可靠性設(shè)計與分析關(guān)鍵技術(shù)

本篇思維導(dǎo)圖

工程實踐中，標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性設(shè)計與分析工作，包括確定產(chǎn)品的可靠性要求、可靠性建模、可靠性預(yù)計、特性分析和設(shè)計評審等15個工作項目。電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計工作基本流程如圖1所示，涉及的可靠性設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)主要包括：可靠性建模技術(shù)、可靠性預(yù)計技術(shù)、可靠性分配技術(shù)、薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)、特性分析與適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)、耐久性分析技術(shù)。

圖1 電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計工作基本流程

1 可靠性建模技術(shù)

可靠性建模技術(shù)，即建立系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性框圖及相應(yīng)的可靠性數(shù)學(xué)模型（可靠性概率表達式），它是產(chǎn)品可靠性預(yù)計技術(shù)、可靠性分配技術(shù)的重要基礎(chǔ)。其中，編制可靠性框圖，需要深入了解產(chǎn)品工作過程及任務(wù)完成中的要求，通過框圖直觀地展示工作過程中產(chǎn)品所有單元之間可靠性的相互依賴關(guān)系，每個方框所代表的單元（分系統(tǒng)或設(shè)備、板級組件、零部件、元器件）失效概率是相互獨立的；建立可靠性數(shù)學(xué)模型，需要根據(jù)可靠性框圖及其定義，用普通概率法、布爾真值表法等方法擬定每個框圖的可靠性數(shù)學(xué)模型。

目前，可靠性建模技術(shù)發(fā)展了適用于單功能和多功能系統(tǒng)的串聯(lián)系統(tǒng)模型、并聯(lián)系統(tǒng)模型、冗余（貯備）系統(tǒng)模型、表決系統(tǒng)模型及其組合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。幾種典型的可靠性框圖如圖2-6所示，其中，可靠度數(shù)學(xué)模型中Ri（t）表示第i個單元的可靠度、ti表示第i個單元的工作壽命。

（1）串聯(lián)系統(tǒng)模型：由n個單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)，任意單元發(fā)生故障均會導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生故障。串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖如圖2所示。

圖2 串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

對于給定的工作時間t，串聯(lián)系統(tǒng)工作壽命的可靠度數(shù)學(xué)模型：

（2）并聯(lián)系統(tǒng)模型：由n個單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)，所有單元都發(fā)生故障才會導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生故障。并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖如圖3所示。

圖2 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

對于給定的工作時間t，并聯(lián)系統(tǒng)工作壽命的可靠度數(shù)學(xué)模型：

（3）冗余（貯備）系統(tǒng)模型：由n個單元組成的冗余（貯備）系統(tǒng)，其中，一個單元工作，n-1個單元貯備，當(dāng)工作單元發(fā)生故障時系統(tǒng)能自動轉(zhuǎn)向貯備單元繼續(xù)工作。貯備單元失效率和工作單元失效率相等時的熱貯備系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型與上述并聯(lián)系統(tǒng)模型相同。冷貯備系統(tǒng)可靠性框圖如圖4所示。

圖4 冷貯備系統(tǒng)可靠性框圖

對于給定的工作時間t，冷貯備系統(tǒng)工作壽命（tS=t1+t2+…+tn＞t）的可靠度數(shù)學(xué)模型（所有單元壽命均服從指數(shù)分布時）：

（4）表決系統(tǒng)模型：由n個單元組成的表決系統(tǒng)，當(dāng)有任意k個單元正常工作時系統(tǒng)就能正常工作，稱為n中取k表決系統(tǒng)（k/n（G））。k/n（G）表決系統(tǒng)的可靠性框圖如圖5所示。

對于給定的工作時間t，k/n（G）表決系統(tǒng)工作壽命tS={t1，t2，…，tn}中至少有k個大于t的可靠度RS（t）數(shù)學(xué)模型（一般情況下系統(tǒng)由相同的單元組成，各單元可靠度相等，均為Ri（t），假設(shè)表決器完全可靠）：

