可靠性設(shè)計技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀分析

一、可靠性設(shè)計基本概念

可靠性設(shè)計是根據(jù)可靠性要求進行優(yōu)化設(shè)計的一個過程,其核心是可靠性分析與可靠性評估,通過產(chǎn)品可靠性要求的轉(zhuǎn)換可獲取產(chǎn)品可靠性設(shè)計指標(biāo),可靠性設(shè)計的目的是提高產(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)計的定義

可靠性設(shè)計,是指在產(chǎn)品設(shè)計過程中,為滿足產(chǎn)品可靠性要求,將產(chǎn)品性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)進行綜合分析與設(shè)計的過程,目的是通過可靠性分析與可靠性評估,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)計方案,消除潛在故障模式,使設(shè)計的產(chǎn)品滿足預(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)計的依據(jù)。其中,系統(tǒng)裝備級的可靠性定量指標(biāo)要求(基本可靠性)有平均失效間隔時間(MTBF)、平均故障間隔飛行時間(MFHBF)、可靠壽命(tr)等;元器件級的可靠性定量指標(biāo)要求有:失效率(λ)、耗損壽命(twear)、貯存壽命(tstorage)。系統(tǒng)裝備級的定性可靠性指標(biāo)要求有不允許發(fā)生致命故障、滿足制定的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則;元器件級的可靠性定性指標(biāo)要求有滿足質(zhì)量保證等級、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)計層面支撐可靠性分析與評估的具有可操作性的設(shè)計指標(biāo),讓產(chǎn)品設(shè)計師有針對性、有目標(biāo)地開展可靠性定性和定量設(shè)計。

一旦產(chǎn)品完成了可靠性設(shè)計,也就確定了所設(shè)計產(chǎn)品的固有可靠性,后續(xù)制造產(chǎn)品所進行的工作,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)計基本要求

1)可靠性設(shè)計指標(biāo)

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

系統(tǒng)裝備級的可靠性設(shè)計指標(biāo),由產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分配獲得,即通過指標(biāo)分配將整個系統(tǒng)的可靠性要求轉(zhuǎn)換為每個分系統(tǒng)、每個單元、每個元器件的可靠性要求。例如,航空電子設(shè)備的可靠性設(shè)計要求有三項:表征連續(xù)或間斷工作××小時的工作壽命,表征工作壽命至少應(yīng)當(dāng)有××小時的總工作壽命,表征可靠性的平均失效間隔時間(MTBF)。其中,MTBF指標(biāo)的分配,以f(R1,R1,…,Rn)≥R為原則,對系統(tǒng)可靠性進行分配,獲得n個分系統(tǒng)的可靠性設(shè)計指標(biāo)要求;再對分系統(tǒng)的可靠性進行分配,獲得單元、元器件的可靠度設(shè)計指標(biāo)要求,并可通過計數(shù)法進行初步可靠性預(yù)計,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)計指標(biāo),由產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分解獲得,即通過指標(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退化機理與Au-Al絲鍵合界面退化機理等多個退化機理的失效時間控制指標(biāo),產(chǎn)品最終耗損壽命取決于多機理競爭失效時間;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175℃、長期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級降額溫度,阻容元件極限溫度不超過125℃、長期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級降額溫度,感性元件極限溫度不超過200℃、長期工作溫度按Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級降額溫度。

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)性來表征,將其可靠性設(shè)計指標(biāo)要求分解并轉(zhuǎn)換為元器件可靠性設(shè)計指標(biāo)。可參照四個方面的設(shè)計考慮進行可靠性指標(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(耗損壽命、隨機失效率、質(zhì)量保證等級);

● 必須消除或控制的主要失效模式(過應(yīng)力失效、退化性失效)。

2)可靠性設(shè)計基本內(nèi)容

產(chǎn)品可靠性設(shè)計的基本內(nèi)容包括四個方面[74]:性能可靠性設(shè)計、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計、工藝可靠性設(shè)計和可靠性評價試驗設(shè)計。涵蓋了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、工藝的可靠性設(shè)計,以及考核產(chǎn)品可靠性滿足質(zhì)量要求的篩選與評價試驗設(shè)計。

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

結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計:針對產(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,所開展的結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)選設(shè)計?？梢酝ㄟ^仿真模擬和電、熱、機械等物理性能測試驗證手段,實施結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計。

工藝可靠性設(shè)計:針對產(chǎn)品在制造過程中工藝參數(shù)的波動性和產(chǎn)品性能參數(shù)的離散性控制要求,所開展的工藝質(zhì)量穩(wěn)定性設(shè)計?？梢酝ㄟ^健壯設(shè)計分析,量化控制關(guān)鍵工藝點的控制參數(shù)和范圍,實施工藝可靠性設(shè)計,有效減少工藝參數(shù)偏差對產(chǎn)品性能參數(shù)穩(wěn)定性的影響。

