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1、Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性基础知识可靠性基础知识金学明金学明/Billy Jin/Billy JinRev.3ARev.3AQuanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center引言引言内容提要内容提要u产品可靠性现象产品可靠性现象u可靠性历史概述可靠性历史概述u可靠性基本概念可靠性基本概念u可靠性试验可靠性试验uMTBF计算计算2Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta Conf
2、identialQUANTATest Center产品可靠性现象产品可靠性现象现象一： 二次大战中电子装备大量用於战争，却不能有效投入使用。当时美国军用电子设备由于是效率很高而面临着十分严重的局面：1949年美国海军电子设备有70%失效，一个正在使用的电子管要有九个新的电子管作为临时替换的备件；19511952一般的无线电设备中24%有故障，而雷达高达84%有故障；美国空军每年的设备维修费为设备购置费的两倍，需有三分之一的地勤人员维修电子设备。3Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center产品可靠性现象产品可
3、靠性现象现象二：现象二： A A客户在客户在20082008年年2 2月买了一个手机月买了一个手机, ,买回后第买回后第6060天天( (期间开机时间共期间开机时间共为为960960小时小时) )出现接听时无法听到对方声音故障，第出现接听时无法听到对方声音故障，第6161天将该手机送修天将该手机送修, ,维维修人员使用了修人员使用了0.50.5小时更换喇叭；小时更换喇叭； A A客户取回后的第客户取回后的第2020天天( (期间开机时间共期间开机时间共为为240240小时小时) )又出现上次同样的故障又出现上次同样的故障, ,然后再次送修，然后再次送修，1010天后收到取货通天后收到取货通知，
4、并了解到维修人员使用了知，并了解到维修人员使用了1.01.0个小时更换了主板上的音频控制器芯个小时更换了主板上的音频控制器芯片。片。4Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性历史概述可靠性历史概述50年代年代60年代年代70年代年代80年代年代90年代年代 起步阶段起步阶段更深更广更深更广发展阶段发展阶段综合化综合化自动化自动化智能化智能化实用化发展阶段实用化发展阶段发展阶段发展阶段深入发展深入发展阶段阶段 1952年8月21日，美国国防部下令成立由军方、工业部门和学术界组成的“电子设备可靠性咨询组
5、”（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）即AGREE。1955年A-GREE开始实施一个从设计、试验、生产到交付、储存、使用的全面的可靠性发展计划，并于1957年发表了军用电子设备可靠性的研究报告。该报告从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，确定了美国可靠性工程发展的方向，成为可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已成为一门独立的学科，是可靠性工程发展的重要里程碑。5Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性基本概念可
6、靠性基本概念可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内, ,完成规定功能的能力。完成规定功能的能力。 “ “一个产品、三个规定一个产品、三个规定” 产品：指硬件和流程性材料等有形产品以及软件等无形产品。 规定条件：包括使用时的环境条件和工作条件. 规定时间：广义的工作时间,除时间外,还可以是里程,次数等。 规定功能：指产品规格书中给出的正常工作性能指标。 衡量一个产品可靠性水平时一定要给出故障(失效) 判据。因此，在规定产品可靠性指标要求时一定要对规定条件、规定时间和规定功能给予详细具体的说明。6Quanta ConfidentialQUANTANBDCQ
7、uanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性基本概念可靠性基本概念维修性：产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修维修性：产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修 时，保持或恢复执行规定状态的能力。时，保持或恢复执行规定状态的能力。 规定条件：维修的机构和场所及相应的人员、技能与设备、设施、工 具、备件、技术资料等。 规定的程序和方法：是按技术文件规定采用的维修工作类型、步骤、 方法等。 维修性是产品质量的一种特性，即由产品设计赋予的使其维修简便、迅速、安全和经济的固有特性。7Quanta ConfidentialQUAN
