一、可靠性設(shè)計(jì)基本概念

可靠性設(shè)計(jì)是根據(jù)可靠性要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)過(guò)程,其核心是可靠性分析與可靠性評(píng)估,通過(guò)產(chǎn)品可靠性要求的轉(zhuǎn)換可獲取產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo),可靠性設(shè)計(jì)的目的是提高產(chǎn)品的固有可靠性,而制造質(zhì)量控制只能使產(chǎn)品可靠性盡可能接近固有可靠性。

1．可靠性設(shè)計(jì)的定義

可靠性設(shè)計(jì),是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,為滿(mǎn)足產(chǎn)品可靠性要求,將產(chǎn)品性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)進(jìn)行綜合分析與設(shè)計(jì)的過(guò)程,目的是通過(guò)可靠性分析與可靠性評(píng)估,從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、工藝、使用條件等方面不斷優(yōu)化可靠性設(shè)計(jì)方案,消除潛在故障模式,使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿(mǎn)足預(yù)期性能要求和可靠性要求。

產(chǎn)品可靠性要求,包括定量和定性指標(biāo)要求,它們是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的依據(jù)。其中,系統(tǒng)裝備級(jí)的可靠性定量指標(biāo)要求(基本可靠性)有平均失效間隔時(shí)間(MTBF)、平均故障間隔飛行時(shí)間(MFHBF)、可靠壽命(tr)等;元器件級(jí)的可靠性定量指標(biāo)要求有:失效率(λ)、耗損壽命(twear)、貯存壽命(tstorage)。系統(tǒng)裝備級(jí)的定性可靠性指標(biāo)要求有不允許發(fā)生致命故障、滿(mǎn)足制定的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;元器件級(jí)的可靠性定性指標(biāo)要求有滿(mǎn)足質(zhì)量保證等級(jí)、必須消除和控制主要失效模式。

將產(chǎn)品可靠性要求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)要求,核心是將裝備可靠性指標(biāo)分配給各單元和元器件,將元器件可靠性指標(biāo)分解為元器件內(nèi)部各物理結(jié)構(gòu)的失效控制要求,使之成為在設(shè)計(jì)層面支撐可靠性分析與評(píng)估的具有可操作性的設(shè)計(jì)指標(biāo),讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)師有針對(duì)性、有目標(biāo)地開(kāi)展可靠性定性和定量設(shè)計(jì)。

一旦產(chǎn)品完成了可靠性設(shè)計(jì),也就確定了所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的固有可靠性,后續(xù)制造產(chǎn)品所進(jìn)行的工作,如:制造加工、裝配、封裝等,由于受工藝參數(shù)的離散性限至,也只能使產(chǎn)品的可靠性盡可能地接近固有可靠性,而不能期望其超越固有可靠性。

2．可靠性設(shè)計(jì)基本要求

1)可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)

產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是確定可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo),即將產(chǎn)品可靠性要求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)要求,可以通過(guò)可靠性指標(biāo)分配或可靠性指標(biāo)分解,獲得產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

系統(tǒng)裝備級(jí)的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo),由產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分配獲得,即通過(guò)指標(biāo)分配將整個(gè)系統(tǒng)的可靠性要求轉(zhuǎn)換為每個(gè)分系統(tǒng)、每個(gè)單元、每個(gè)元器件的可靠性要求。例如,航空電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)要求有三項(xiàng):表征連續(xù)或間斷工作××小時(shí)的工作壽命,表征工作壽命至少應(yīng)當(dāng)有××小時(shí)的總工作壽命,表征可靠性的平均失效間隔時(shí)間(MTBF)。其中,MTBF指標(biāo)的分配,以f(R1,R1,…,Rn)≥R為原則,對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分配,獲得n個(gè)分系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;再對(duì)分系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分配,獲得單元、元器件的可靠度設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,并可通過(guò)計(jì)數(shù)法進(jìn)行初步可靠性預(yù)計(jì),優(yōu)化調(diào)整各單元、各元器件的可靠性指標(biāo)。

