电子设备的可靠性试验

电子设备产品的可靠性试验
[ 作者：丁小东 加入时间：2006-12-18 来源：网络 ]
一． 电子设备产品的可靠性
1． 可靠性的基本概念
随着电子技术的发展，对电子设备产品也提出了更高的要求。由于设备技术性能和结构要求等方面的提高，可靠性问题愈显突出。如果没有可靠性保证，高性能指标是没有任何意义的，现代用户买产品就是买可靠性，对生产厂家来说，可靠性就是信誉，就是市场，就是经济效益。从整机来讲，可靠性贯穿于设计、生产、管理中。从部件、元器件的角度来讲，电子元器件的可靠性水平决定了整机的可靠性程度。
可靠性属于质量的范畴，是产品质量的时间函数。从基本概念上讲，可靠性指标与质量的性能指标所强调的内容是不同的，可靠性的基本概念与时间有关（如表 1所示），这些基本概念的具体化，就是产品故障或寿命特征的数学模型化。只有通过可靠性试验才能确定产品故障或寿命特征符合哪一种数学分布，才可以决定产品的可靠性指标，进而推算产品的可靠程度。在可靠性工程中，*常见的寿命分布函数有指数分布、威布尔分布、对数正态分布和正态分布。



2． 电子设备产品的可靠性指标
大量统计资料证明：电子设备产品的失效分布一般服从指数分布。从电子设备产品及许多电子元器件的失效机理来看，随着时间的足够长，失效率趋近于一个稳定值，其基本特征可以用指数函数的曲线相比拟， 即服从指数分布，因此电子设备产品的可靠性指标有：

可靠度 R(t)：

由上可看出在指数分布时产品的可靠性指标表示式比较简单，并且失效率λ是一个常数。在进行电子设备产品可靠性分析时，只要得到λ的数值，其它指标就可以直接算出来。

二．电子设备产品的可靠性试验
1．可靠性试验的特点和分类
电子设备产品的可靠性指标是一些综合性、统计性的指标，与质量性能指标完全不同，不可能用仪表、仪器或其它手段得到结果，而是要通过试验，从试验的过程中取得必要的数据，然后通过数据分析，处理才能得到可靠性指标的统计量。可靠性指标的实现主要依靠现场试验或模拟现场条件试验，所以可靠性试验不同于一般设备的性能试验。从广义上讲，为了了解、评价、分析和提高电子设备产品的可靠性水平而进行的试验，可以用来确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量。一般说电子设备产品的可靠性试验可以分为研制阶段的试验，可靠性验收试验，可靠性增长试验，元器件老炼试验，极限试验，负荷及过负荷试验，过载能力试验等，这类试验的目的是了解设计是否满足了可靠性指标的要求，找出或排除设计与制造过程中的缺限和不足，证明设计可靠性能否实现，因而可靠性试验可以根据设备研制过程中的不同阶段，不同要求进行各种不同的试验。对于不同的电子设备产品，所要达到的目的不同，可以进行的可靠性试验形式也就各异，因此可靠性试验对于电子设备产品来说是一个系统工程，电子设备产品的可靠性试验可以归纳为以下几大类型（如图 1所示）。另外，温度、振动、冲击及高温寿命、加速寿命等试验在实际应用中较为广泛。



2． 电子设备产品可靠性试验方案的设计
电子设备产品可靠性试验计划的基本内容应含有：（1）试验的目的和要求；（2）试验样机数量；（3）试验条件（环境、维修等）；（4）试验类型的确定和统计试验方案的选择；（5）判断方法、失效判据，故障判据等等。这里需要指出的是样机数量，对于可靠性增长试验，试验样机多一些是必要的，对鉴定和接收试验来说，样机多一些可以提高试验结果的置信度。一般鉴定试验不足三台则全数试验。接收试验不得少于3台，推荐样机数量为每批设备的10%（见表2）。总之可靠性试验方案要根据电子设备产品的实际使用条件和故障特征选择合适的试验方案。
2.1 试验类型的选择
（1）老产品已生产多年，未进行可靠性设计，现产品的生命力较强，需要继续生产，可选择可靠性测定试验，测出设备的MTBF验证值，同时根据暴露的问题采取措施，提高产品的可靠性。



