可靠性設(shè)計技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

時間：2020-12-16 22:32:47

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[導(dǎo)讀]可靠性設(shè)計是根據(jù)可靠性要求進行優(yōu)化設(shè)計的一個過程，其核心是可靠性分析與可靠性評估，通過產(chǎn)品可靠性要求的轉(zhuǎn)換可獲取產(chǎn)品可靠性設(shè)計指標(biāo)，可靠性設(shè)計的目的是提高產(chǎn)品的固有可靠性，而制造質(zhì)量控制只能使產(chǎn)品可靠性盡可能接近固有可靠性。

一、可靠性設(shè)計基本概念

可靠性設(shè)計是根據(jù)可靠性要求進行優(yōu)化設(shè)計的一個過程，其核心是可靠性分析與可靠性評估，通過產(chǎn)品可靠性要求的轉(zhuǎn)換可獲取產(chǎn)品可靠性設(shè)計指標(biāo)，可靠性設(shè)計的目的是提高產(chǎn)品的固有可靠性，而制造質(zhì)量控制只能使產(chǎn)品可靠性盡可能接近固有可靠性。

1．可靠性設(shè)計的定義

可靠性設(shè)計，是指在產(chǎn)品設(shè)計過程中，為滿足產(chǎn)品可靠性要求，將產(chǎn)品性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)進行綜合分析與設(shè)計的過程，目的是通過可靠性分析與可靠性評估，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、工藝、使用條件等方面不斷優(yōu)化可靠性設(shè)計方案，消除潛在故障模式，使設(shè)計的產(chǎn)品滿足預(yù)期性能要求和可靠性要求。

產(chǎn)品可靠性要求，包括定量和定性指標(biāo)要求，它們是產(chǎn)品可靠性設(shè)計的依據(jù)。其中，系統(tǒng)裝備級的可靠性定量指標(biāo)要求（基本可靠性）有平均失效間隔時間（MTBF）、平均故障間隔飛行時間（MFHBF）、可靠壽命（tr）等；元器件級的可靠性定量指標(biāo)要求有：失效率（λ）、耗損壽命（twear）、貯存壽命（tstorage）。系統(tǒng)裝備級的定性可靠性指標(biāo)要求有不允許發(fā)生致命故障、滿足制定的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則；元器件級的可靠性定性指標(biāo)要求有滿足質(zhì)量保證等級、必須消除和控制主要失效模式。

將產(chǎn)品可靠性要求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品可靠性設(shè)計要求，核心是將裝備可靠性指標(biāo)分配給各單元和元器件，將元器件可靠性指標(biāo)分解為元器件內(nèi)部各物理結(jié)構(gòu)的失效控制要求，使之成為在設(shè)計層面支撐可靠性分析與評估的具有可操作性的設(shè)計指標(biāo)，讓產(chǎn)品設(shè)計師有針對性、有目標(biāo)地開展可靠性定性和定量設(shè)計。

一旦產(chǎn)品完成了可靠性設(shè)計，也就確定了所設(shè)計產(chǎn)品的固有可靠性，后續(xù)制造產(chǎn)品所進行的工作，如：制造加工、裝配、封裝等，由于受工藝參數(shù)的離散性限至，也只能使產(chǎn)品的可靠性盡可能地接近固有可靠性，而不能期望其超越固有可靠性。

2．可靠性設(shè)計基本要求

1）可靠性設(shè)計指標(biāo)

產(chǎn)品可靠性設(shè)計的首要任務(wù)是確定可靠性設(shè)計指標(biāo)，即將產(chǎn)品可靠性要求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品可靠性設(shè)計要求，可以通過可靠性指標(biāo)分配或可靠性指標(biāo)分解，獲得產(chǎn)品的可靠性設(shè)計指標(biāo)要求。

系統(tǒng)裝備級的可靠性設(shè)計指標(biāo)，由產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分配獲得，即通過指標(biāo)分配將整個系統(tǒng)的可靠性要求轉(zhuǎn)換為每個分系統(tǒng)、每個單元、每個元器件的可靠性要求。例如，航空電子設(shè)備的可靠性設(shè)計要求有三項：表征連續(xù)或間斷工作××小時的工作壽命，表征工作壽命至少應(yīng)當(dāng)有××小時的總工作壽命，表征可靠性的平均失效間隔時間（MTBF）。其中，MTBF指標(biāo)的分配，以f（R1，R1，…，Rn）≥R為原則，對系統(tǒng)可靠性進行分配，獲得n個分系統(tǒng)的可靠性設(shè)計指標(biāo)要求；再對分系統(tǒng)的可靠性進行分配，獲得單元、元器件的可靠度設(shè)計指標(biāo)要求，并可通過計數(shù)法進行初步可靠性預(yù)計，優(yōu)化調(diào)整各單元、各元器件的可靠性指標(biāo)。

