影响。在盐雾环境下, 盐雾液体是作为电解液存在, 它加速电化学腐蚀过程, 使金属或涂层腐蚀生锈、 起泡, 从而产生构件、 紧固件腐蚀破坏, 机械器件、 组件活动部位阻塞或黏结, 对印刷线路板开路或短路, 元件管腿断裂。另外, 盐溶液导电性大大降低了绝缘体表面电阻和体积电阻, 影响产品电性能。对该器件进行相关表面钝化处理可提升其防盐雾能力。
4.5 振动和冲击
本器件置于舰船上, 肯定会碰到猛烈振动和冲击作用。这种振动是, 其振幅和不一样频率相对时间改变。冲击是很短时间内猛烈振动, 如舰船上炮弹发射时就会产生很强冲击。振动和冲击都会对电子元器件产生影响, 致使电子电气及机械装置发生故障, 对运动和静止结构产生机械或结构损坏。在这种环境中, 应考虑必需地减振方法。本器件安装在整机系统中, 通常, 整机系统都有减振装置以缓冲猛烈振动带来危害影响。
经过以上分析表明: 开关器件在实际环境中能够满足相关环境要求、 可靠地工作。