2 可靠性預(yù)計技術(shù)

可靠性預(yù)計，即對設(shè)計或生產(chǎn)的電子設(shè)備的基本可靠性和任務(wù)可靠性進行預(yù)測，它是產(chǎn)品可靠性分配、可靠性設(shè)計方案評價和產(chǎn)品維修方案制訂的重要依據(jù)。預(yù)計時，根據(jù)可靠性框圖的基本可靠性模型或任務(wù)可靠性模型，導(dǎo)入可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行計算預(yù)計。其中，基本可靠性預(yù)計采用串聯(lián)模型，預(yù)計參數(shù)是平均失效間隔時間（MTBF）或失效率（λ）；任務(wù)可靠性預(yù)計采用并聯(lián)或表決系統(tǒng)等模型，將任務(wù)完成概率（MCSP）的預(yù)計作為預(yù)計參數(shù)，評估產(chǎn)品執(zhí)行任務(wù)過程中完成規(guī)定功能的能力。

電子產(chǎn)品的創(chuàng)新和應(yīng)用，推動了可靠性預(yù)計技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代，建立了基于數(shù)理統(tǒng)計分析及四個層面數(shù)據(jù)源的電子設(shè)備可靠性預(yù)計方法：相似設(shè)備法，用于系統(tǒng)層面早期設(shè)計方案的權(quán)衡；相似復(fù)雜性法和功能預(yù)計法，用于分系統(tǒng)設(shè)備方案優(yōu)選；元器件計數(shù)法，用于設(shè)備元器件品種和數(shù)量基本確定的初步設(shè)計分析；元器件應(yīng)力法，用于設(shè)備元器件詳細清單和元器件所承受應(yīng)力已確定的研制階段分析。到21世紀(jì)初，電子產(chǎn)品在航天、航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為提高可靠性預(yù)計的合理性和準(zhǔn)確性，發(fā)展了基于失效物理的可靠性預(yù)計方法，以解決布線特征尺寸小于130nm的大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路耗損失效和SMT互連焊點疲勞失效等模式對失效率貢獻凸顯的問題，以及電子產(chǎn)品在多變環(huán)境條件下傳統(tǒng)預(yù)計手冊無法預(yù)計其可靠性的問題。

電子元器件可靠性預(yù)計是電子設(shè)備可靠性預(yù)計的核心基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，電子元器件可靠性預(yù)計方法已經(jīng)形成兩大類預(yù)計手冊。

一類稱為基于數(shù)理統(tǒng)計的失效率預(yù)計手冊，其中，以GJB 299C、MIL-HDBK-217F標(biāo)準(zhǔn)為代表。手冊中各類元器件失效率預(yù)計模型，是基于數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，它通過大量收集整理各類元器件的現(xiàn)場和試驗的隨機失效數(shù)據(jù)，把失效時間視為隨機變量，以概率論為基礎(chǔ)建立了經(jīng)驗式的元器件工作失效率預(yù)計模型，其中基本失效率模型僅考慮了溫度、電應(yīng)力引起的失效率貢獻（集成電路增加機械應(yīng)力引起的失效率貢獻），根據(jù)預(yù)計模型對元器件在不同溫度應(yīng)力水平和降額條件下的工作失效率進行統(tǒng)計推斷和預(yù)測。

另一類稱為基于失效物理的失效率預(yù)計手冊[96,100]，以ANSI/VITA51.2預(yù)計手冊、FIDES guide指南為代表。它通過收集整理各類元器件對其失效率貢獻較大的主要應(yīng)力和失效機理，利用失效機理退化模型，分別獲取元器件在溫度、溫循、濕度、機械等相關(guān)應(yīng)力條件下的典型基本失效率數(shù)據(jù)，并結(jié)合元器件在電子設(shè)備中的實際工作時間權(quán)重和各類應(yīng)力加速系數(shù)，建立元器件的工作失效率預(yù)計模型，實現(xiàn)更切合實際的元器件失效率預(yù)測，作為傳統(tǒng)基于數(shù)理統(tǒng)計的失效率預(yù)計方法的補充。