電子元器件的可靠性設(shè)計指標(biāo)，由產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分解獲得，即通過指標(biāo)分解將元器件的可靠性要求轉(zhuǎn)換為內(nèi)部各物理結(jié)構(gòu)的退化機理和失效模式的控制要求。例如，半導(dǎo)體晶體管的“耗損壽命”指標(biāo)，可分解為微電子芯片TDDB、Al_EM退化機理與Au-Al絲鍵合界面退化機理等多個退化機理的失效時間控制指標(biāo)，產(chǎn)品最終耗損壽命取決于多機理競爭失效時間；再如，混合集成電路（HIC）的熱性能控制指標(biāo)“所用元器件工作溫度不應(yīng)超出規(guī)定的溫度上限”，可具體分解為內(nèi)裝硅器件極限溫度不超過175℃、長期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級降額溫度，阻容元件極限溫度不超過125℃、長期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級降額溫度，感性元件極限溫度不超過200℃、長期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級降額溫度。

通常，電子元器件產(chǎn)品的可靠性要求，用失效率λ和壽命t以及環(huán)境適應(yīng)性來表征，將其可靠性設(shè)計指標(biāo)要求分解并轉(zhuǎn)換為元器件可靠性設(shè)計指標(biāo)?？蓞⒄账膫€方面的設(shè)計考慮進行可靠性指標(biāo)分解：

● 元器件的主要性能參數(shù)在規(guī)定條件下隨時間的穩(wěn)定程度（參數(shù)退化模型分析）；

● 元器件所能適應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力范圍（溫度、機械、潮濕、鹽霧、輻照、低氣壓等環(huán)境）；

● 元器件壽命、失效率或質(zhì)量等級（耗損壽命、隨機失效率、質(zhì)量保證等級）；

● 必須消除或控制的主要失效模式（過應(yīng)力失效、退化性失效）。

2）可靠性設(shè)計基本內(nèi)容

產(chǎn)品可靠性設(shè)計的基本內(nèi)容包括四個方面[74]：性能可靠性設(shè)計、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計、工藝可靠性設(shè)計和可靠性評價試驗設(shè)計。涵蓋了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、工藝的可靠性設(shè)計，以及考核產(chǎn)品可靠性滿足質(zhì)量要求的篩選與評價試驗設(shè)計。

性能可靠性設(shè)計：針對產(chǎn)品性能參數(shù)在規(guī)定環(huán)境應(yīng)力范圍隨時間變化的穩(wěn)定性要求，所開展的可靠性設(shè)計內(nèi)容。可以通過降低復(fù)雜度、功耗，考慮性能容錯、裕度、散熱、冗余等措施，實施性能可靠性設(shè)計。

結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計：針對產(chǎn)品各部分連接、組裝及整體結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求，所開展的結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)選設(shè)計?？梢酝ㄟ^仿真模擬和電、熱、機械等物理性能測試驗證手段，實施結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計。

工藝可靠性設(shè)計：針對產(chǎn)品在制造過程中工藝參數(shù)的波動性和產(chǎn)品性能參數(shù)的離散性控制要求，所開展的工藝質(zhì)量穩(wěn)定性設(shè)計?？梢酝ㄟ^健壯設(shè)計分析，量化控制關(guān)鍵工藝點的控制參數(shù)和范圍，實施工藝可靠性設(shè)計，有效減少工藝參數(shù)偏差對產(chǎn)品性能參數(shù)穩(wěn)定性的影響。

可靠性評價試驗設(shè)計：針對產(chǎn)品設(shè)計鑒定的可靠性評價要求，設(shè)計評價試驗方案，包括對試驗應(yīng)力、失效判據(jù)、樣品數(shù)量、試驗時間及測量周期的設(shè)計等。結(jié)合產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)、工藝的特點和可靠性要求，實施可靠性評價試驗設(shè)計。