電子元器件的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo),由產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分解獲得,即通過(guò)指標(biāo)分解將元器件的可靠性要求轉(zhuǎn)換為內(nèi)部各物理結(jié)構(gòu)的退化機(jī)理和失效模式的控制要求。例如,半導(dǎo)體晶體管的“耗損壽命”指標(biāo),可分解為微電子芯片TDDB、Al_EM退化機(jī)理與Au-Al絲鍵合界面退化機(jī)理等多個(gè)退化機(jī)理的失效時(shí)間控制指標(biāo),產(chǎn)品最終耗損壽命取決于多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)失效時(shí)間;再如,混合集成電路(HIC)的熱性能控制指標(biāo)“所用元器件工作溫度不應(yīng)超出規(guī)定的溫度上限”,可具體分解為內(nèi)裝硅器件極限溫度不超過(guò)175℃、長(zhǎng)期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級(jí)降額溫度,阻容元件極限溫度不超過(guò)125℃、長(zhǎng)期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級(jí)降額溫度,感性元件極限溫度不超過(guò)200℃、長(zhǎng)期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級(jí)降額溫度。

通常,電子元器件產(chǎn)品的可靠性要求,用失效率λ和壽命t以及環(huán)境適應(yīng)性來(lái)表征,將其可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求分解并轉(zhuǎn)換為元器件可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)。可參照四個(gè)方面的設(shè)計(jì)考慮進(jìn)行可靠性指標(biāo)分解:

● 元器件的主要性能參數(shù)在規(guī)定條件下隨時(shí)間的穩(wěn)定程度(參數(shù)退化模型分析);

● 元器件所能適應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力范圍(溫度、機(jī)械、潮濕、鹽霧、輻照、低氣壓等環(huán)境);

● 元器件壽命、失效率或質(zhì)量等級(jí)(耗損壽命、隨機(jī)失效率、質(zhì)量保證等級(jí));

● 必須消除或控制的主要失效模式(過(guò)應(yīng)力失效、退化性失效)。

2)可靠性設(shè)計(jì)基本內(nèi)容

產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容包括四個(gè)方面[74]:性能可靠性設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)、工藝可靠性設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。涵蓋了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、工藝的可靠性設(shè)計(jì),以及考核產(chǎn)品可靠性滿(mǎn)足質(zhì)量要求的篩選與評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

性能可靠性設(shè)計(jì):針對(duì)產(chǎn)品性能參數(shù)在規(guī)定環(huán)境應(yīng)力范圍隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性要求,所開(kāi)展的可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容?？梢酝ㄟ^(guò)降低復(fù)雜度、功耗,考慮性能容錯(cuò)、裕度、散熱、冗余等措施,實(shí)施性能可靠性設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì):針對(duì)產(chǎn)品各部分連接、組裝及整體結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求,所開(kāi)展的結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)選設(shè)計(jì)。可以通過(guò)仿真模擬和電、熱、機(jī)械等物理性能測(cè)試驗(yàn)證手段,實(shí)施結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)。

工藝可靠性設(shè)計(jì):針對(duì)產(chǎn)品在制造過(guò)程中工藝參數(shù)的波動(dòng)性和產(chǎn)品性能參數(shù)的離散性控制要求,所開(kāi)展的工藝質(zhì)量穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。可以通過(guò)健壯設(shè)計(jì)分析,量化控制關(guān)鍵工藝點(diǎn)的控制參數(shù)和范圍,實(shí)施工藝可靠性設(shè)計(jì),有效減少工藝參數(shù)偏差對(duì)產(chǎn)品性能參數(shù)穩(wěn)定性的影響。

可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì):針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)鑒定的可靠性評(píng)價(jià)要求,設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方案,包括對(duì)試驗(yàn)應(yīng)力、失效判據(jù)、樣品數(shù)量、試驗(yàn)時(shí)間及測(cè)量周期的設(shè)計(jì)等。結(jié)合產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)、工藝的特點(diǎn)和可靠性要求,實(shí)施可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3)裝備可靠性設(shè)計(jì)與分析

產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是設(shè)計(jì)過(guò)程中的可靠性分析和可靠性評(píng)估,通過(guò)全面的可靠性分析和可靠性評(píng)估,確定所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否滿(mǎn)足可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并優(yōu)化設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)GJB 450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》,工作項(xiàng)目300系列,針對(duì)裝備產(chǎn)品給出了可靠性設(shè)計(jì)與分析的13個(gè)工作項(xiàng)目:

● 建立可靠性模型:用于定量分配、預(yù)計(jì)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性;

● 可靠性分配:將產(chǎn)品的可靠性定量要求分配到規(guī)定的產(chǎn)品層次;

● 可靠性預(yù)計(jì):預(yù)計(jì)產(chǎn)品的基本可靠性和任務(wù)可靠性,評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案是否滿(mǎn)足可靠性要求;

● 失效模式、影響及危害性分析(FMECA):找出潛在的薄弱元器件和零部件;