8、TANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性基本概念可靠性基本概念保障性：系统（装备）的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求保障性：系统（装备）的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求 的能力。的能力。 保障性是装备系统的固有属性，它包括两方面含义，即与装备保障有关的设计特性和保障资源的充分和适用程度。 装备具有可保障的特性（保障设计特性）和能保障的特性（保障资源）才是具有完整保障性的装备。8Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性基本
9、概念可靠性基本概念可用性：是在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下和规定可用性：是在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下和规定 时刻或时间区间内外于可执行规定功能状态的能力。时刻或时间区间内外于可执行规定功能状态的能力。 固有可用性是可靠性、维修性和维修保障的综合反映。 使用可用性受可靠性、维修性、维修保障性和外部资源的影响。可信性：是一个集合性术语，用来表示可用性及其影响因素：可靠性、维修可信性：是一个集合性术语，用来表示可用性及其影响因素：可靠性、维修 性、维修保障。性、维修保障。 可信性仅用于非定量条款中的一般描述，可信性的定性和定量具体要求是通过可用性、可靠
10、性、维修性，维修保障性的定性和定量要求表达的。 9Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性基本概念可靠性基本概念可靠度：可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为可靠度，一产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为可靠度，一般用般用 表示。表示。 :产品总数 :工作到t时刻产品发生的故障数故障（失效）率：故障（失效）率：工作到某时刻尚未发生故障（失效）的产品，在该时刻后单位时间内发生故工作到某时刻尚未发生故障（失效）的产品，在该时刻后单位时间内发生故障（失效）的概
11、率，称之为产品的故障（失效）率，也称瞬时故障（失效）障（失效）的概率，称之为产品的故障（失效）率，也称瞬时故障（失效）率。故障率一般用率。故障率一般用 表示。表示。 :t时刻后， 时间内的发生故障的产品数。 :所取时间间隔 :在t时刻没有发生故障的产品数。 10Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性基本概念可靠性基本概念平均失效（故障）前时间（平均失效（故障）前时间（MTTFMTTF）：）：设设 个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得其全部失效时间为个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得其
12、全部失效时间为 , ,其平均失效前时间（其平均失效前时间（MTFFMTFF）为：）为： (产品寿命服从指数分布)平均故障间隔时间（平均故障间隔时间（MTBFMTBF）一个可修复产品在使用过程中发生了一个可修复产品在使用过程中发生了 次故障，每次故障修复后又重新次故障，每次故障修复后又重新投入使用，测得其每次工作持续时间为投入使用，测得其每次工作持续时间为 ，其平均故障间隔时间，其平均故障间隔时间MTBFMTBF为为 ： (完全修复产品) T 为产品总的工作时间11Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可
13、靠性基本概念可靠性基本概念贮存寿命贮存寿命产品在规定条件下贮存时，仍能满足规定质量要求的时间长度。是产品贮存产品在规定条件下贮存时，仍能满足规定质量要求的时间长度。是产品贮存可靠性的量度。可靠性的量度。平均修复时间（平均修复时间（MTTRMTTR）在规定的条件下和规定的时间内，产品在任一规定的维修级别上，修复性维在规定的条件下和规定的时间内，产品在任一规定的维修级别上，修复性维修总时间与在该级别上被修复产品的故障总数之化。修总时间与在该级别上被修复产品的故障总数之化。 ：第i次修复时间 ：修复次数12Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta Confidentia
14、lQUANTATest Center可靠性基本概念可靠性基本概念 浴盆曲线浴盆曲线大多数不可修复产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，故将故障率曲线称大多数不可修复产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，故将故障率曲线称为浴盆曲线。为浴盆曲线。特征：故障率较高，且迅速下降。 故障主要是设计与制造中的缺陷，如 设计不当，材料缺陷，加工缺陷，安 装调整不当等，投入使用后很容易暴露出来。措施：加强质量管理及采用筛选等办法来减 少甚至消灭早期故障。特征：故障率较低，基 本平稳， 近似认 为故障率为常数。 由偶然因素引起。特征：故障率迅速上升，故障大量增加直至最后报 废。 故障主要由老化、疲劳、磨损、腐蚀