3）裝備可靠性設(shè)計與分析

產(chǎn)品可靠性設(shè)計強調(diào)的是設(shè)計過程中的可靠性分析和可靠性評估，通過全面的可靠性分析和可靠性評估，確定所設(shè)計的產(chǎn)品是否滿足可靠性設(shè)計指標(biāo)要求，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并優(yōu)化設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)GJB 450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》，工作項目300系列，針對裝備產(chǎn)品給出了可靠性設(shè)計與分析的13個工作項目：

● 建立可靠性模型：用于定量分配、預(yù)計和評價產(chǎn)品的可靠性；

● 可靠性分配：將產(chǎn)品的可靠性定量要求分配到規(guī)定的產(chǎn)品層次；

● 可靠性預(yù)計：預(yù)計產(chǎn)品的基本可靠性和任務(wù)可靠性，評價設(shè)計方案是否滿足可靠性要求；

● 失效模式、影響及危害性分析（FMECA）：找出潛在的薄弱元器件和零部件；

● 故障樹分析（FTA）：尋找導(dǎo)致裝備發(fā)生某種故障事件的所有可能的潛在原因事件；

● 潛在分析：針對電路的潛在通路分析（SCA），針對液/氣管路的潛在通路分析；

● 電路容差分析（CTA）：分析電路組成部分在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的參數(shù)偏差對電路性能容錯的影響；

● 制定可靠性設(shè)計準(zhǔn)則：根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求，制定專用的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則并實施；

● 元器件、零部件和原材料選擇與控制：根據(jù)產(chǎn)品特點，制定選擇與控制要求；

● 確定可靠性關(guān)鍵產(chǎn)品：基于FMECA、FTA方法，確定和控制對裝備可靠性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵元器件等；

● 確定功能測試、包裝、儲存、裝卸、運輸和維修對產(chǎn)品可靠性的影響：通過測試與分析，評估功能測試對產(chǎn)品可靠性的影響及影響程度、儲存時間及儲存條件變化等給產(chǎn)品可靠性帶來的影響；

● 有限元分析（FEA）：當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計基本確定時，采用FEA方法進行機械強度、熱特性分析，發(fā)現(xiàn)問題；

● 耐久性分析：通過評價產(chǎn)品載荷應(yīng)力、失效機理，對關(guān)鍵或“短板壽命”零部件進行耗損壽命分析，確定耗損故障根本原因并采取糾正措施。

4）電子元器件可靠性設(shè)計與分析

為使設(shè)計的元器件滿足規(guī)定的可靠性指標(biāo)要求，需要根據(jù)電子元器件性能和結(jié)構(gòu)特點，從以下六個方面考慮可靠性設(shè)計與分析工作。

（1）耐環(huán)境設(shè)計與分析。電子元器件在整機裝備的工作過程中，可能遇到溫度、機械、潮濕、電磁場、鹽霧、輻照、低氣壓等不同類型的環(huán)境應(yīng)力或多種環(huán)境應(yīng)力耦合的作用。不同的環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致不同的失效問題，如：高溫、溫變應(yīng)力及其應(yīng)力耦合，導(dǎo)致焊點或焊接界面IMC生長、焊料蠕變疲勞退化，而機械沖擊可能導(dǎo)致金屬氣密封裝蓋板塌陷。設(shè)計時應(yīng)預(yù)先了解所設(shè)計元器件在整機中可能遇到的環(huán)境應(yīng)力類型，分析元器件在整機條件下對環(huán)境應(yīng)力的響應(yīng)水平，并建立應(yīng)力響應(yīng)模型（熱阻模型、諧響應(yīng)模型等），分析其對元器件性能、可靠性的影響程度，按最壞情況采取設(shè)計對策，使元器件耐環(huán)境應(yīng)力強度（破壞閾值）大于最壞情況下的應(yīng)力響應(yīng)水平。

（2）穩(wěn)定性設(shè)計與分析。分析同類元器件產(chǎn)品性能參數(shù)在規(guī)定條件下隨時間變化的規(guī)律，針對元器件性能參數(shù)產(chǎn)生蠕變、漂移、突變、瞬時變化或間歇變化的根本原因，采取相應(yīng)的設(shè)計措施，使元器件性能參數(shù)穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。

