可靠性设计方法课件.ppt

来特荣(武汉)光电技术有限公司,1,可靠性基础入门,来特荣(武汉)光电技术有限公司,2,介绍,可靠性的定义可靠性设计方法可靠性试验可靠性保证可靠性实施可靠性计算,来特荣(武汉)光电技术有限公司,3,可靠性的定义,产品的可靠性是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。从定义本身来说，它是产品的一种能力，这是一个很抽象的概念；我们可以用个例子（100个学生即将参加考试）来理解这个定义，可靠性就是指：100个学生的考分的平均分是多少？对这个平均分的准确性有多大把握？分数越高、把握越大，可靠性就越高。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,4,我国的可靠性工作起步较晚，20世纪70年代才开始在电子工业和航空工业中初步形成可靠性研究体系，并将其应用于军工产品。其他行业可靠性工作起步更晚，差距更大，与先进国家差距2030年，虽然国家已制订可靠性标准，但尚未引起所有企业的足够重视。对产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，可以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作的时间就越长。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,5,可靠性的重要性,产品的可靠性很重要，它不仅影响生产公司的前途，而且影响到使用者的安全（前苏联的“联盟11号”宇宙飞船返回时，因压力阀门提前打开而造成三名宇航员全部死亡）。可靠性好的产品，不但可以减少公司的维修费用，而且可以很快就打出品牌，大幅度提升公司形象，增加公司收入。随着市场经济的发展，竞争日趋激烈，人们不仅要求产品物美价廉，而且十分重视产品的可靠性和安全性。要想在竞争中立于不败之地，就要狠抓产品质量，特别是产品可靠性，没有可靠性就没有质量，企业就无法在激烈的竞争中生存和发展。因此，可靠性问题必须引起政府和企业的高度重视，抓好可靠性工作，不仅是关系到企业生存和发展的大问题，也是关系到国家经济兴衰的大问题。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,6,可靠性指标,可靠度R（t）：它是产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。一批产品的数量为N，从t=0时开始使用，随着时间的推移，失效的产品件数逐渐增加，而正常工作的产品件数n(t)逐渐减少，用R(t)表示产品在任意时刻t的可靠度。失效率（故障率）（t）：它是指某产品工作到时间t之后，在单位时间t内发生失效的概率。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,7,可靠性指标,有效寿命与平均寿命：有效寿命一般是指产品投入使用后至达到某规定失效率水平之前的一段工作时间。而平均寿命MTTF对于不可修复产品，指从开始使用直到发生失效这一段工作时间的平均值；对于可修复的产品，是指在整个使用阶段和除维修时间之后的各段有效工作时间的平均值。平均无故障工作时间MTBF：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。其他如可靠度、有效度、维修度、平均维修时间等也是衡量产品可靠性水平的一种标准，但是一般以可靠寿命失效率就足以说明产品可靠性程度了。我们遇到的产品可分为两类：一类是不可修复的产品，如灯泡，晶体管、轴承等，另一类是可修复的产品，如电视机，计算机等。对不可修复的产品，平均寿命就是平均寿命终止时间，记为MTTF（Mean Time to Failure），对可修复的产品，平均寿命指的是平均无故障工作时间，记为MTBF（Mean Time Between Failure）。假如我们仅考虑首次失效前的一段时间，那么两者就没有什么区别了。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,8,浴盆曲线,浴盆曲线，分为三部分（I、II、III三部分）：第I部份是早期失效阶段。早期失效期的特点是失效发生在器件使用的初期，失效率较高，且随着工作时间的增加而迅速下降。早期失效的原因大多是由于器件本身存在的缺陷所造成的。进行合理的筛选，尽可能在交付使用前把早期失效的器件淘汰掉，可以使出厂器件的失效率达到或接近下述偶然失效期的水平，即达到或接近原设计水平。