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關于可靠與不可靠

 

總能按要求完成工作——可靠！

 

有時能完成工作，有時不能完成工作——不可靠！

 

為什么有基本性能，還要評價可靠性？

 

因為基本性能并沒有反映質量的全部,產品還有一個固有屬性—可靠性!

 

可靠性表示產品連續穩定工作的能力。產品基本性能直觀表征靜態質量合格與否，還不能反映產品質量的全貌、穩定性。

 

 產品質量特性包括構成產品質量的一切外在的特征和內在的特性：

 

電子元件的基本性能指標高，其可靠性不一定高。如果產品可靠性低，即使其初始技術性能再好也得不到發揮。例如，陶瓷貼片電容器的介質擊穿電壓較高的產品，很可能在高溫負載加速壽命試驗中失效率較高。

 

可靠性可以綜合反映產品的質量。電子元件的可靠性是電子設備可靠性的基礎，要提高設備或系統的可靠性必須提高電子元件的可靠性。

 

可靠性是電子元件重要質量指標，須加以考核和檢驗。

 

可靠性的科學定義：

 

元件、產品或系統在規定條件、規定時間，完成規定功能的能力稱為可靠性。

 

規定條件

 

工作條件：電壓、電流、功率

 

環境條件：溫度、濕度、氣壓

 

同一規格元器件，工作環境條件不同，其可靠性不同。工作負荷重、環境惡劣條件下，產品可靠性下降，損壞概率上升。

 

規定時間

 

產品可靠性隨使用/存貯時間的延長而降低，無故障工作時間越長，表示產品可靠性越高。

 

談及可靠性必須有時間長度（或使用次數），離開時間的可靠性無意義。

 

規定功能

 

“功能”就是產品的技術指標、技術要求。是正常工作的性能指標。

 

如何描述可靠性高低水平？        

 

別人問你工廠制造的產品可靠性如何,該怎樣回答？

 

是的,大家都可以說自家產品可靠性很高，但是多高呢？！

 

其實,產品的可靠性是可以量化描述，可靠性量化指標使用的是統計概率意義上的數據。 

 

對電子元件描述可靠性高低主要特征量有：可靠度、失概率、壽命。

 

可靠度R（t）

 

電子元件在規定條件和規定時間內，完成規定功能的概率稱為可靠度。

 

 

r(t)：工作到t時刻失效數；

 

N0 : 試驗產品總數；

 

例：投入10000只75KΩ的電阻器，以天為計量單位，使用一年后（365天）時，發現3只電阻器壞了，則一年的可靠度 :

 

R(365)=(10000-3)/10000=0.9997

 

失效率λ(t)

 

產品在t時刻后的單位時間內發生失效的概率。

 

 

Nt：t時刻性能正常產品數； 

 

△ t：監測的時間間隔；

 

△r(t)：監測的時間間隔△t內失效產品數。

 

失效率的單位通常有三種表示方法：

 

1/h  , %/1000h , Fit（非特）

 

1Fit=10-9/h，每1000個產品工作1百萬小時之后，只有一個失效。電子元件失效率較低，常以Fit（非特）為單位。 

 

例：投入1000000只貼片電容，使用1000小時后，發現3只電容器壞了，則失效率為:

 

λ(t)=3/(1000000*1000)=3*10-9/h=3Fit

 

壽 命

 

平均壽命MTTF

 

產品使用時失效時間的平均值，對電子元件因其壽命服從指數分布，所以MTTF=1/λ。

 

儲存壽命

 

對某些電子元件，如液態電解電容器，即使在不工作的狀態下，其功能和可靠性也會隨時間的延長而下降，因此對這類產品儲存壽命是一個重要的指標。

 

電子元件的失效服從指數分布，失效率為常數，可靠度與失效率的關系為:

 

 

我國有可靠性指標電子元件按失效率大小分七級:

 

 

級別	符號	最大失效率 （1/h或1/10次）
亞五級	Y	3╳10-5
五  級	W	1╳10-5
六  級	L	1╳10-6
七  級	Q	1╳10-7
八  級	B	1╳10-8
九  級	J	1╳10-9
十  級	S	1╳10-10

注：當工作壽命按次數計算時，單位為1/10次, %/1000次, 1Fit

 