（3）熱設(shè)計與分析。分析溫度變化對所設(shè)計元器件可靠性的影響，以及元器件工作時導(dǎo)致溫升的熱量來源，包括環(huán)境溫度變化、自身功耗熱量和內(nèi)部多熱源熱耦合導(dǎo)致的溫升，針對導(dǎo)致元器件溫升的根本原因，通過降低功耗、熱補償?shù)却胧?，選用合適的、耐熱的且熱穩(wěn)定性好的封裝材料，利用熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射技術(shù)增強散熱能力，使額定工作狀態(tài)下的元件熱點溫度、器件結(jié)溫不超過允許的溫度上限。

（4）長壽命設(shè)計與分析。分析影響元器件耗損壽命的退化機理，如：半導(dǎo)體器件的TDDB、EM等，液體鉭電解電容器的電解液蒸發(fā)，金屬封裝外殼腐蝕，焊點疲勞等，要采取延緩?fù)嘶⒀娱L耗損失效時間的設(shè)計措施，使元器件退化機理的失效時間大于規(guī)定的耗損壽命要求。

（5）失效模式分析與控制。收集同類元器件的失效模式，分析其失效機理，根據(jù)失效頻次排出失效模式主次順序?？梢詰?yīng)用元器件FEMA及FTA方法，分析主要失效模式的失效機理，確定失效機理過程的長期作用應(yīng)力或短時間隨機過應(yīng)力及其來源，從產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、試驗設(shè)計三個層面分析發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致失效的原因，提出針對性的糾正措施并驗證，使主要失效模式得到有效控制。

（6）裕度設(shè)計與分析。對元器件的工作電應(yīng)力容限與安全工作區(qū)進行設(shè)計分析，使元器件的電流、電壓、功耗所限定的安全工作區(qū)邊界大于實際工作區(qū)，并根據(jù)元器件質(zhì)量水平、工作狀態(tài)和可靠性要求，對額定功率的設(shè)計留有適當(dāng)?shù)脑６?。結(jié)合耐環(huán)境設(shè)計與分析獲得的應(yīng)力響應(yīng)模型，根據(jù)元器件的熱性能、機械性能等物理性能要求，使元器件的最大額定結(jié)溫、熱點溫度大于實際工作結(jié)溫、熱點溫度，使元器件的機械強度大于實際應(yīng)力載荷。根據(jù)可靠性要求和環(huán)境適應(yīng)性要求，計算合適的溫度裕度和機械裕度。

3．可靠性設(shè)計與浴盆曲線

大多數(shù)電子產(chǎn)品（電子設(shè)備或批量電子元器件）在使用中的失效率服從浴盆曲線特征。電子產(chǎn)品失效率浴盆曲線如圖1所示（實際上隨機失效階段遠大于早期失效階段或耗損失效階段）。產(chǎn)品可靠性設(shè)計的目的，是要解決兩方面問題：提高固有可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

提高固有可靠性包括兩個方面：一是降低或控制隨機失效階段的失效率λ，即降低或控制浴盆曲線盆底的高度；二是延長或控制耗損壽命t，即延長或控制浴盆曲線盆底的長度（t=t2-t1）。提高環(huán)境適應(yīng)性包括：提高產(chǎn)品耐受溫度、機械、潮濕、電磁場、鹽霧、輻照、低氣壓等環(huán)境應(yīng)力的能力或強度，即增加或控制產(chǎn)品適應(yīng)載荷應(yīng)力的設(shè)計裕度。

為保證設(shè)計產(chǎn)品的固有可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計時在產(chǎn)品工作應(yīng)力與耐受極限之間要有足夠的裕度，如半導(dǎo)體器件工作結(jié)溫與最高允許結(jié)溫之間的溫度裕度、混合集成電路（HIC）一階模態(tài)頻率與振動考核頻率極限2000Hz之間的機械裕度等。例如，HIC技術(shù)規(guī)范給出的工作殼溫范圍：-55～+125℃，內(nèi)裝器件最高允許結(jié)溫為+175℃，Ⅲ級降額要求為+145℃，預(yù)期HIC長期工作殼溫為+70℃，若內(nèi)裝器件在殼溫為+125℃時的工作結(jié)溫為155℃，則器件最高工作結(jié)溫與最高允許結(jié)溫之間的溫度裕度為20℃；若內(nèi)裝器件在殼溫+70℃時的工作結(jié)溫為100℃，則器件長期工作結(jié)溫與最高允許結(jié)溫之間的溫度裕度為75℃，有效降低了器件過熱失效風(fēng)險和隨機失效率。