改进产品设计、加强材料和器件的质量控制，可以减少这一阶段的失效。,第II部份是中期稳定阶段（偶然失效阶段）。这段时间内，产品的失效率稳定在一个较低水平；从物理意义上理解，当少数产品的明显缺陷显露出来后，剩下的就是正常的产品，这部份产品可以较稳定、持久地工作，所以失效率也稳定在一个较低水平。偶然失效期的特点是失效率低，稳定，近似为常数。这个阶段中所发生的失效往往带有偶然性。偶然失效期是器件的良好使用阶段。第III部份是后期失效阶段；这段时间内，产品的失效率迅速上升；从物理意义上理解，到了后期，产品经过长时间的工作、磨损、老化，慢慢接近寿命终点，随着时间的增加，到达寿命终点的产品越来越多，失效率也就随之上升。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,9,可靠性设计方法,降额设计：为了提升电子设备的可靠性而常用，主要是指构成电子设备的元器件使用中所承受的应力（电应力和温度应力）低于元器件本身的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。冗余设计：一个系统的可靠度为MTBF6667H，达不到设计目标值MTBF8000H；如果把两个这样的系统“并联”起来，近似计算后也就满足了设计目标值。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,10,可靠性设计方法,热设计：对电子产品而言，一方面当温度升高时失效率会发生变化、一方面是有些元件只能在某一温度下使用，为了提升产品的可靠性，工作过程中，让系统稳定在一个合适的温度是非常必要的；这样，在设计的最初就应该考虑到热量的产生与发散的问题，这部份工作就是热设计的主要内容。半导体器件工作时会产生热量，因此要采取散热措施。常用的传热类型：传导散热、自然对流散热、辐射散热、半导体器件自然冷却,来特荣(武汉)光电技术有限公司,11,可靠性设计方法,EMC设计：电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源下，各种设备或系统可以共存而不致引起降级的一门科学。电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面。电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。要提升这种能力，有许多应用课题要解决，如：电磁波的散射、透射、传输、孔缝耦合，各种干扰源的机理和特性，各种干扰参数的计算和测试，各种结构的屏蔽效果，各种防护方法、测试方法、标准等等。对应设计的方法也有多种，如：防静电设计、防雷设计、防地电位升设计等等；一般从以下方面考虑，以保证产品的EMC特性：,来特荣(武汉)光电技术有限公司,12,可靠性设计方法,1、静电放电的防护。首先要阻止电流直接进入电子线路，最普通的办法就是建立完善的屏蔽结构，屏蔽层接到电路的公共接地点上。对内部的电路来说，如果需要与金属外壳相连时，必须采用单点接地的方式，防止放电电流流过这个电路，造成伤害。2、屏蔽。采用屏蔽的目的有两个：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。主要对电场、电磁场、磁场进行屏蔽（现实对磁场的屏蔽更难）。3、接地。接地的目的一是防电击，一是去除干扰。接地可分为两大类，即安全接地与信号接地。接地时应该注意：接地线愈短愈好、接地面应具有高传导性、切忌双股电缆分开安装、低频宜采用单点接地系统、高频应采用多点接地系统、去除接地环路。4、滤波。实际工作中，无法完全做好接地与屏蔽的工作。因此，会采用滤波（将不需要的信号去除）的方式来弥补不足，主要通过滤波电路来实现。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,13,可靠性测试,可靠性测试应该在可靠性设计之后，但目前我国的可靠性工作主要还是在测试阶段，而且大部分公司都会忽略最初的可靠性设计，当测试出现失效后才开始考虑设计。为了测得产品的MTBF，我们需要拿出一定的样品，做较长时间的运行测试，找出每个样品的失效时间，计算出MTBF，当然样品数量越多，测试结果就越准确。但是，这样的理想测试实际上是不可能的，因为对这种测试而言，要等到最后一个样品出现故障，需要的测试时间长得无法想象，要所有样品都出现故障需要的成本高得无法想象。为了测试可靠性，这里介绍：加速测试（也就增加应力*），使缺陷迅速显现；经过大量专家、长时间的统计，找到了一些增加应力的方法，转化成一些测试的项目。