（2）新产品处于设计试制阶段，可通过可靠性试验暴露产品中的薄弱环节，以便采取改进措施，提高产品的固有可靠性，可选择可靠性增长试验。
（3）新产品设计定型、生产定型和产品创优，可选择可靠性鉴定试验，一般情况下选用定时截尾或定数截尾试验方案，以对产品的MTBF真值作出估计。
（4）根据供需双方鉴定的合同规定，需要对产品的MTBF真值作验证的，可选择可靠性验收试验，采用定时截尾或定数截尾试验方案。若供需双方鉴定的合同规定，只要通过了系统试验方案就可交货，不需对产品的MTBF真值作出估计，可选用概率比序试验方案，这种情况特别适用单台大型电子设备产品。
2.2环境条件及应力的确定
根据使用方向生产方提供的电子设备产品任务书或供需双方签订的合同，搞清电子设备产品在工作时所处的环境条件及给予它的应力。如果无特殊要求，应按电子设备产品总技术条件要求，在实验室模拟进行，一般情况下可采用图 2所加的应力及循环方式。



2.3 统计试验方案的参数确定
（1）θ 0 (可接收的MTBF值)的确定。θ 0 应小于等于θ′（θ′是按照电子设备产品所处的环境条件和应力，用可靠性预计方法确定的MTBF值）。θ 0 确定之后，根据选择的鉴别比D m （D m =θ 0 /θ 1 ），就可以计算出θ 1 （θ 1 指*低可接受的MTBF值）。
（2）生产方风险率α、使用方风险率β的选择。一般情况下，供需双方签订的合同（包括协议书）已定的可按合同执行。如果合同无规定，或是生产厂家自行验证，一般情况下可选择0.2～0.3，高风险可选择0.3～0.4。
（3）试验时间t的选择。除与α、β有关外，主要取决于电子设备产品属于何种类型，该设备能否长时间进行可靠性试验，试验费用的大小，可在表2中*佳样机数与*大样机数之间进行选择（t=T/n，T为截尾时间）。
2.4 测试周期的确定
测试周期必须合理选择，周期太密，会增加工作量，周期太疏又会失掉有用的信息。可按下列公式计算，然后确定：



其中： t——规定的试验时间；
r——相关失效数；
n——抽样数；
θ——MTBF。
测试时间太长，可确定 1天测1次，及时发现产品失效并做好记录。
2.5 失效判据（失效标准）的制定
所谓失效，即产品丧失规定的功能。因此，凡是在试验过程中不满足电子设备产品技术性能的任一项指标，应作为失效判据，此判据必须由可靠性工程师负责，召集设计、工艺、检验等方面技术人员讨论，统一思想，*后制定。

三．可靠性试验的数据分析与处理
1．可靠性试验的数据分析方法
可靠性试验的数据分析的基础就是产品寿命分布函数及参量之间的关系。例如故障与应力（电、热、振动、温度等）的对应关系；故障与产品早期性能变化的规律等，这些包含有两个变量的数据，在分析时就可用相关及回归分析方法，或用*小二乘法，从试验中取得的数据，可以制成各种图，如直方图，拆线图等，拟合成直线、曲线用以确定产品故障（寿命）的数学模型，由模型就可写出其可靠性指标，*后推算出该产品的可靠性参数值。
电子设备产品的故障模式（寿命分布）可以用指数分布的数学模型来描述，所以 （小时），我们通过试验，只要取得MTBF的估计值（观测值），就可算出失效率λ及可靠度R(t)来。然后与设计过程中的预计值相比较，达到指标要求，试验停止，达不到则继续试验。
2．电子设备产品可靠性试验数据的处理
可靠性试验的数据是一些实际的、多因素的信息集体，对于电子设备产品来说，试验的目的不同，所需采集的数据种类就不同，因此要用试验的观测值来估计设备的可靠性特征值，这是电子设备产品可靠性试验数据处理的关键。我们知道MTBF是衡量电子产品可靠性的一个重要指标，并且检验下限应等于电子设备产品*低可接受的MTBF。实际工作中常采用观测值的点估计即：

式中， 为MTBF（电子设备产品）观测点估计值；T为电子设备产品试验时间总和；r为电子设备产品在试验中的故障次数。
还有一种故障强度点估计，当r>0（有故障发生时）：
当 r=0(试验过程中未发生故障)：

式中， 为电子设备产品失效率点估计值； 为电子设备产品MTBF的点估计值；T为电子设备产品试验时间总和；r为故障次数。
利用点估计的方法可以大致估算出电子设备产品 MTBF。这是些经验公式，可以为验证设计可靠性进行可靠性试验，以实现快捷处理试验数据。