圖1 電子產(chǎn)品失效率浴盆曲線

4．可靠性設(shè)計與全壽命周期

產(chǎn)品全壽命周期的可靠性有四個明顯的特征。設(shè)計階段，通過可靠性設(shè)計賦予所設(shè)計產(chǎn)品一個固有可靠性（R0）；制造階段，形成產(chǎn)品可靠性（R1），通過工藝質(zhì)量控制使R1盡可能接近R0；篩選階段，通過剔除缺陷產(chǎn)品提升批產(chǎn)品可靠性（R2）與質(zhì)量水平，篩選過程降低了質(zhì)量問題（缺陷）對失效率的貢獻，但不能提高產(chǎn)品耗損壽命，使R2更接近于R0；使用階段，在長期應(yīng)力載荷和工作狀態(tài)下，產(chǎn)品使用可靠性是會隨時間下降的。電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計在全壽命周期的定位如圖2所示。

圖2 電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計在全壽命周期的定位

產(chǎn)品使用階段質(zhì)量問題的歸零分析，涉及產(chǎn)品可靠性設(shè)計、產(chǎn)品制造質(zhì)量控制、產(chǎn)品篩選應(yīng)力選擇和產(chǎn)品使用條件保證。若退化性問題或耗損壽命失效問題突出，則通過優(yōu)化可靠性設(shè)計解決；若質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的隨機性失效問題突出，則通過強化工藝質(zhì)量穩(wěn)定性控制解決；若早期失效問題突出，則通過提高篩選應(yīng)力和增加篩選項目解決；若明顯的異常過應(yīng)力失效問題突出，則通過使用條件保證、抑制異常沖擊來解決。

研究表明，雖然通過提高篩選應(yīng)力和增加篩選項目，能夠有效降低電子元器件的失效率水平，例如，JAN軍級與JANS宇航級半導(dǎo)體器件的基本失效率相差兩個數(shù)量級，這是由于后者采取100%篩選并增加額外篩選項目，但需要注意的是篩選只能降低器件質(zhì)量缺陷因素對失效率的貢獻，而不能降低器件耗損問題和環(huán)境應(yīng)力因素對失效率的貢獻，見圖1，耗損問題對失效率和壽命的影響，只能通過可靠性設(shè)計解決。

二、可靠性設(shè)計技術(shù)發(fā)展進程

可靠性設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，是從軍方作戰(zhàn)成功率的需求開始的，圍繞裝備故障的消除和維修成本的控制，從設(shè)計經(jīng)驗到設(shè)計方法，再上升為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計要求，即：經(jīng)驗→方法→標(biāo)準(zhǔn)，從而形成標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性設(shè)計與分析工作項目，指導(dǎo)人們在產(chǎn)品設(shè)計過程中通過可靠性設(shè)計與分析，挖掘和明確產(chǎn)品潛在的隱患和薄弱環(huán)節(jié)，系統(tǒng)性和有針對性地進行可靠性設(shè)計。

1．可靠性設(shè)計需求與發(fā)展

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計，起源于軍用電子裝備故障控制與高昂維修費用控制的需求，隨著裝備復(fù)雜程度的增加而不斷發(fā)展和系統(tǒng)化。

1）可靠性設(shè)計的需求

20世紀(jì)40年代至80年代，美軍航空電子設(shè)備的技術(shù)性能及復(fù)雜程度發(fā)展迅速，在研發(fā)費用和維修費用不斷攀升的同時，軍方越來越迫切地意識到故障控制與優(yōu)化設(shè)計的重要性和必要性。50年代，美軍戰(zhàn)斗機電子設(shè)備費用占飛機總費用的10%～20%；60年代至70年代，占比提高到20%～30%；此后，新一代航空電子設(shè)備費用以每年18%的速度增長，這個速度比新一代飛機費用的增長速度更快。實際上，從20世紀(jì)40年代至80年代，美軍新一代武器系統(tǒng)的費用平均每10年增加4倍，而配套電子設(shè)備子系統(tǒng)的費用平均每10年增加9倍。同時，在20世紀(jì)60年代至70年代，每年美軍電子設(shè)備的保障維修費用占軍用電子設(shè)備采購費用的1/3以上。