如果产品经过这些项目的测试，依然没有明显的缺陷，就说明产品的可靠性至少可以达到某一水平。应力：就是指外界各种环境对产品的破坏力，如产品在85下工作受到的应力比在25下工作受到的应力大；在高应力下工作，产品失效的可能性就大大增加了。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,14,产品在使用过程中，有不同的使用环境（有些安装在室外、有些随身携带、有些装在船上等等），会受到不同环境的应力（有些受到风吹雨湿、有些受到振动与跌落、有些受到盐雾蚀侵等等）；为了确认产品能在这些环境下正常工作，国标、行标都要求产品在环境方法模拟一些测试项目，这些测试项目包括：1).高温试验（高温运行、高温贮存）；2).低温试验（低温运行、低温贮存）；3).高低温交变试验（温度循环测试、热冲击测试）；4).高温高湿试验（湿热贮存、湿热循环）；5).机械振动试验；6).机械冲击试验；7).热冲击试验；8).光纤拉力试验；9).连接器插拔耐久性,环境试验：,来特荣(武汉)光电技术有限公司,15,测试条件；不同的产品测试条件不一样；就拿高温测试来说，有些产品要求做高温贮存测试，有些要求做高温运行测试，有些产品的高温用85做测试，有些产品的高温是用65做测试。但是，崇旨只有一个，那就是满足国/行标。要测试一种产品的可靠性，找到这种产品的国/行标是必需的，按照国/行标的要求和指引找出必须的测试项目与各项目的测试方法，从而进行环境测试。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,16,器件的物理特性（Physical Characteristic of Device）内部水汽含量密封性芯片剪切强度可焊性引线键合强度ESD灵敏度ESD抗扰度EMIEMC在旧版的468中对试验项目的分类：机械完整性、耐久性试验和特殊试验,来特荣(武汉)光电技术有限公司,17,可靠性保证,文件的控制原材料和供应商的控制生产过程和异常改善的控制产品贮存和运输的控制人员的培训,来特荣(武汉)光电技术有限公司,18,文件的控制,文件控制的基本要求：保证所有使用的文件都是有效文件。文件是知识的表现形式（如培训资料等）、是指导作业的基础（如操作指导文件等）、是衡量产品质量的标准（如检验规范等）、是处理异常事情的依据（如合同等），是一个公司必不可少的东西，而公司也应该确保文件的正确性和充分性。对文件的控制，包括对客户资料的控制、各种标准的控制、公司内部四级文件（质量手册、程序文件、操作指导、作业记录）的控制，一般由文控中心（或资料室）来完成文件的控制。为方便控制，所有要求控制的文件都应该有编号、版本号；文控中心通过对每一次发放做记录来完成新文件的发放、新旧文件的更换，保证使用者手上只有一个最新版本。为方便查找，文控中心可以通过一些Excel表格、Access数据库来管理文件。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,19,原材料和供应商的控制,原材料和供应商控制的基本要求：保证每个原材料满足技术图纸要求。对原材料，通过检验来控制质量。对原材料分为两类检验：一是性能方面的常规检验，针对每批进货检验，采用两方都同意的AQL依GB2828抽样、检验；二是可靠性方面的例行测试，在一段时间（一个月、或一个季度）内进行一次测试，采用两方都同意的RQL依GB2829抽样、检验。对检验结果的记录、统计和分析，也直接影响到采购量的多少，以及是否有必要更换供应商等等。一般要求，每种原材料至少有两家供应商。对供应商，主要能过产品质量、交货期、服务等方面考查，并给予适当的评价，必要时到供应商生产地点做现场审查；以确认供应商能及时地提供性能稳定的产品。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,20,生产过程和异常改善的控制,生产过程控制的基本要求：制作流程中的每个工艺都满足相应的规范要求；对生产过程而言，要求每次投入生产的物料都是合格物料并有明确的标识，每个工艺中用到的设备在有效校验期内、设备的参数设定正确，每个工位的操作过程与操作指导完全一致，每个工艺的输出满足标准要求，每个操作指导是最新有效版本等等。对生产过程中可靠性出现的异常，应该有记载，找出原因、分析改善、防止再发，并按改善后的内容，写入标准，指导今后作业。生产制作的控制主要考虑以下几个方面。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,21,生产工艺过程的可靠性控制,来特荣(武汉)光电技术有限公司,22,在工艺方面实行可靠性控制的两大任务：,通过完善工艺结构，改进工艺方法，制定与实施作业标准等措施，保障生产过程中减少乃至消除可靠性退化。