可靠性評價試驗設(shè)計:針對產(chǎn)品設(shè)計鑒定的可靠性評價要求,設(shè)計評價試驗方案,包括對試驗應(yīng)力、失效判據(jù)、樣品數(shù)量、試驗時間及測量周期的設(shè)計等。結(jié)合產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)、工藝的特點和可靠性要求,實施可靠性評價試驗設(shè)計。

3)裝備可靠性設(shè)計與分析

產(chǎn)品可靠性設(shè)計強調(diào)的是設(shè)計過程中的可靠性分析和可靠性評估,通過全面的可靠性分析和可靠性評估,確定所設(shè)計的產(chǎn)品是否滿足可靠性設(shè)計指標(biāo)要求,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并優(yōu)化設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)GJB 450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》,工作項目300系列,針對裝備產(chǎn)品給出了可靠性設(shè)計與分析的13個工作項目:

● 建立可靠性模型:用于定量分配、預(yù)計和評價產(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:預(yù)計產(chǎn)品的基本可靠性和任務(wù)可靠性,評價設(shè)計方案是否滿足可靠性要求;

● 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:針對電路的潛在通路分析(SCA),針對液/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)偏差對電路性能容錯的影響;

● 制定可靠性設(shè)計準(zhǔn)則:根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求,制定專用的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則并實施;

● 元器件、零部件和原材料選擇與控制:根據(jù)產(chǎn)品特點,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,確定和控制對裝備可靠性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵元器件等;

● 確定功能測試、包裝、儲存、裝卸、運輸和維修對產(chǎn)品可靠性的影響:通過測試與分析,評估功能測試對產(chǎn)品可靠性的影響及影響程度、儲存時間及儲存條件變化等給產(chǎn)品可靠性帶來的影響;

● 有限元分析(FEA):當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計基本確定時,采用FEA方法進行機械強度、熱特性分析,發(fā)現(xiàn)問題;

● 耐久性分析:通過評價產(chǎn)品載荷應(yīng)力、失效機理,對關(guān)鍵或“短板壽命”零部件進行耗損壽命分析,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)計與分析

為使設(shè)計的元器件滿足規(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,從以下六個方面考慮可靠性設(shè)計與分析工作。

(1)耐環(huán)境設(shè)計與分析。電子元器件在整機裝備的工作過程中,可能遇到溫度、機械、潮濕、電磁場、鹽霧、輻照、低氣壓等不同類型的環(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)致不同的失效問題,如:高溫、溫變應(yīng)力及其應(yīng)力耦合,導(dǎo)致焊點或焊接界面IMC生長、焊料蠕變疲勞退化,而機械沖擊可能導(dǎo)致金屬氣密封裝蓋板塌陷。設(shè)計時應(yīng)預(yù)先了解所設(shè)計元器件在整機中可能遇到的環(huán)境應(yīng)力類型,分析元器件在整機條件下對環(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),分析其對元器件性能、可靠性的影響程度,按最壞情況采取設(shè)計對策,使元器件耐環(huán)境應(yīng)力強度(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)計與分析。分析同類元器件產(chǎn)品性能參數(shù)在規(guī)定條件下隨時間變化的規(guī)律,針對元器件性能參數(shù)產(chǎn)生蠕變、漂移、突變、瞬時變化或間歇變化的根本原因,采取相應(yīng)的設(shè)計措施,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)計與分析。分析溫度變化對所設(shè)計元器件可靠性的影響,以及元器件工作時導(dǎo)致溫升的熱量來源,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,針對導(dǎo)致元器件溫升的根本原因,通過降低功耗、熱補償?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)、熱對流和熱輻射技術(shù)增強散熱能力,使額定工作狀態(tài)下的元件熱點溫度、器件結(jié)溫不超過允許的溫度上限。

(4)長壽命設(shè)計與分析。分析影響元器件耗損壽命的退化機理,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,焊點疲勞等,要采取延緩?fù)嘶?、延長耗損失效時間的設(shè)計措施,使元器件退化機理的失效時間大于規(guī)定的耗損壽命要求。

(5)失效模式分析與控制。收集同類元器件的失效模式,分析其失效機理,根據(jù)失效頻次排出失效模式主次順序?？梢詰?yīng)用元器件FEMA及FTA方法,分析主要失效模式的失效機理,確定失效機理過程的長期作用應(yīng)力或短時間隨機過應(yīng)力及其來源,從產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、試驗設(shè)計三個層面分析發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致失效的原因,提出針對性的糾正措施并驗證,使主要失效模式得到有效控制。