在這期間，盡管發(fā)現(xiàn)各種元器件的可靠性以每年15%～20%的速度在提高，而復(fù)雜裝備電子系統(tǒng)的現(xiàn)場可靠性卻幾乎保持不變；同時發(fā)現(xiàn)隨著設(shè)備系統(tǒng)費用的提高，現(xiàn)場可靠性呈下降趨勢，如20世紀(jì)70年代，美國陸軍通信系統(tǒng)MTBF=10^7/費用（美元）。存在上述問題，原因主要有三個方面。

（1）雖然電子元器件的可靠性已有很大的提高（如微電子器件），但電子設(shè)備復(fù)雜程度提高的速度更快，設(shè)備有了更多的功能和更高的性能，數(shù)量越來越多的元器件使電子設(shè)備基本可靠性下降，以至于將元器件可靠性增長的部分抵消了。

（2）設(shè)備系統(tǒng)中元器件數(shù)量的激增，凸顯元器件選用不當(dāng)或承受過應(yīng)力的可靠性問題，如溫度裕度不足，使元器件固有可靠性的基本失效率增大并使耗損壽命縮短。

（3）新型元器件的研發(fā)和采用，快速提升了設(shè)備性能和功能，但新材料、新工藝導(dǎo)致的失效問題，需要有一個解決過程。

因此，由于電子設(shè)備復(fù)雜性不斷提高、元器件選用不當(dāng)和承受過應(yīng)力，導(dǎo)致設(shè)備基本可靠性下降，維修成本飆升，迫使人們在設(shè)備研發(fā)過程中重視可靠性設(shè)計，并在設(shè)備最優(yōu)性能與可靠性之間進行權(quán)衡。

2）可靠性設(shè)計技術(shù)的發(fā)展

從裝備可靠性工程和相關(guān)可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，可以看出可靠性設(shè)計技術(shù)方法在工程應(yīng)用中得到不斷進步和發(fā)展。

國外可靠性工程技術(shù)及可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展進程如下。

（1）1939年，美國航空委員會，出版《適航性統(tǒng)計學(xué)注釋》，首次提出飛機故障率不應(yīng)超過10^-5次/h的指標(biāo)，是最早的飛機安全性和可靠性定量指標(biāo)。

（2）二戰(zhàn)期間，德國專家R.Lusser參與V-1火箭設(shè)計，將火箭系統(tǒng)可靠度看成各子系統(tǒng)的可靠度乘積，首次定量計算復(fù)雜系統(tǒng)可靠性問題，最早將概率論用于系統(tǒng)的可靠性設(shè)計。

（3）1942—1946年，美國電子管研究委員會，針對電子管失效問題，組織進行產(chǎn)品失效分析，設(shè)計改進新材料和新工藝。

（4）1952年，美國國防部（DoD），成立“電子設(shè)備可靠性咨詢委員會”（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment, AGREE），制訂可靠性發(fā)展計劃，并在1957年發(fā)表了著名的《電子設(shè)備可靠性報告》，提出了一套完整的產(chǎn)品可靠性評估理論和方法。

（5）1962年，美國國防部，頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217《電子設(shè)備可靠性預(yù)計》，1995年將217F修訂后不再升級，1999年由美國國防部可靠性分析中心（RAC，現(xiàn)更名為RIAC）發(fā)布了配套PRISM軟件工具的217PlusTM，用于可靠性設(shè)計方案優(yōu)選。

（6）1965年，美國國防部，頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-785《系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性大綱要求》，1980年修訂為MIL-STD-785B，為系統(tǒng)和設(shè)備在研制、生產(chǎn)期間的可靠性工作提出一般性要求和指定工作項目。

（7）1978年，美國國防部，頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-251《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊》，為軍用電子設(shè)備熱設(shè)計、熱可靠性分析與鑒定提供了方法和基本理論。

（8）1984年，美國國防部，頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-338《電子設(shè)備可靠性設(shè)計手冊》，1998年修訂為MIL-HDBK-338B[91]，為軍用系統(tǒng)和設(shè)備在研制與生產(chǎn)階段的可靠性設(shè)計與評價提出了通用要求和工作項目。