15、等耗损 性因素引起。措施：在耗损起始点到来之前停止使用，对耗损的 零件部件予于修维修、更换，可以降低产品 的故障率，延长产品的使用寿命。*高质量等级的电子产品其故 障率曲线在其寿命期内基本 是一条平稳的直线。而质量 低劣的产品可能存在大量的 早期故障或很快进入耗损故 障阶段。13Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性基本概念可靠性基本概念可靠性与产品质量的关系可靠性与产品质量的关系 产品质量是产品的一组固有特性，描述该产品满足顾客和其他相关方要产品质量是产品的一组固有特性，描述该产品满足顾客和其他
16、相关方要求的能力。求的能力。 产品固有特性包括：产品固有特性包括： 性能特性性能特性性能指标性能指标 及时性及时性开发周期和交货期开发周期和交货期 适应性适应性直观得出结论直观得出结论 专门性专门性可靠性、维修性和保障性（最关心）。可靠性、维修性和保障性（最关心）。 产品可靠性是产品性能随时间的保持能力，换句话说，要长时间地保持性产品可靠性是产品性能随时间的保持能力，换句话说，要长时间地保持性能就是不要出故障，不出故障或出了故障能很快维修好是产品很重要的质量特能就是不要出故障，不出故障或出了故障能很快维修好是产品很重要的质量特性。要使产品高可靠、好维修就要在产品开发中开展可靠性、维修性设计、试
17、性。要使产品高可靠、好维修就要在产品开发中开展可靠性、维修性设计、试验和管理工作。验和管理工作。14Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性试验可靠性试验可靠性试验目的可靠性试验目的 a、用试验数据来说明产品是否符合可靠性定量要求，以接收或拒收， 合格与不合格等。 b、通过对产品的可靠性试验发现产品设计、元器件 、零部件、原材料 和工艺方面的缺陷，以便采取有效的纠正措施，使产品可靠性增 长。可靠性试验分类可靠性试验分类 环境应力筛选试验 工程试验 可靠性增长试验 加速寿命试验 可靠性试验 可靠性测定
18、试验 统计试验 可靠性鉴定试验 可靠性验收试验恒定应力*步进应力*序进应力*15Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性试验可靠性试验环境应力筛选试验概念：是通过在产品上施加一定的环境应力，以剔除由不良元器件、零部件或 工艺缺陷引起的产品早期故障一种工序或方法。 1、通常这种早期故障用常规的方法和目视检查等是无法发现的。 2、环境应力不必准确模拟真实的环境条件，但不应超过设计能耐受的 极限，其大小应根据产品总体要求确定。 3、对电子产品施加环境应力最有效的是温度循环应力和随机振动。 4、不能提高产品
19、的固有可靠性。16Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性试验可靠性试验可靠性增长试验可靠性增长试验概念：是一个在规定的环境应力下，为暴露产品薄弱环节，并证明改进措施能概念：是一个在规定的环境应力下，为暴露产品薄弱环节，并证明改进措施能 防止薄弱环节再现而进行的试验。防止薄弱环节再现而进行的试验。 1、规定的环境应力可以是产品工作的实际环境应力、模拟环境应力或 加速变化的环境应力。 2、可靠性增长试验是通过发现故障、分析和纠正故障以及对纠正措施 的有效性而进行验证以提高产品可靠性水平的过程。一般称为
20、试验 分析改进。 3、增长试验包含对产品性能的监测、故障检测、故障分析及减少故障 再现的设计改进措施的检验。 4、试验本身并不能提高产品可靠性，只有采取了有效的纠正措施来防 止故障重现才能提高可靠性。 5、产品开发和生产过程中应促进自身的可靠性增长。17Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性试验可靠性试验加速寿命试验加速寿命试验概念：通过提高工作环境的应力水平来加速产品的失效，尽快地暴露产品设计概念：通过提高工作环境的应力水平来加速产品的失效，尽快地暴露产品设计 过程中的缺陷，发现故障模式，称这种
21、超过正常应力水平下的寿命试验过程中的缺陷，发现故障模式，称这种超过正常应力水平下的寿命试验 为加速寿命试验为加速寿命试验 。 1、恒定应力加速寿命试验 依据失效机理选定一组逐渐升高的应力水平。 直到每个应力水平均有一定数量的样品出现失效为止。 2、步进应力加速寿命试验 在选定加速应力水平下由低向高逐步提高应力水平。 每个水平上进行规定时间长度的寿命试验。 一般原则是要在不同加速应力水平上有一定量的累积失效样品。 3、序进应力加速寿命试验 原理同“步进应力加速寿命试验” 应力的改变是随时间连续变化的而非跳跃式增加。18Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta Con