● 故障樹(shù)分析(FTA):尋找導(dǎo)致裝備發(fā)生某種故障事件的所有可能的潛在原因事件;

● 潛在分析:針對(duì)電路的潛在通路分析(SCA),針對(duì)液/氣管路的潛在通路分析;

● 電路容差分析(CTA):分析電路組成部分在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的參數(shù)偏差對(duì)電路性能容錯(cuò)的影響;

● 制定可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求,制定專(zhuān)用的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并實(shí)施;

● 元器件、零部件和原材料選擇與控制:根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn),制定選擇與控制要求;

● 確定可靠性關(guān)鍵產(chǎn)品:基于FMECA、FTA方法,確定和控制對(duì)裝備可靠性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵元器件等;

● 確定功能測(cè)試、包裝、儲(chǔ)存、裝卸、運(yùn)輸和維修對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響:通過(guò)測(cè)試與分析,評(píng)估功能測(cè)試對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響及影響程度、儲(chǔ)存時(shí)間及儲(chǔ)存條件變化等給產(chǎn)品可靠性帶來(lái)的影響;

● 有限元分析(FEA):當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)基本確定時(shí),采用FEA方法進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度、熱特性分析,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題;

● 耐久性分析:通過(guò)評(píng)價(jià)產(chǎn)品載荷應(yīng)力、失效機(jī)理,對(duì)關(guān)鍵或“短板壽命”零部件進(jìn)行耗損壽命分析,確定耗損故障根本原因并采取糾正措施。

4)電子元器件可靠性設(shè)計(jì)與分析

為使設(shè)計(jì)的元器件滿(mǎn)足規(guī)定的可靠性指標(biāo)要求,需要根據(jù)電子元器件性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),從以下六個(gè)方面考慮可靠性設(shè)計(jì)與分析工作。

(1)耐環(huán)境設(shè)計(jì)與分析。電子元器件在整機(jī)裝備的工作過(guò)程中,可能遇到溫度、機(jī)械、潮濕、電磁場(chǎng)、鹽霧、輻照、低氣壓等不同類(lèi)型的環(huán)境應(yīng)力或多種環(huán)境應(yīng)力耦合的作用。不同的環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致不同的失效問(wèn)題,如:高溫、溫變應(yīng)力及其應(yīng)力耦合,導(dǎo)致焊點(diǎn)或焊接界面IMC生長(zhǎng)、焊料蠕變疲勞退化,而機(jī)械沖擊可能導(dǎo)致金屬氣密封裝蓋板塌陷。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)先了解所設(shè)計(jì)元器件在整機(jī)中可能遇到的環(huán)境應(yīng)力類(lèi)型,分析元器件在整機(jī)條件下對(duì)環(huán)境應(yīng)力的響應(yīng)水平,并建立應(yīng)力響應(yīng)模型(熱阻模型、諧響應(yīng)模型等),分析其對(duì)元器件性能、可靠性的影響程度,按最壞情況采取設(shè)計(jì)對(duì)策,使元器件耐環(huán)境應(yīng)力強(qiáng)度(破壞閾值)大于最壞情況下的應(yīng)力響應(yīng)水平。

(2)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與分析。分析同類(lèi)元器件產(chǎn)品性能參數(shù)在規(guī)定條件下隨時(shí)間變化的規(guī)律,針對(duì)元器件性能參數(shù)產(chǎn)生蠕變、漂移、突變、瞬時(shí)變化或間歇變化的根本原因,采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施,使元器件性能參數(shù)穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。

(3)熱設(shè)計(jì)與分析。分析溫度變化對(duì)所設(shè)計(jì)元器件可靠性的影響,以及元器件工作時(shí)導(dǎo)致溫升的熱量來(lái)源,包括環(huán)境溫度變化、自身功耗熱量和內(nèi)部多熱源熱耦合導(dǎo)致的溫升,針對(duì)導(dǎo)致元器件溫升的根本原因,通過(guò)降低功耗、熱補(bǔ)償?shù)却胧?選用合適的、耐熱的且熱穩(wěn)定性好的封裝材料,利用熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射技術(shù)增強(qiáng)散熱能力,使額定工作狀態(tài)下的元件熱點(diǎn)溫度、器件結(jié)溫不超過(guò)允許的溫度上限。