兩類預(yù)計手冊都建立了各類電子元器件工作失效率預(yù)計模型，積累了大量的元器件基本失效數(shù)據(jù)，在進行電子設(shè)備失效率預(yù)計時，無論哪種預(yù)計方法，都將元器件失效率或失效機理失效率簡化為指數(shù)分布，視其在電子設(shè)備隨機失效階段對總體失效率的貢獻為恒定失效率，這與電子設(shè)備失效率最終統(tǒng)計結(jié)果的浴盆曲線基本相符，這種簡化處理為電子設(shè)備的可靠性預(yù)計帶來了極大的便利。

（1）基于數(shù)理統(tǒng)計的失效率預(yù)計模型。例如：GJB 299C預(yù)計手冊中的電子元器件工作失效率預(yù)計模型如下：

式中，λP是元器件工作失效率；

λb是僅考慮溫度和電應(yīng)力的元器件基本失效率；

πi是各種影響元器件工作失效率的修正因子。

如，普通晶體管及二極管的基本失效率λb模型：

普通晶體管及二極管的工作失效率λP模型：

λP=λbπEπQπAπSDπrπC

模型中基本失效率λb僅考慮元器件在電應(yīng)力和溫度應(yīng)力作用下的失效率，工作失效率λP通過環(huán)境系數(shù)πE、質(zhì)量系數(shù)πQ、應(yīng)用系數(shù)πA、電壓應(yīng)力系數(shù)πSD、額定功率或額定電流系數(shù)πr、結(jié)構(gòu)系數(shù)πC的修正，調(diào)整這些影響因素對晶體管及二極管失效率帶來的影響。

（2）基于失效物理的失效率預(yù)計模型。例如：FIDES guide預(yù)計手冊指南的電子元器件工作失效率預(yù)計模型如下：

λ=λPhysical·∏PM·∏Process

式中，λ是某類元器件的工作失效率；

λPhysical是該類元器件物理因素失效率，是由于各類物理因素引起的失效率；

∏PM是零部件制造質(zhì)量和技術(shù)因素的失效率修正因子；

∏Process是整機產(chǎn)品研發(fā)、制造和使用中的質(zhì)量及技術(shù)因素的失效率修正因子。

是該類元器件的時間權(quán)重，壽命剖面第i階段時間在一年中的比例；

λphase-i是該類元器件在壽命剖面第i階段的物理因素失效率；

λ0·∏acceleration是該類元器件在壽命剖面第i階段的物理因素總體基本失效率。

式中，∏induced是該類元器件在壽命剖面第i階段的過應(yīng)力影響調(diào)整系數(shù)；

∏Thermal是該類元器件在壽命剖面第i階段芯片的溫度加速調(diào)整系數(shù)。

上述兩類預(yù)計模型均可用于電子設(shè)備的可靠性預(yù)計，區(qū)別在于元器件基本失效率的預(yù)計。前者僅考慮溫度應(yīng)力和電應(yīng)力對基本失效率的貢獻，這對傳統(tǒng)元器件產(chǎn)品完全適用；后者全面考慮了芯片溫度、外殼溫循、引腳焊點溫循、潮濕、機械等應(yīng)力下的一系列失效機理的基本失效率之和，這對特征尺寸小于130nm的亞微米級、超深亞微米級半導(dǎo)體集成電路和高密度集成組件SMT焊點而言是必須的。

3 可靠性分配技術(shù)

可靠性分配就是把系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性總體要求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品每個單元的可靠性要求的過程?？煽啃苑峙鋮?shù)可以是：可靠度（R（t））、平均失效間隔時間（MTBF）、故障率（λ）等，分配后的參數(shù)作為產(chǎn)品各單元的可靠性設(shè)計指標(biāo)。產(chǎn)品可靠性分配的基本原則是保證依據(jù)分配指標(biāo)設(shè)計出來的產(chǎn)品滿足規(guī)定的可靠性總體要求，因此產(chǎn)品可靠性分配包括求解下面的不等式：