22、fidentialQUANTATest Center可靠性试验可靠性试验可靠性测定试验可靠性测定试验目的：通过试验测定产品的可靠性水平。分类：定时截尾试验和定数截尾试验 1、定时截尾试验：测定试验是从t0时刻起投入若干产品进行寿命试 验，累计试验到规定的时间T*停止试验（即先定累计工作时间T*， 到T*时统计故障数r）。注意：当T*时产品没坏或全坏，则表明T*选择不适合。 2、定数截尾试验：测定试验是从t0时刻起投入若干产品进行寿命试 验，试验中出现的故障数到规定的r个故障数时停止试验（即先定故 障数r ，再统计累计工作时间T* 。 MTBF的点估计值 为： ：截尾试验时间 ：出现的故障数 ：
23、给定置信水平 ： 的相应单边置信下限 ：是自由度为 的 分布的 分位点19Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性试验可靠性试验可靠性鉴定试验可靠性鉴定试验概念：为了验证开发的产品的可靠性是否与规定的可靠性要求一致，用具有代概念：为了验证开发的产品的可靠性是否与规定的可靠性要求一致，用具有代 表性的产品在规定条件下所作的试验叫可靠性鉴定试验，并以此作为是表性的产品在规定条件下所作的试验叫可靠性鉴定试验，并以此作为是 否满足要求的依据。否满足要求的依据。 1、可靠性鉴定试验是一种验证试验。 2、验证试
24、验就其方法而言是一种抽样检验程序，与其他抽样验收区别 在于，它考虑的是与时间有关的产品质量特性，如平均故障间隔时 间（MTBF）。 3、寿命服从指数分布的定时截尾可靠性鉴定试验有标准的试验方案， 例如美国军标MIL-STD-781D，中国军用标准GJB899。20Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center可靠性试验可靠性试验可靠性验收试验可靠性验收试验概念：用已交付或可交付的产品在规定条件下所做的试验，以验证产品的可靠概念：用已交付或可交付的产品在规定条件下所做的试验，以验证产品的可靠 性不随生产期间工艺、
25、工装、工作流程、零部件质量的变化而降低，其性不随生产期间工艺、工装、工作流程、零部件质量的变化而降低，其 目的是确定产品是否符合规定的可靠性要求。目的是确定产品是否符合规定的可靠性要求。 1、验收试验是一种统计试验，可采用序贯试验方案、定时或定数截尾 试验方案。 2、验收试验所采用的试验条件要与可靠性鉴定试验中使用的综合环境 相同。 3、试验样品要能代表生产批，同时应定义批量大小。 4、可靠性试验开始前应在标准的环境条件下进行性能检测。 21Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest CenterMTBF计算计算 规则规
26、则(10(10规则规则) )当产品周围环境温度上升10时，产品寿命就会较少一半；当周围环境温度上升20时，产品寿命就会较少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响产品寿命的。人们利用升高环境温度可以加速失效现象发生的原理进行各种加速寿命老化试验。22Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest CenterMTBF计算计算加速系数计算加速系数计算 ：加速系数 ：激活能量=0.5eV ：波尔兹曼常数=8.623*10-5=0.000086eV/K ：参考环境温度=25+273=298(K) ：测试环境温度（开尔文温度单位）
27、 ：是极为常用的超越数之一= 2.718281828459计算当测试环境温度是35或40时，对应的加速系数分别是多少？ =1.88(35) =2.48(40) 阿伦尼斯（Arrhenius）模型23Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center1、MTBF计算举例： 80台样品在25环境条件下分别运行了2000小时，其中只有1个样品出现不良， 则MTBF是多少（要求置信水平90%）？（MTBF =41,131小时）2、试验时间计算举例： A部门抽20台新样品做寿命试验，依照客户要求MTBF要达到40000小时（
28、置信水 平90%）。a、若在25环境条件下试验,并且只有1台样品出现不良，则这些样品总运行时间为多少才能满足客户MTBF的要求？若每天按22小时计，完成试验需多少天？（T=155,600小时；88.4天）b、若在40环境条件下试验,并且也只有1台样品出现不良，则这些样品总运行时间为多少才能满足客户MTBF的要求？(T=62742小时；36天）MTBFMTBF和试验时间计算和试验时间计算24Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center分布的分位数表分布的分位数表(附件附件)25Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest Center分布的分位数表分布的分位数表(附件附件)26Quanta ConfidentialQUANTANBDCQuanta ConfidentialQUANTATest CenterQ&A27