（9）1992年，國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會（IPC），頒布了IPC-SM-785《表面貼裝焊接連接加速可靠性測試指南》，給出了表面焊點熱疲勞退化壽命評估經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?996年，頒布了IPC-D-279《可靠的外部貼裝技術(shù)印制電路板組件設(shè)計指南》[93]，提供了板級組件標(biāo)貼組裝的可靠性設(shè)計方法和程序；2013年，修訂發(fā)布IPC-7095C《BGA設(shè)計及組裝工藝的實施》，給出了BGA可靠性設(shè)計的程序。

（10）1998年，電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE），頒布標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1413《電子系統(tǒng)和設(shè)備可靠性預(yù)計和評估IEEE標(biāo)準(zhǔn)方法》，給可靠性預(yù)測提供了一個框架；2002年頒布標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1413.1TM《基于IEEE 1413TM的可靠性預(yù)計和使用導(dǎo)則》，提出了基于應(yīng)力損傷模型的可靠性評估方法，為電子元器件、組件、子系統(tǒng)的可靠性預(yù)計提供了全面可操作的方法。

（11）1998年，DoD方取消了MIL-STD-785B，參考應(yīng)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SAE JA1000（1998）《可靠性大綱標(biāo)準(zhǔn)》[85]和IEEE 1332—1998《電子系統(tǒng)和設(shè)備開發(fā)與生產(chǎn)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)可靠性大綱》[86]。

（12）2004年，固體技術(shù)協(xié)會（JEDEC），頒布標(biāo)準(zhǔn)JEP148《基于失效物理的風(fēng)險和能力評估的半導(dǎo)體器件可靠性鑒定》，2014年修訂為JEP148B，提出了基于失效物理（PoF）的可靠性鑒定。

（13）2005—2008年，DoD基于SAE JA1000和IEEE1332的目標(biāo)，出版了《實現(xiàn)可靠性、可用性和維修性（RAM）指南》；該指南沒有明確為實現(xiàn)每個目標(biāo)應(yīng)開展的可靠性活動，因此DoD與工業(yè)界合作，制定了標(biāo)準(zhǔn)GEIA-STD-0009（2008）《系統(tǒng)設(shè)計、研制和制造可靠性大綱標(biāo)準(zhǔn)》[84]，該標(biāo)準(zhǔn)圍繞載荷應(yīng)力、失效機理、失效模式，將可靠性設(shè)計工作系統(tǒng)化，為可靠性方案規(guī)劃提供實踐的標(biāo)準(zhǔn)。

（14）2008—2016年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ANSI）/國際貿(mào)易協(xié)會組織（VITA），頒布了ANSI/VITA51系列標(biāo)準(zhǔn)，包括：ANSI/VITA51.0—2008（R2012）《可靠性預(yù)計》[94]、ANSI/VITA51.1—2008（R2013）《用于MIL-HDBK-217可靠性預(yù)計的子規(guī)范》[95]、ANSI/VITA51.2—2016《基于失效物理的可靠性預(yù)計》、ANSI/VITA51.3—2010（R2016）《支持可靠性預(yù)計的鑒定條件和環(huán)境應(yīng)力篩選》，提供了板級、封裝級、元器件級失效物理（PoF）方法的標(biāo)準(zhǔn)流程，有效支撐了電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計和評估。

國內(nèi)可靠性工程技術(shù)及可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展進程如下。

（1）1955年，中國在廣州成立亞熱帶電信器材試驗站（工業(yè)和信息化部電子第五研究所的前身），與蘇聯(lián)專家共同研究裝備在熱帶環(huán)境條件下的適應(yīng)性。

（2）1960年，中國引進可靠性理念和技術(shù)，在電子行業(yè)、宇航領(lǐng)域初步應(yīng)用。

（3）1970年，發(fā)展“七?！保▽Ｈ恕C、專料、專批、專檢、專技、專線）質(zhì)量控制技術(shù)，生產(chǎn)“七專”元器件產(chǎn)品，為了保證軍用元器件質(zhì)量，在20世紀(jì)70年代末和80年代初制訂了軍用元器件“七?！奔夹g(shù)條件，但“七?！碑a(chǎn)品成本高、批量小。

（4）1980年，頒布GJB/Z 299《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》，使我國電子設(shè)備可靠性工作由定性研究轉(zhuǎn)入定量研究。