電子元件失效率試驗所確定的失效率是基本失效率，是在產品技術標準條件下的失效率，不是產品實際使用條件下的失效率。

 

電子元件失效規律              

 

大量的使用和試驗表明，電子產品失效與時間曲線的特征是兩端高、中間低，呈浴盤狀，如圖，通常稱為浴盤曲線。

 

早期失效

 

產品使用初期，失效率較高，并迅速下降。對電子元件這一階段的失效主要是設計不當、材料缺陷、制造缺陷和安裝不當引起的。在工作應力的作用很快會暴露出來。

 

偶然失效

 

產品使用一段時間后，失效率會降到一個較低的水平，基本處于平穩的狀態，失效主要由偶然因素所造成。偶然失效期是產品主要工作的時期。

 

耗損失效

 

產品使用相當長的時間后，失效率迅速上升，這是產品老化、疲勞、磨損、蠕變、腐蝕等原因所引起的，是產品的壽命“終了”，稱為耗損失效期。

 

對于實際電子產品，不一定都必須出現上述三個階段。高質量等級產品的失效率曲線在其壽命期基本上是一條平穩的直線，而低劣產品可能存在大量的早期失效或很快進入耗損失效期。

 

如產品設計、生產工藝不合理，只出現早期失效期和耗損失效期，這是產品質量過于低劣。

 

提高系統（或產品或元器件）在整個壽命周期內可靠性的一門有關設計、分析、試驗的工程技術?？煽啃栽囼炇强煽啃怨こ痰闹匾M成部分。

 

可靠性試驗                    

 

為了評價分析電子產品可靠性而進行的試驗稱為可靠性試驗。可靠性試驗可以測算產品可靠性指標，分析產品的失效原因。

 

可靠性試驗與例行測量測試的區別： 

 

例行測量：

 

用儀器直接測量，判定性能參數是否滿足出廠指標。

 

可靠性試驗：

 

用統計方法作定量分析，得出可靠性指標，不能直接測讀出來。

 

可靠性試驗時，對受試樣品施加一定的應力，并監測應力作用下的樣品性能的變化，判斷產品是否失效。 

 

應力：對產品的功能有影響和各種因素，包括電壓、電流、機械力和環境等。

 

可靠性試驗分類：

 

按試驗地點和試驗方式分：

 

    現場試驗：工作現場測量

 

    模擬試驗：模擬實際工作狀態的試驗

 

    實驗室進行的試驗多屬模擬試驗。

 

按試驗項目分類:

 

通常慣用的分類法，是把它歸納為四大類:

 

A. 環境試驗

 

B. 壽命試驗

 

C. 特殊試驗

 

D. 現場使用試驗

 

環境試驗

 

測試產品對環境條件的適應能力，環境條件主要包括以下：

 

氣候條件：溫度、濕度、氣壓、潮熱、鹽霧

 

機械條件：振動、沖擊、離心

 

輻射條件：電場、磁場、電磁場、各種射線

 

生物條件：霉菌

 

電氣條件：雷擊、電暈放電

 

人為因素：運輸、使用、維護

 

電子產品依據工作環境，選擇顯著影響可靠性項目條件（單一或組合）進行環境試驗。

 

對電子元件常用的環境試驗項目有：

 

氣候試驗：密封性試驗、溫度循環試驗、熱沖擊試驗、氣壓試驗、潮熱試驗、鹽霧試驗。

 

機械試驗：振動、沖擊、離心、碰撞、跌落等

 

壽命試驗

 

為測定電子元件在工作或貯存下壽命的長短所做的試驗。

 

將一定數量的產品放在特定的試驗條件下，記錄樣品的失效時間，并進行統計分析，評估可靠性數量特征。

 

對于大部分電子產品，壽命是最主要的一個可靠性特征量。因此，對電子元件，可靠性試驗往往指的就是壽命試驗。

 

長期壽命試驗：

 

1000小時以上的試驗時間

 

長期貯存壽命試驗：

 

元件放在一定條件下（不放加電應力）貯存，以確定貯存壽命和失效率。試驗時間3年左右，有的達10年。失效率低。 

 

長期工作壽命：

 