(4)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)與分析。分析影響元器件耗損壽命的退化機(jī)理,如:半導(dǎo)體器件的TDDB、EM等,液體鉭電解電容器的電解液蒸發(fā),金屬封裝外殼腐蝕,焊點(diǎn)疲勞等,要采取延緩?fù)嘶?、延長(zhǎng)耗損失效時(shí)間的設(shè)計(jì)措施,使元器件退化機(jī)理的失效時(shí)間大于規(guī)定的耗損壽命要求。

(5)失效模式分析與控制。收集同類(lèi)元器件的失效模式,分析其失效機(jī)理,根據(jù)失效頻次排出失效模式主次順序。可以應(yīng)用元器件FEMA及FTA方法,分析主要失效模式的失效機(jī)理,確定失效機(jī)理過(guò)程的長(zhǎng)期作用應(yīng)力或短時(shí)間隨機(jī)過(guò)應(yīng)力及其來(lái)源,從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)三個(gè)層面分析發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致失效的原因,提出針對(duì)性的糾正措施并驗(yàn)證,使主要失效模式得到有效控制。

(6)裕度設(shè)計(jì)與分析。對(duì)元器件的工作電應(yīng)力容限與安全工作區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,使元器件的電流、電壓、功耗所限定的安全工作區(qū)邊界大于實(shí)際工作區(qū),并根據(jù)元器件質(zhì)量水平、工作狀態(tài)和可靠性要求,對(duì)額定功率的設(shè)計(jì)留有適當(dāng)?shù)脑６?。結(jié)合耐環(huán)境設(shè)計(jì)與分析獲得的應(yīng)力響應(yīng)模型,根據(jù)元器件的熱性能、機(jī)械性能等物理性能要求,使元器件的最大額定結(jié)溫、熱點(diǎn)溫度大于實(shí)際工作結(jié)溫、熱點(diǎn)溫度,使元器件的機(jī)械強(qiáng)度大于實(shí)際應(yīng)力載荷。根據(jù)可靠性要求和環(huán)境適應(yīng)性要求,計(jì)算合適的溫度裕度和機(jī)械裕度。

3．可靠性設(shè)計(jì)與浴盆曲線

大多數(shù)電子產(chǎn)品(電子設(shè)備或批量電子元器件)在使用中的失效率服從浴盆曲線特征。電子產(chǎn)品失效率浴盆曲線如圖1所示(實(shí)際上隨機(jī)失效階段遠(yuǎn)大于早期失效階段或耗損失效階段)。產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的目的,是要解決兩方面問(wèn)題:提高固有可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

提高固有可靠性包括兩個(gè)方面:一是降低或控制隨機(jī)失效階段的失效率λ,即降低或控制浴盆曲線盆底的高度;二是延長(zhǎng)或控制耗損壽命t,即延長(zhǎng)或控制浴盆曲線盆底的長(zhǎng)度(t=t2-t1)。提高環(huán)境適應(yīng)性包括:提高產(chǎn)品耐受溫度、機(jī)械、潮濕、電磁場(chǎng)、鹽霧、輻照、低氣壓等環(huán)境應(yīng)力的能力或強(qiáng)度,即增加或控制產(chǎn)品適應(yīng)載荷應(yīng)力的設(shè)計(jì)裕度。

為保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的固有可靠性和環(huán)境適應(yīng)性,設(shè)計(jì)時(shí)在產(chǎn)品工作應(yīng)力與耐受極限之間要有足夠的裕度,如半導(dǎo)體器件工作結(jié)溫與最高允許結(jié)溫之間的溫度裕度、混合集成電路(HIC)一階模態(tài)頻率與振動(dòng)考核頻率極限2000Hz之間的機(jī)械裕度等。例如,HIC技術(shù)規(guī)范給出的工作殼溫范圍:-55～+125℃,內(nèi)裝器件最高允許結(jié)溫為+175℃,Ⅲ級(jí)降額要求為+145℃,預(yù)期HIC長(zhǎng)期工作殼溫為+70℃,若內(nèi)裝器件在殼溫為+125℃時(shí)的工作結(jié)溫為155℃,則器件最高工作結(jié)溫與最高允許結(jié)溫之間的溫度裕度為20℃;若內(nèi)裝器件在殼溫+70℃時(shí)的工作結(jié)溫為100℃,則器件長(zhǎng)期工作結(jié)溫與最高允許結(jié)溫之間的溫度裕度為75℃,有效降低了器件過(guò)熱失效風(fēng)險(xiǎn)和隨機(jī)失效率。

