电子设备可靠性预计
信息产业部电子五所
主要内容
1. 可靠性预计的目的和作用及工程应用 2. 基本可靠性预计和任务可靠性预计 3. 可靠性预计类型及其不同使用阶段 4. 相似预计法的程序 5. 元器件计数法的可靠性预计 6. 元器件应力分析法的可靠性预计 7. 使用《电子设备可靠性预计手册》应注意的事项
元器件的应力分析法－预计程序
(1) 建立产品可靠性模型。 (2)明确各元器件的应用方式，工作环境温度及其它环境 应力，以及电应力比等工作应力数据； (3)汇编设备的元器件详细清单，清单内容包括：元器件名称，
型号规格，数量，产品标准或技术文件，性能额定值及有关的设计、工艺、 结构参数和工作应力数据等；
可靠性预计的目的和作用及工程应用
1.2 可靠性预计的作用
(1) 在设备、系统的设计阶段, 定量地预测其可靠性水平, 以判断设计方案能否满足可靠性指标的要求。 (2) 对几种相似的设计方案进行比较, 以便选择在可靠性、 性能、重量、费用等方面最佳的综合设计方案。 (3) 为实施可靠性分配提供依据。 (4) 为优选元器件及合理使用元器件提供指南。 (5) 通过应力分析法预计, 可鉴别设计上潜在的问题, 以便 于及时地采取措施来改进设计，以便制定设备、系统 的预防性维护方案。 。 (6) 中立机构进行可靠性预计，预测产品的寿命，增强产 品的竞争力。
8. 特殊可靠性预计的修正
可靠性预计的目的和作用及工程应用
1.1 可靠性预计的目的
• 可靠性预计是电子设备可靠性从定性考虑转入定量分析的关键, 是“设计未来”的先导, 是决策设计、改进设计, 确保产品满足 可靠性指标要求的不可缺少的技术手段。 • 可靠性预计不去追求绝对准确。采用统一尺度预计，为可靠性 的定量分析提供可比的相对度量。 • 预计的主要目的在于检查产品研制方案和电路设计的合理性， 比较不同设计方案的可靠性水平，发现薄弱环节，对高故障率 和承受过高应力部分引起注意。 • 与可靠性分配技术相结合，把规定的可靠性指标合理地分配给 各个组成部分，并为制定研制计划、验证试验方案以及维修、 后勤保障方案提供依据。
8 元器件的应力分析法－ 概述
• 元器件应力分析法通过分析设备上各元器件工作时所承 受的电、热应力及了解元器件的质量等级，承受电、热 应力的额定值，工艺结构参数和应用环境等，计算各元 器件的工作失效率，并由产品可靠性模型预计电子设备 和系统的可靠性指标。 • 元器件应力分析法适用于详细设计阶段，在这个阶段， 所使用的元器件规格、数量，工作应力和环境条件、质 量等级等应该是已知的，或者根据硬件定义能够确定。 • 在实际或模拟使用条件下进行可靠性评价之前，应力分 析法是最能反映实际可靠性的一种可靠性预计方法。 • 应力分析法假设元器件失效前时间服从指数分布(即失 效率恒定)。
元器件的选用
晶体管失效率计算示例
• 设有一符合GJB33-85《半导体分立器件 总规范》JP级的硅NPN单管在恶劣地面 固定设备的线性电路中使用，实际功耗 是额定功耗（0.7W)的0.4倍,工作环境温 度为40℃，TS＝25℃，TM=175℃, 外加电 压VCE是额定电压VCEO的60％，其工作失 效率可用下式计算。
元器件质量等级与质量系数
• 元器件质量直接影响其失效率，不同质量等级对 元器件失效率的影响程度用质量系数πＱ来表示。 所谓质量等级是指元器件装机使用之前，在制造、 检验及筛选过程中其质量的控制等级。质量系数 则反映了不同质量等级的元器件其失效率的差异 程度。 • 根据我国电子元器件标准的制订、实施情况，及 按不同标准或技术文件组织生产和试验的产品的 实际可靠性水平，手册中将各类元器件划分为A、 B、C三个质量层次。每个层次包含若干个质量等 级，每个质量等级分别给出与其对应的质量系数 值。（见GJB299)
NPRD95(非电)
基本可靠性预计和任务可靠性预计
2.1 基本可靠性预计
• 基本可靠性定义为：产品在规定条件下无故障 的持续时间或概率。 • 这里的故障是指引起引起维修工作的事件或状 态。这种故障可能影响,可能不影响产品完成任 务的功能。 • 基本可靠性涉及维修人力，费用和后勤保障要 求。 • 基本可靠性预计用串联模型。 • 产品的基本可靠度一般为工作状态下的可靠度 与各非工作状态下的可靠度连乘积。
6 相似预计法－相似电路法的程序
• 这种预计方法是从相似电路(如振荡器、放大器、调制器、脉 冲传输网络等)所获得的特定经验，用于被考虑的对象是由单 个电路组成时。 • 估计可靠性的最快方法是将正在研制的电路与一个相似电路 进行比较，后者的可靠性以前曾用某种手段确定过，并经过 了现场评定。 • 当各个单元电路可靠性可以综合成为整个产品可靠性时，对 按系列开发的电路，这种方法有不间断应用的意义。预期的 新设计不仅要与老设计相似，而且还要易于确定和评定细致 的差别。 • 在将单个电路可靠性综合到一起时，应该考虑电路互连可靠 性因素。 • 相似电路法的有效性取决于电路之间的等效程度，而不仅仅 在于用来描述电路的一般性术语