（5）1990年，頒布GJB 813—90《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計》，提供了建立電子設(shè)備和系統(tǒng)的基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型并進行可靠性預(yù)計的程序方法。

（6）1992年，頒布GJB/Z 27—1922《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊》（MIL251翻譯裁減）；提供電子設(shè)備熱設(shè)計、熱可靠性分析與鑒定的方法。

（7）1993年，頒布GJB/Z 35—1993《元器件降額準(zhǔn)則》，規(guī)定了元器件在不同應(yīng)用情況下應(yīng)降額參數(shù)及其量值。

（8）1994年，頒布SJ 20454—1994《電子設(shè)備可靠性設(shè)計方法指南》（MIL338翻譯裁減），提供電子設(shè)備在研制與生產(chǎn)階段的可靠性設(shè)計與評價、試驗、費用分析的通用要求。

（9）1998年，頒布GJB/Z 108—1998《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計手冊》；2006年，修訂發(fā)布GJB/Z 108A版。

（10）2004年，修訂頒布GJB 450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》，規(guī)定了裝備壽命周期內(nèi)開展可靠性工作的一般要求和工作項目，提出了“可靠性設(shè)計與分析”（工作項目300系列）。

（11）2009年，修訂頒布GJB 1909A《裝備可靠性維修性保障性要求論證》，規(guī)定了裝備可靠性維修性保障性（RMS）要求和內(nèi)容以及需要確定的原則、程序和方法。

2．可靠性設(shè)計技術(shù)體系及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1）可靠性設(shè)計技術(shù)體系

根據(jù)GJB 1909關(guān)于裝備可靠性的定性要求和定量要求，以及GJB 450、GJB 20454關(guān)于裝備和電子設(shè)備可靠性設(shè)計工作項目的要求，歸納總結(jié)電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計技術(shù)體系框圖如圖3所示。

圖3 電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計技術(shù)體系框圖

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計技術(shù)體系，由可靠性定性設(shè)計技術(shù)和可靠性定量設(shè)計技術(shù)兩部分構(gòu)成。其中可靠性定性設(shè)計是針對不易用定量指標(biāo)描述產(chǎn)品可靠性要求的設(shè)計技術(shù)，如主要故障模式/失效模式控制技術(shù)、質(zhì)量等級保證技術(shù)等，但可以用定量計算的手段解決定性設(shè)計的問題，例如，通過故障樹分析頂事件發(fā)生的概率確定主要故障模式或薄弱環(huán)節(jié)；可靠性定量設(shè)計是針對產(chǎn)品可靠性定量指標(biāo)要求的設(shè)計技術(shù)，如失效率控制設(shè)計技術(shù)、耐久性保證設(shè)計技術(shù)、極限與裕度設(shè)計技術(shù)等，目的是保證產(chǎn)品的固有可靠性滿足失效率和壽命指標(biāo)要求。

在可靠性定性設(shè)計技術(shù)中，可靠性定性設(shè)計指標(biāo)確定技術(shù)，由產(chǎn)品可靠性定性要求分析、壽命剖面分析、任務(wù)剖面分析等關(guān)鍵技術(shù)要素組成，目的是確定設(shè)計需要控制的主要失效模式；同樣，在可靠性定量設(shè)計技術(shù)中，可靠性定量設(shè)計指標(biāo)確定技術(shù)，由產(chǎn)品可靠性定量要求分析、壽命剖面分析、任務(wù)剖面分析等關(guān)鍵技術(shù)要素組成，目的是確定設(shè)計需要達到的各項可靠性量化指標(biāo)，如通過產(chǎn)品失效率分配確定各部件失效率控制指標(biāo)，通過產(chǎn)品壽命要求和耐久性要求分析確定各關(guān)鍵部件的退化壽命指標(biāo)，通過產(chǎn)品性能極限要求分析確定各關(guān)鍵部件的極限裕度指標(biāo)，最終形成產(chǎn)品的專用可靠性設(shè)計指標(biāo)。

2）可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1，覆蓋與產(chǎn)品設(shè)計階段的可靠性設(shè)計方法、可靠性設(shè)計指標(biāo)、可靠性預(yù)計方法、可靠性評估方法、潛在薄弱環(huán)節(jié)分析、設(shè)計評審和驗證方法等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)