圖1 電子產(chǎn)品失效率浴盆曲線

4．可靠性設(shè)計(jì)與全壽命周期

產(chǎn)品全壽命周期的可靠性有四個(gè)明顯的特征。設(shè)計(jì)階段,通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)賦予所設(shè)計(jì)產(chǎn)品一個(gè)固有可靠性(R0);制造階段,形成產(chǎn)品可靠性(R1),通過(guò)工藝質(zhì)量控制使R1盡可能接近R0;篩選階段,通過(guò)剔除缺陷產(chǎn)品提升批產(chǎn)品可靠性(R2)與質(zhì)量水平,篩選過(guò)程降低了質(zhì)量問(wèn)題(缺陷)對(duì)失效率的貢獻(xiàn),但不能提高產(chǎn)品耗損壽命,使R2更接近于R0;使用階段,在長(zhǎng)期應(yīng)力載荷和工作狀態(tài)下,產(chǎn)品使用可靠性是會(huì)隨時(shí)間下降的。電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)在全壽命周期的定位如圖2所示。

圖2 電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)在全壽命周期的定位

產(chǎn)品使用階段質(zhì)量問(wèn)題的歸零分析,涉及產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造質(zhì)量控制、產(chǎn)品篩選應(yīng)力選擇和產(chǎn)品使用條件保證。若退化性問(wèn)題或耗損壽命失效問(wèn)題突出,則通過(guò)優(yōu)化可靠性設(shè)計(jì)解決;若質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的隨機(jī)性失效問(wèn)題突出,則通過(guò)強(qiáng)化工藝質(zhì)量穩(wěn)定性控制解決;若早期失效問(wèn)題突出,則通過(guò)提高篩選應(yīng)力和增加篩選項(xiàng)目解決;若明顯的異常過(guò)應(yīng)力失效問(wèn)題突出,則通過(guò)使用條件保證、抑制異常沖擊來(lái)解決。

研究表明,雖然通過(guò)提高篩選應(yīng)力和增加篩選項(xiàng)目,能夠有效降低電子元器件的失效率水平,例如,JAN軍級(jí)與JANS宇航級(jí)半導(dǎo)體器件的基本失效率相差兩個(gè)數(shù)量級(jí),這是由于后者采取100%篩選并增加額外篩選項(xiàng)目,但需要注意的是篩選只能降低器件質(zhì)量缺陷因素對(duì)失效率的貢獻(xiàn),而不能降低器件耗損問(wèn)題和環(huán)境應(yīng)力因素對(duì)失效率的貢獻(xiàn),見(jiàn)圖1,耗損問(wèn)題對(duì)失效率和壽命的影響,只能通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)解決。

二、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,是從軍方作戰(zhàn)成功率的需求開(kāi)始的,圍繞裝備故障的消除和維修成本的控制,從設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)到設(shè)計(jì)方法,再上升為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求,即:經(jīng)驗(yàn)→方法→標(biāo)準(zhǔn),從而形成標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性設(shè)計(jì)與分析工作項(xiàng)目,指導(dǎo)人們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)與分析,挖掘和明確產(chǎn)品潛在的隱患和薄弱環(huán)節(jié),系統(tǒng)性和有針對(duì)性地進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

1．可靠性設(shè)計(jì)需求與發(fā)展

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì),起源于軍用電子裝備故障控制與高昂維修費(fèi)用控制的需求,隨著裝備復(fù)雜程度的增加而不斷發(fā)展和系統(tǒng)化。

1)可靠性設(shè)計(jì)的需求

20世紀(jì)40年代至80年代,美軍航空電子設(shè)備的技術(shù)性能及復(fù)雜程度發(fā)展迅速,在研發(fā)費(fèi)用和維修費(fèi)用不斷攀升的同時(shí),軍方越來(lái)越迫切地意識(shí)到故障控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性和必要性。50年代,美軍戰(zhàn)斗機(jī)電子設(shè)備費(fèi)用占飛機(jī)總費(fèi)用的10%～20%;60年代至70年代,占比提高到20%～30%;此后,新一代航空電子設(shè)備費(fèi)用以每年18%的速度增長(zhǎng),這個(gè)速度比新一代飛機(jī)費(fèi)用的增長(zhǎng)速度更快。實(shí)際上,從20世紀(jì)40年代至80年代,美軍新一代武器系統(tǒng)的費(fèi)用平均每10年增加4倍,而配套電子設(shè)備子系統(tǒng)的費(fèi)用平均每10年增加9倍。同時(shí),在20世紀(jì)60年代至70年代,每年美軍電子設(shè)備的保障維修費(fèi)用占軍用電子設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用的1/3以上。

