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MTBF&產品可靠度驗證編寫:劉法芝Date:Sep.03.2004随着电子技术的发展,对电子设备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.一.可靠度的基本概念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,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,最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.二.可靠性試驗的特點和分類电子设备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，一般说电子设备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.对于不同的电子设备，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来说是一个系统工程，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。三.MTBF術語MTBF:即平均无故障时间英文全称:MeanTimeBetweenFailure定義:衡量一个产品（尤其是电器产品）的可靠性指标,单位为“小时”.它反映了产品的时间质量,是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力.具体来说,是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔,它仅适用于可维修产品,同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF,磁盘阵列产品一般MTBF不能低于50000小时。四.MTBF測試原理1.加速壽命試驗(AcceleratedLifeTesting)1.1執行壽命試驗的目的在於評估產品在既定環境下之使用壽命.1.2常規試驗耗時較久,且需投入大量的金錢,而產品可靠度資訊又不能及時獲得並加以改善.1.3可在實驗室裡以加速壽命試驗的方法,在可接受的試驗時間裡評估產品的使用壽命.1.4是在物理與時間上,加速產品的劣化肇因,以較短的時間試驗來推定產品在正常使用狀態的壽命或失效率.但基本條件是不能破壞原有設計特性.1.5一般情況下,加速壽命試驗考慮的三個要素是環境應力,試驗樣本數和試驗時間.1.6一般電子和資訊業的零件可靠度模式及加速模式幾乎都可以從美軍規範或相關文獻查得,也可自行試驗分析,獲得其數學經驗公式.1.7如果溫度是產品唯一的加速因素,則可採用阿氏模型(ArrheniusModel),此模式最為常用.1.8引進溫度以外的應力,如濕度,電壓,機械應力等,則為愛玲模型(EyringModel),此種模式適用的產品包括電燈,液晶顯示元件,電容器等.1.9反乘冪法則(InversePowerLaw)適用於金屬和非金屬材料,如軸承和電子裝備等.1.10復合模式(CombinationModel)適用於同時考慮溫度與電壓作為環境應力的電子材料(如電容如下式為電解電容器壽命計算公式)1.11一般情況下,主動電子零件完全適用阿氏模型,而電子和資訊類成品也可適用阿氏模型,原因是成品類的失效模式是由大部分主動式電子零件所構成.因此,阿氏模型廣泛應用於電子,資訊行業.2.阿氏模型的加速因子2.1阿氏模型起源於瑞典物理化學家SvandteArrhenius1887年提出的阿氏反應方程式.R:反應速度speedofreactionA:溫度常數aunknownnon-thermalconstantEA:活化能activationenergy(eV)K:Boltzmann常數,等於8.623*10-5eV/0K.T:為絕對溫度(Kelvin)2.2加速因子加速因子即為產品在使用條件下的壽命(Luse)和高測試應力條件下(Laccelerated)的壽命的比值.如果產品壽命適用於阿氏模型,則其加速因子為:AF=e[Ea/K×(1/Ts-1/Tu)]Ts:室溫+常數273Tu:高溫+常數273K::Boltzmann常數,等於8.623*10-5eV/0K.2.3加速因子中活化能Ea的計算2.3.1一般電子產品在早夭期失效之Ea為0.2~0.6Ev,正常有用期失效之Ea趨近於1.0Ev;衰老期失效之Ea大於1.0Ev.2.3.2根據HP可靠度工程部(CRE)的測試規範,Ea是機台所有零件Ea的平均值.如果新機種的Ea無法計算,可以將Ea設為0.67Ev,做常數處理.2.3.3但是,Dell和Motorola機種的Ea因客戶有特殊要求須設為0.6Ev.2.3.4如按機臺所有零件Ea的平均值來計算,則可按以以例證參考進行.注:對各類電子零部件其Ev值可按上述參考值進行計算五.MTBF推算方法1.由MTBF定義可知,规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF,指數(Exponential)分布是可靠度統計分析中使用最普遍的機率分布.指數分布之MTBF數值為失效率λ的倒數,故一旦知道λ值,即可由可靠度函數估算產品的可靠度.MTBF=TotalOperating(Hrs)/TotalFailures2.MTBF的估計值符合卡方分配原理,其語法為:CHIINV(probability,degrees_freedom)或2X(probability,degrees_freedom)故有以下公式:MTBFTrlower=+-222212cf(,)MTBFTrupper=+22212cf(,)T=TotalHoursr=NumberoffailuresΦ=Confidenceinterval注:Iftherearenofailuresthen:(如果未有不良發生)MTBFlower=T/-ln(ConfidenceInterval)六.DMTBF計算DMTBF:平均无故障时间验证英文全稱:DemonstrationMeantimeBetweenfailures計算方法:以温度为加速寿命试验且采用阿氏加速寿命模式(ArrheniusModel)計算公式:(實際使用中,如需要可在分子上乘上24Hrs以方便計算時數)Duration=[(MTBFspec/2)*GEMfactor]/(DC*Samplesize*Afpowr*AF)Duration:持續測試時間MTBFspec:平均无故障时间GEMfactor:GeneralExponentialModel綜合指數DC:Dutycycle占空比Samplesize:樣本數Afpower:加速系數AF:加速因子謝經理:此公式是華億現行的公式,但和LITOIN企業的不一樣,LITOIN的公式里沒有2這個分母,所以按此公式算,華億在做壽命測試時時間要比LITOIN的短,請確認1.Duration:持續測試時間即一個單位或幾個單位的樣品在進行壽命試驗時總的需要測試的時間2.GEMfactor:GeneralExponentialModel綜合指數此指數一般取常數,其取值標準為按照ConfidenceLevel進行取值,常用的值為80%信心水準取3.22;而90%信心水準時取2.3026.(華億現行標準均采用80%信心水準)3.DC:Dutycycle占空比即在機臺進行開關運行過程中,運行時間占總時間的百分比.(如45minON/15minOFF則其DC值即為:45min/(45min+15min)=0.754.Samplesize:樣本數根據實際狀況確認的作壽命試驗的機臺數5.MTBFSpec:平均无故障时间規格書上訂明的機臺MTBF時間數6.AFpower:加速系數即在機臺進行開關運行過程中,1小時時間和一個Cycle的ON和OFF時間之和的比值,如:機臺選擇25minON/5minOFF則Afpower值為:AFpower=60min/(25+5)min=27.AF:加速因子,產品在使用條件下的壽命(Luse)和高測試應力條件下(Laccelerated)的壽命的比值(見2.2所述)七.進行可靠性試驗時時間和取樣數的變異技巧在進行機種可靠性驗證計劃時,如算得的實驗時數過長,可以以增加驗證機臺數量按比例來減少壽命測試的時間的修正方法,如:在進行可靠性計劃時如果算得的1個單位的機臺其壽命測試時間為1280Hrs,則可以增加實驗機臺數,如使用10個單位的機臺進行測試,而1個單位的總測試時間可平均分配至10個單位的機臺上,即1280Hrs/10=128Hrs或7Days八.實例1.根據客訴/退不良計算量產機種MTBF:70899*435*24TotalHours/TotalFailures2.根據specMTBF計算可靠性驗證時數和取樣數(EA值參考14頁)3.當樣品不足導致測試時間過長時采用分批驗證:(1)經推算TG-3008其1個單位的樣品壽命測試時數如下:(2)因為樣機不能在一個批次同時取到,每次只能取部分樣品,所以,必須采用分批實驗的方法進行,分批實驗的方法如下:THEEND!