基本可靠性预计和任务可靠性预计
2.3 基本和任务可靠性预计的权衡
@ 简化产品设计和采用高可靠性的元器件既可提高基本可靠性， 又可提高任务可靠性，采用赢余设计只能提高任务可靠性而降低基 本可靠性。 @ 应综合考虑基本可靠性预计结果和任务可靠性预 计的结果： • 当任务可靠性相同时，基本可靠性预计结果高好 • 若一个设计的基本可靠性比另一个高很多，即使 任务可靠性稍低也是可取的 • 若一个设计的任务可靠性预计不能满足合同要求， 往往降低基本可靠性以获得提高任务可靠性 @ 基本可靠性预计和任务可靠性预计的都应尽早进 行，并随着设计和任务的变化及时作相应的修改，
可靠性预计的主要依据
1）工作状态预计依据
GJB/Z 299B-98应力分析法、元器件计数法 MIL-HDBK-217F应力分析法、元器件计数法 MIL-HDBK-217F Notice2应力分析法、元器件计 数法 NPRD95(非电)
2）非工作状态预计依据 GJB/Z 108-98应力分析法、元器件计数法
应用环境类别与环境系数πＥ
• 不同环境下，电子设备所经受的冲击、振动等机 械环境应力和气候环境应力有很大差别。根据电 子设备的应用场合，环境应力和类型，及其对电 子产品可靠性的影响程度，GJB／Z299B规定了17 类应用环境。 • 电子设备及元器件处于不同类别的环境中其可 靠性则不相同。手册中以环境系数πＥ表示不同环 境类别的环境应力对元器件失效率的影响程度。 亦即，πΕ值表示该环境相对于基准环境的严酷倍 数。 • 因此，GJB／Z299B分别列有环境系数表，提供了 各种类元器件的环境系数值。
可靠性预计的一般要求
可靠性预计－
报告的一般要求（1〕
(1)可靠性预计报告应根据预计结果分析设计方案 满足规定可靠性要求的程度。可靠性预计值应高 于合同的规定值。(美国海军航空兵规定：预计 值为规定值的1.25倍，我国一般还要高一些)。 (2)初始预计报告应能适用于论证产品方案的可行 性、先进性。 (3)中间预计报告应能适用于设计评审。包括比较、 选择设计方案，指明设计中的高故障率单元，过 应力的元器件和薄弱环节，提出设计改进措施的 建议等。
6 相似预计法－相似产品法的程序
• a. 确定与新设计产品最相似的现有产品，其相 似性比较的要点为：
产品的结构、性能、设计、制造、寿命剖面的工 作条件和环境条件
• b. 对相似产品在使用期间所有的数据进行分析， 确定其已达到的可靠性水平。 • c. 比较新老产品的差异程度，根据相似产品的 可靠性水平经适量的修正后，作为新产品可靠 性水平的预计值。
λp=πEπQπAπS2πrπTπC λb
• 其应力比为S=0.4,环境温度为40℃， • 基本失效率λb=0.205(10-6/h)。
(4)按各种类元器件工作失效率模型，计算每预计单元内 各元器件的工作失效率； (5)将(2)～(4)步骤所得到的数据填入规范化的预计表内。 (6)将预计单元内元器件的工作失效率相加，由此计算组 件或分系统的失效率； (7)按设备、系统的可靠性模型，逐级预计设备、系统的 平均故障间隔时间与可靠度等可靠性指标。
7 元器件计数法预计
• 元器件计数法是在初步设计阶段使用的预计方法。在这 个阶段中，每种通用无器件的数量已经基本上确定，在 以后的研制和生产阶段，整个设计的复杂度预期不会有 明显的变化。元器件计数法假设元器件失效前的时间是 指数分布的(即元器件失效率恒定)。 • 如果产品可靠性模型的所有部分为串联的，或者为取 得近似值可以假设它们是串联的，则可以把元器件失效 率相加直接求得产品故障率。 • 如果产品可靠性模型中有非串联部分(例如：冗余、代 替的工作模式)，则产品可靠性可用下述方法求得，即： 或仅是计算模型的串联部分作为近似；或把各个串联部 分的元器件失效率相加，再计算模型的非串联部分的等 效串联失效率。
可靠性预计的一般要求
可靠性预计－
报告的一般要求（2〕
(4)最终预计报告应反映最终的设计，并确定设计 中不能消除的高故障率单元和潜在的任务单点 故障等。 (5)可靠性预计应周到、齐全；应附加说明没有纳 入可靠性模型部分的理由及其清单。 (6)对于高度复杂的模型，得附有简化的可靠性模 型及其说明。 其余要求详见GJB／Z23－91《可靠性和维修性 工程报告编写一般要求》。
元器件计数法预计所需信息
a. 设备上所用元器件的种类及每类元器件的数量; 种类的划分是按GJB／Ｚ299B上18大类元器件中 的小类。 b. 各种类元器件的质量等级及其质量系数。 c. 设备应用的环境类别。比如，设备是用在导弹发 射场合呢，还是用在背负、手提的环境，等等。
元器件计数法预计－计算步骤
• 先计算设备中的各种类型(按所采用的预 计手册分类)元器件的数目, • 不同质量等级的元器件数目 • 然后再乘上相应类型元器件在规定使用 环境下的通用失效率, • 最后把各类元器件的失效率累加起来, 即 可得到部件、系统的故障率, (参见例子 P9)