在這期間,盡管發(fā)現(xiàn)各種元器件的可靠性以每年15%～20%的速度在提高,而復(fù)雜裝備電子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)可靠性卻幾乎保持不變;同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著設(shè)備系統(tǒng)費(fèi)用的提高,現(xiàn)場(chǎng)可靠性呈下降趨勢(shì),如20世紀(jì)70年代,美國(guó)陸軍通信系統(tǒng)MTBF=10^7/費(fèi)用(美元)。存在上述問(wèn)題,原因主要有三個(gè)方面。

(1)雖然電子元器件的可靠性已有很大的提高(如微電子器件),但電子設(shè)備復(fù)雜程度提高的速度更快,設(shè)備有了更多的功能和更高的性能,數(shù)量越來(lái)越多的元器件使電子設(shè)備基本可靠性下降,以至于將元器件可靠性增長(zhǎng)的部分抵消了。

(2)設(shè)備系統(tǒng)中元器件數(shù)量的激增,凸顯元器件選用不當(dāng)或承受過(guò)應(yīng)力的可靠性問(wèn)題,如溫度裕度不足,使元器件固有可靠性的基本失效率增大并使耗損壽命縮短。

(3)新型元器件的研發(fā)和采用,快速提升了設(shè)備性能和功能,但新材料、新工藝導(dǎo)致的失效問(wèn)題,需要有一個(gè)解決過(guò)程。

因此,由于電子設(shè)備復(fù)雜性不斷提高、元器件選用不當(dāng)和承受過(guò)應(yīng)力,導(dǎo)致設(shè)備基本可靠性下降,維修成本飆升,迫使人們?cè)谠O(shè)備研發(fā)過(guò)程中重視可靠性設(shè)計(jì),并在設(shè)備最優(yōu)性能與可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡。

2)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展

從裝備可靠性工程和相關(guān)可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的頒布,可以看出可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)方法在工程應(yīng)用中得到不斷進(jìn)步和發(fā)展。

國(guó)外可靠性工程技術(shù)及可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展進(jìn)程如下。

(1)1939年,美國(guó)航空委員會(huì),出版《適航性統(tǒng)計(jì)學(xué)注釋》,首次提出飛機(jī)故障率不應(yīng)超過(guò)10^-5次/h的指標(biāo),是最早的飛機(jī)安全性和可靠性定量指標(biāo)。

(2)二戰(zhàn)期間,德國(guó)專(zhuān)家R．Lusser參與V-1火箭設(shè)計(jì),將火箭系統(tǒng)可靠度看成各子系統(tǒng)的可靠度乘積,首次定量計(jì)算復(fù)雜系統(tǒng)可靠性問(wèn)題,最早將概率論用于系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。

(3)1942—1946年,美國(guó)電子管研究委員會(huì),針對(duì)電子管失效問(wèn)題,組織進(jìn)行產(chǎn)品失效分析,設(shè)計(jì)改進(jìn)新材料和新工藝。

(4)1952年,美國(guó)國(guó)防部(DoD),成立“電子設(shè)備可靠性咨詢(xún)委員會(huì)”(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment, AGREE),制訂可靠性發(fā)展計(jì)劃,并在1957年發(fā)表了著名的《電子設(shè)備可靠性報(bào)告》,提出了一套完整的產(chǎn)品可靠性評(píng)估理論和方法。

(5)1962年,美國(guó)國(guó)防部,頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)》,1995年將217F修訂后不再升級(jí),1999年由美國(guó)國(guó)防部可靠性分析中心(RAC,現(xiàn)更名為RIAC)發(fā)布了配套PRISM軟件工具的217PlusTM,用于可靠性設(shè)計(jì)方案優(yōu)選。

(6)1965年,美國(guó)國(guó)防部,頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-785《系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性大綱要求》,1980年修訂為MIL-STD-785B,為系統(tǒng)和設(shè)備在研制、生產(chǎn)期間的可靠性工作提出一般性要求和指定工作項(xiàng)目。

(7)1978年,美國(guó)國(guó)防部,頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-251《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》,為軍用電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)、熱可靠性分析與鑒定提供了方法和基本理論。

(8)1984年,美國(guó)國(guó)防部,頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-338《電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)》,1998年修訂為MIL-HDBK-338B[91],為軍用系統(tǒng)和設(shè)備在研制與生產(chǎn)階段的可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提出了通用要求和工作項(xiàng)目。