通过工艺方面的可靠性分析、评审，找出影响可靠性的各种隐患，反馈给设计部门更改、改进设计质量，以提高产品的内在可靠性。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,23,设备的工艺可靠性控制,设备的工艺可靠性是指在规定范围和时间内，设备保持满足工艺过程中与其有关的质量指标数值的性质。它是引起产品可靠性退化的重要因素。依据设备在生产工艺过程中接受的任务不同，一般分为生产设备、检测设备和运输设备等，可靠性控制内容与要求主要有：,来特荣(武汉)光电技术有限公司,24,生产设备的工艺可靠性控制：生产设备的工艺可靠性与其本身的完善程度、自动化水平、工作原理与控制方式等情况有密切联系。用于自动控制的生产设备，则应重视和保证传感器、计算机程序等硬、软件的可靠性，以保证设备的工艺可靠性。检测设备的工艺可靠性控制：检测设备用于测量生产过程中工艺参数（此部份测试直接影响工艺过程的可靠性）或检验成品/半成品的质量状况（此部份虽本身不直接影响工艺过程的可靠性，但检测不正确既会影响对上道工序工艺可靠性做出正确评估，又影响下道工序的工艺可靠性）。设备使用过程的可靠性控制：绝大多数产品在使用期内的失效率与其使用状况密切相关。产品的可靠性随使用条件、使用时间而变化，如超额使用时，失效率提高，有效使用期缩短。因此，使用过程中的可靠性控制就成为可靠性管理十分重要的环节了。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,25,可靠性改进是生产过程中，提升可靠性的最有利手段，也是唯一可以使生产可靠性高出设计可靠性的方法。通过对工艺、设备的有效控制，可以使生产可靠性无限接近设计可靠性；只有在生产过程中对可靠性的改善，才可以让生产可靠性超过设计可靠性。依靠产品在可靠性测试时的不良、使用期的实际信息，进一步优化产品系统结构，采用新材料、新技术和新工艺，提高产品所用的各种元器件、零部件质量等级，必要时调整其安全系统和降额系数，以提高产品的可靠性水平，这些活动统称为可靠性改进。它是质量改进的重要组成部分，可以用PDCA循环来处理，也可以用SPC中的二十字真经来指导作业“找出异因、查明真象、改善措施、防止再犯、形成标准”。,可靠性改进：,来特荣(武汉)光电技术有限公司,26,产品贮存和运输的控制；产品贮存/运输控制的基本要求：不让产品受到额外的应力。对贮存而言，需要控制温、湿度，防止挤压、倒塌等，必要时防静电；运输过程中要防止受到超标准的振动、碰撞等，必要时控制温度、温度和静电。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,27,人员的培训 无论是从那个方面来说，人员的培训都应该做好。按照ISO9000的要求和规定，我们应该把各个岗位的人员培训到最合适的程度。在所有的培训当中，操作工人的培训最容易被忽视，在自动化程度不高的情况下，操作工人的培训恰恰是最重要的。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,28,可靠性实施制定可靠性试验实施计划执行可靠性试验编写可靠性试验报告,来特荣(武汉)光电技术有限公司,29,制定可靠性工作计划,主要内容包括：试验项目参考标准试验方法/条件试验地点抽样方案试验开始/结束日期失效判据,来特荣(武汉)光电技术有限公司,30,执行可靠性试验,根据试验实施计划中安排的试验项目，按照先后顺序进行试验，对公司内部具备试验条件的在内部进行试验，对不具备试验条件的（如没有相关试验设备等）试验要提前跟外协单位联系，以便在预定的时间能够进行试验。每一项试验完成后，应立即进行数据的统计分析和处理，若有失效器件，应立即填写试验报告，并将失效现象报告相关负责人，并组织相关人员成立失效分析小组进行失效分析。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,31,编写可靠性试验报告,试验结束后要编写可靠性试验报告，主要内容包括：简介目的样品描述试验设备程序试验结果结论,来特荣(武汉)光电技术有限公司,32,可靠性计算概率与统计可靠性常用的分布 指数分布 威布尔分布 对数正态分布主要要计算的可靠性参量是MTBF、失效率等。不同的分布有不同的计算公式，对光电器件，GR-468-CORE中推荐是对数正态分布，计算可根据468中推荐的公式计算。,来特荣(武汉)光电技术有限公司,33,谢谢大家！,