式中，?Ri^是分配給第i個單元的可靠性要求參數(shù)（i=1，2，3，…，n）；

R*是產(chǎn)品可靠性總體要求參數(shù)；

f是產(chǎn)品各單元與產(chǎn)品間的可靠性函數(shù)關(guān)系。

系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性分配方法，包括：不考慮各單元重要性串聯(lián)系統(tǒng)的等分配法，考慮產(chǎn)品復(fù)雜程度、技術(shù)成熟度、工作時間、環(huán)境條件等因素分值的評分分配法（目標(biāo)可達性分配法），適用于與老系統(tǒng)相似的新設(shè)計系統(tǒng)產(chǎn)品的比例組合分配法，考慮產(chǎn)品各單元重要度和復(fù)雜度的分配法（AGREE分配法），針對產(chǎn)品較低可靠度單元提升的最少工作量分配法（可靠度再分配法）等。

實際應(yīng)用中，不論采用哪種可靠性分配方法，為減少分配的重復(fù)次數(shù)和避免附加設(shè)計的反復(fù)分配，需要在規(guī)定的可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對各單元的可靠性分配留有一定的裕量。

4 薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)

薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)，包括：失效模式與影響分析（FMEA）、故障樹分析（FTA）、潛在電路分析（SCA）、電路容差分析（CTA）等技術(shù)。多年的研究總結(jié)和凝練，形成了標(biāo)準(zhǔn)化的FMEA、FTA、SCA、CTA方法和技術(shù)，目的是通過對電子設(shè)備產(chǎn)品自上而下或自下而上的全面分析，發(fā)現(xiàn)元器件、零部件、設(shè)備在設(shè)計和制造過程中可能存在的故障模式，以及每一種故障模式的產(chǎn)生原因及影響，找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進措施。

5 特性分析與適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)

特性分析與適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)，包括：降額設(shè)計、冗余設(shè)計、熱設(shè)計、機械強度分析、環(huán)境防護設(shè)計、有限元分析等技術(shù)。其中，降額設(shè)計使元器件使用中承受的應(yīng)力低于其額定值，以達到延緩其參數(shù)退化，提高使用可靠性的目的；冗余設(shè)計是指重復(fù)配置系統(tǒng)中的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，讓冗余的部件及時承擔(dān)故障部件的工作；熱設(shè)計是通過采用適當(dāng)?shù)纳岱绞剑刂飘a(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的工作溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過規(guī)定的最高溫度上限；機械強度分析是通過分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的機械特性，確定包裝、儲存、裝卸、運輸、維修等對產(chǎn)品可靠性的影響；環(huán)境防護設(shè)計是指針對影響產(chǎn)品可靠性的環(huán)境因素，采取必要的設(shè)計防護，減少或消除有害的環(huán)境影響，設(shè)計防護包括：溫度保護、沖擊和振動隔離、潮濕保護、沙塵保護、防爆、電磁兼容設(shè)計等；有限元分析是指通過采用有限元分析技術(shù)，在設(shè)計過程中對產(chǎn)品的機械強度、熱特性、電磁場、潮氣擴散等進行分析和評價，盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品承載設(shè)計結(jié)構(gòu)和材料的薄弱環(huán)節(jié)及產(chǎn)品的過熱部分。

6 耐久性分析技術(shù)

耐久性分析技術(shù)，包括：機械零部件的機械疲勞損傷、電子元器件的電耗損和熱機械耗損退化等分析技術(shù)。通過對產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)的耐久性分析，評價機械零部件的耐久性或機械疲勞壽命，評價電子元器件的耗損機理退化壽命?？赏ㄟ^評價產(chǎn)品壽命周期的載荷與應(yīng)力、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料特性和失效機理等進行耐久性分析，發(fā)現(xiàn)過早發(fā)生耗損故障的機械零部件、電子元器件，確定故障的根本原因和可能采取的糾正措施。

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