(9)1992年,國(guó)際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)(IPC),頒布了IPC-SM-785《表面貼裝焊接連接加速可靠性測(cè)試指南》,給出了表面焊點(diǎn)熱疲勞退化壽命評(píng)估經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?1996年,頒布了IPC-D-279《可靠的外部貼裝技術(shù)印制電路板組件設(shè)計(jì)指南》[93],提供了板級(jí)組件標(biāo)貼組裝的可靠性設(shè)計(jì)方法和程序;2013年,修訂發(fā)布IPC-7095C《BGA設(shè)計(jì)及組裝工藝的實(shí)施》,給出了BGA可靠性設(shè)計(jì)的程序。

(10)1998年,電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE),頒布標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1413《電子系統(tǒng)和設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)和評(píng)估IEEE標(biāo)準(zhǔn)方法》,給可靠性預(yù)測(cè)提供了一個(gè)框架;2002年頒布標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1413．1TM《基于IEEE 1413TM的可靠性預(yù)計(jì)和使用導(dǎo)則》,提出了基于應(yīng)力損傷模型的可靠性評(píng)估方法,為電子元器件、組件、子系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)提供了全面可操作的方法。

(11)1998年,DoD方取消了MIL-STD-785B,參考應(yīng)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SAE JA1000(1998)《可靠性大綱標(biāo)準(zhǔn)》[85]和IEEE 1332—1998《電子系統(tǒng)和設(shè)備開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)可靠性大綱》[86]。

(12)2004年,固體技術(shù)協(xié)會(huì)(JEDEC),頒布標(biāo)準(zhǔn)JEP148《基于失效物理的風(fēng)險(xiǎn)和能力評(píng)估的半導(dǎo)體器件可靠性鑒定》,2014年修訂為JEP148B,提出了基于失效物理(PoF)的可靠性鑒定。

(13)2005—2008年,DoD基于SAE JA1000和IEEE1332的目標(biāo),出版了《實(shí)現(xiàn)可靠性、可用性和維修性(RAM)指南》;該指南沒(méi)有明確為實(shí)現(xiàn)每個(gè)目標(biāo)應(yīng)開(kāi)展的可靠性活動(dòng),因此DoD與工業(yè)界合作,制定了標(biāo)準(zhǔn)GEIA-STD-0009(2008)《系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制和制造可靠性大綱標(biāo)準(zhǔn)》[84],該標(biāo)準(zhǔn)圍繞載荷應(yīng)力、失效機(jī)理、失效模式,將可靠性設(shè)計(jì)工作系統(tǒng)化,為可靠性方案規(guī)劃提供實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)。

(14)2008—2016年,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)/國(guó)際貿(mào)易協(xié)會(huì)組織(VITA),頒布了ANSI/VITA51系列標(biāo)準(zhǔn),包括:ANSI/VITA51．0—2008(R2012)《可靠性預(yù)計(jì)》[94]、ANSI/VITA51．1—2008(R2013)《用于MIL-HDBK-217可靠性預(yù)計(jì)的子規(guī)范》[95]、ANSI/VITA51．2—2016《基于失效物理的可靠性預(yù)計(jì)》、ANSI/VITA51．3—2010(R2016)《支持可靠性預(yù)計(jì)的鑒定條件和環(huán)境應(yīng)力篩選》,提供了板級(jí)、封裝級(jí)、元器件級(jí)失效物理(PoF)方法的標(biāo)準(zhǔn)流程,有效支撐了電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)和評(píng)估。

國(guó)內(nèi)可靠性工程技術(shù)及可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展進(jìn)程如下。

(1)1955年,中國(guó)在廣州成立亞熱帶電信器材試驗(yàn)站(工業(yè)和信息化部電子第五研究所的前身),與蘇聯(lián)專(zhuān)家共同研究裝備在熱帶環(huán)境條件下的適應(yīng)性。

(2)1960年,中國(guó)引進(jìn)可靠性理念和技術(shù),在電子行業(yè)、宇航領(lǐng)域初步應(yīng)用。

(3)1970年,發(fā)展“七專(zhuān)”(專(zhuān)人、專(zhuān)機(jī)、專(zhuān)料、專(zhuān)批、專(zhuān)檢、專(zhuān)技、專(zhuān)線)質(zhì)量控制技術(shù),生產(chǎn)“七專(zhuān)”元器件產(chǎn)品,為了保證軍用元器件質(zhì)量,在20世紀(jì)70年代末和80年代初制訂了軍用元器件“七專(zhuān)”技術(shù)條件,但“七專(zhuān)”產(chǎn)品成本高、批量小。