產品置于一定的工作條件下進行工作，確定正常使用狀態下的壽命和失效率。累積失效率40%左右即可進行統計分析可靠性指標。 

 

加速壽命試驗

 

長期壽命耗時耗力，通訊衛星用元器件工作壽命要求>5年，海底電纜增益晶體管工作壽命要求>20年！為了縮短試驗周期、減少樣品數量和試驗費用，常常采用加速壽命試驗，在不改變失效機理前提下，提高應力，使元件加速失效，在較短的時間內取得失效率壽命數據，推算正常狀態應力條件下的可靠性特征量。

 

加速應力可以是電氣的、機械的、物理化學的，或它們的綜合。 

 

一般以高于正常用應力的固定恒定應力進行試驗，本試驗方法簡單，普遍使用。

 

特殊試驗

 

用特殊的設備或儀器進行試驗或檢查。

 

在可靠性篩選試驗中使用較多，主要用于非破壞試驗和失效樣品分析。

 

紅外熱譜檢測：檢測電子元件存在的雜質缺陷。這些弱點產生局部過熱，紅外探測可分辯。

 

現場使用試驗

 

對模擬試驗正確與否加以證實和檢驗。

 

可靠性篩選試驗                                      

 

采用外加應力將電子元件成品中潛在的早期失效產品剔除，從而分選出具有高可靠性產品的試驗稱為可靠性篩選試驗。

 

外加應力可以是熱應力、電應力、機械應力或者幾種應力的組合。 

 

普通篩選：剔除低劣品

 

精密篩選：在普通篩選的基礎上進行二次篩選，剔除參數漂移大的產品，得到可靠性特別高的產品。

 

可靠性篩選試驗方法

 

根據篩選性質和應力或工具不同，大致分為：

 

檢查篩選：

 

目視或顯微鏡檢查篩選

 

紅外線、 X射線非破壞檢查篩選

 

超聲波非破壞檢查篩選

 

測量特性值檢查篩選 

 

致密性篩選：

 

濕度試驗篩選 

 

環境應力篩選：

 

振動加速度、沖擊加速度

 

溫度循環、熱沖擊

 

壽命篩選 ：

 

高溫存儲、功率老化

 

篩選項目和篩選應力確定的原則

 

1、必須針對元件的質量、使用環境、工作狀態等確定篩選條件。

 

2、要有大量的可靠性摸底試驗數據或現場使用數據資料，確定與失效機理相應的篩選項目、應力和時間。

 

3、篩選方法對無缺陷品應是一種非破壞試驗。

 

4、篩選參數據電子元件種類而不同

 

篩選應力大小及篩選時間的確定

 

應力強度過大過小，時間過長或過短均帶來不好的結果，篩選應力大小和作用時間的選取原則是：

 

①針對產品的主要失效機理確定；

 

②所用的應力不破壞良好的產品，快速暴露有缺陷的產品；

 

③根據用途、成本、批量大小和設備等條件統一考慮，力求最佳的經濟效果；

 

④充分調查，收集數據，掌握產品的失效分布和失效機理，才能確定合理的篩選項目。

 

具體篩選應力上限和篩選時間，須根據大量的可靠性摸底試驗數據確定。

 

篩選方法的評價 

 

理想的篩選結果是次品數全部剔除，好品沒被剔除。

 

評價方法

 

篩選淘汰率Q

 

Q=篩選剔除數/篩選總數*100% 

 

國外高可靠性產品的技術標準中，一般都規定了篩選淘汰率的上限值，如美國軍用標準中規定了各種元器件的篩選淘汰率：

 

紙介電容器5%

 

云母電容器8%

 

陶瓷電容器5%

 

碳膜和金屬膜電阻器為3%

 

篩選效率

 

η=剔除產品失效數/總失效數=r/R

 

比值越大，早期失效產品被剔除得越多，篩選方法越好

 

篩選效果

 

β=（λ－λ＇）\ λ*100%

 

表征篩選前后,失效率下降的相對幅度

 

可靠性篩選花費的時間和費用都是很大的，但對于新型電子元件和要求可靠性極高的電子元件，可靠性篩選意義重大。特別是空間技術和軍事工業上用的電子元件均經過嚴格科學的流程進行可靠性篩選。