(4)1980年,頒布GJB/Z 299《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》,使我國(guó)電子設(shè)備可靠性工作由定性研究轉(zhuǎn)入定量研究。

(5)1990年,頒布GJB 813—90《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)》,提供了建立電子設(shè)備和系統(tǒng)的基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型并進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)的程序方法。

(6)1992年,頒布GJB/Z 27—1922《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》(MIL251翻譯裁減);提供電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)、熱可靠性分析與鑒定的方法。

(7)1993年,頒布GJB/Z 35—1993《元器件降額準(zhǔn)則》,規(guī)定了元器件在不同應(yīng)用情況下應(yīng)降額參數(shù)及其量值。

(8)1994年,頒布SJ 20454—1994《電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)方法指南》(MIL338翻譯裁減),提供電子設(shè)備在研制與生產(chǎn)階段的可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、試驗(yàn)、費(fèi)用分析的通用要求。

(9)1998年,頒布GJB/Z 108—1998《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》;2006年,修訂發(fā)布GJB/Z 108A版。

(10)2004年,修訂頒布GJB 450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》,規(guī)定了裝備壽命周期內(nèi)開(kāi)展可靠性工作的一般要求和工作項(xiàng)目,提出了“可靠性設(shè)計(jì)與分析”(工作項(xiàng)目300系列)。

(11)2009年,修訂頒布GJB 1909A《裝備可靠性維修性保障性要求論證》,規(guī)定了裝備可靠性維修性保障性(RMS)要求和內(nèi)容以及需要確定的原則、程序和方法。

2．可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)體系及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)體系

根據(jù)GJB 1909關(guān)于裝備可靠性的定性要求和定量要求,以及GJB 450、GJB 20454關(guān)于裝備和電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)工作項(xiàng)目的要求,歸納總結(jié)電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)體系框圖如圖3所示。

圖3 電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)體系框圖

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)體系,由可靠性定性設(shè)計(jì)技術(shù)和可靠性定量設(shè)計(jì)技術(shù)兩部分構(gòu)成。其中可靠性定性設(shè)計(jì)是針對(duì)不易用定量指標(biāo)描述產(chǎn)品可靠性要求的設(shè)計(jì)技術(shù),如主要故障模式/失效模式控制技術(shù)、質(zhì)量等級(jí)保證技術(shù)等,但可以用定量計(jì)算的手段解決定性設(shè)計(jì)的問(wèn)題,例如,通過(guò)故障樹(shù)分析頂事件發(fā)生的概率確定主要故障模式或薄弱環(huán)節(jié);可靠性定量設(shè)計(jì)是針對(duì)產(chǎn)品可靠性定量指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)技術(shù),如失效率控制設(shè)計(jì)技術(shù)、耐久性保證設(shè)計(jì)技術(shù)、極限與裕度設(shè)計(jì)技術(shù)等,目的是保證產(chǎn)品的固有可靠性滿(mǎn)足失效率和壽命指標(biāo)要求。

在可靠性定性設(shè)計(jì)技術(shù)中,可靠性定性設(shè)計(jì)指標(biāo)確定技術(shù),由產(chǎn)品可靠性定性要求分析、壽命剖面分析、任務(wù)剖面分析等關(guān)鍵技術(shù)要素組成,目的是確定設(shè)計(jì)需要控制的主要失效模式;同樣,在可靠性定量設(shè)計(jì)技術(shù)中,可靠性定量設(shè)計(jì)指標(biāo)確定技術(shù),由產(chǎn)品可靠性定量要求分析、壽命剖面分析、任務(wù)剖面分析等關(guān)鍵技術(shù)要素組成,目的是確定設(shè)計(jì)需要達(dá)到的各項(xiàng)可靠性量化指標(biāo),如通過(guò)產(chǎn)品失效率分配確定各部件失效率控制指標(biāo),通過(guò)產(chǎn)品壽命要求和耐久性要求分析確定各關(guān)鍵部件的退化壽命指標(biāo),通過(guò)產(chǎn)品性能極限要求分析確定各關(guān)鍵部件的極限裕度指標(biāo),最終形成產(chǎn)品的專(zhuān)用可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2)可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1,覆蓋與產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的可靠性設(shè)計(jì)方法、可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)、可靠性預(yù)計(jì)方法、可靠性評(píng)估方法、潛在薄弱環(huán)節(jié)分析、設(shè)計(jì)評(píng)審和驗(yàn)證方法等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：符乾江