(6)裕度設(shè)計與分析。對元器件的工作電應(yīng)力容限與安全工作區(qū)進行設(shè)計分析,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,對額定功率的設(shè)計留有適當(dāng)?shù)脑６?。結(jié)合耐環(huán)境設(shè)計與分析獲得的應(yīng)力響應(yīng)模型,根據(jù)元器件的熱性能、機械性能等物理性能要求,使元器件的最大額定結(jié)溫、熱點溫度大于實際工作結(jié)溫、熱點溫度,使元器件的機械強度大于實際應(yīng)力載荷。根據(jù)可靠性要求和環(huán)境適應(yīng)性要求,計算合適的溫度裕度和機械裕度。

3．可靠性設(shè)計與浴盆曲線

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(實際上隨機失效階段遠(yuǎn)大于早期失效階段或耗損失效階段)。產(chǎn)品可靠性設(shè)計的目的,是要解決兩方面問題: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方面:一是降低或控制隨機失效階段的失效率λ,即降低或控制浴盆曲線盆底的高度;二是延長或控制耗損壽命t,即延長或控制浴盆曲線盆底的長度(t=t2-t1)。提高環(huán)境適應(yīng)性包括:提高產(chǎn)品耐受溫度、機械、潮濕、電磁場、鹽霧、輻照、低氣壓等環(huán)境應(yīng)力的能力或強度,即增加或控制產(chǎn)品適應(yīng)載荷應(yīng)力的設(shè)計裕度。

為保證設(shè)計產(chǎn)品的固有可靠性和環(huán)境適應(yīng)性,設(shè)計時在產(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)頻率與振動考核頻率極限2000Hz之間的機械裕度等。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級降額要求為+145℃,預(yù)期HIC長期工作殼溫為+70℃,若內(nèi)裝器件在殼溫為+125℃時的工作結(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℃時的工作結(jié)溫為100℃,則器件長期工作結(jié)溫與最高允許結(jié)溫之間的溫度裕度為75℃,有效降低了器件過熱失效風(fēng)險和隨機失效率。

圖1 電子產(chǎn)品失效率浴盆曲線

4．可靠性設(shè)計與全壽命周期

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

產(chǎn)品使用階段質(zhì)量問題的歸零分析,涉及產(chǎn)品可靠性設(shè)計、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。若退化性問題或耗損壽命失效問題突出,則通過優(yōu)化可靠性設(shè)計解決;若質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的隨機性失效問題突出,則通過強化工藝質(zhì)量穩(wěn)定性控制解決;若早期失效問題突出,則通過提高篩選應(yīng)力和增加篩選項目解決;若明顯的異常過應(yīng)力失效問題突出,則通過使用條件保證、抑制異常沖擊來解決。

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

二、可靠性設(shè)計技術(shù)發(fā)展進程

可靠性設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,是從軍方作戰(zhàn)成功率的需求開始的,圍繞裝備故障的消除和維修成本的控制,從設(shè)計經(jīng)驗到設(shè)計方法,再上升為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計要求,即:經(jīng)驗→方法→標(biāo)準(zhǔn),從而形成標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性設(shè)計與分析工作項目,指導(dǎo)人們在產(chǎn)品設(shè)計過程中通過可靠性設(shè)計與分析,挖掘和明確產(chǎn)品潛在的隱患和薄弱環(huán)節(jié),系統(tǒng)性和有針對性地進行可靠性設(shè)計。

1．可靠性設(shè)計需求與發(fā)展

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計,起源于軍用電子裝備故障控制與高昂維修費用控制的需求,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)費用和維修費用不斷攀升的同時,軍方越來越迫切地意識到故障控制與優(yōu)化設(shè)計的重要性和必要性。50年代,美軍戰(zhàn)斗機電子設(shè)備費用占飛機總費用的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)備費用以每年18%的速度增長,這個速度比新一代飛機費用的增長速度更快。實際上,從20世紀(jì)40年代至80年代,美軍新一代武器系統(tǒng)的費用平均每10年增加4倍,而配套電子設(shè)備子系統(tǒng)的費用平均每10年增加9倍。同時,在20世紀(jì)60年代至70年代,每年美軍電子設(shè)備的保障維修費用占軍用電子設(shè)備采購費用的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)場可靠性卻幾乎保持不變;同時發(fā)現(xiàn)隨著設(shè)備系統(tǒng)費用的提高,現(xiàn)場可靠性呈下降趨勢,如20世紀(jì)70年代,美國陸軍通信系統(tǒng)MTBF=10^7/費用(美元)。存在上述問題,原因主要有三個方面。

(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)或承受過應(yīng)力的可靠性問題,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)致的失效問題,需要有一個解決過程。

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,迫使人們在設(shè)備研發(fā)過程中重視可靠性設(shè)計,并在設(shè)備最優(yōu)性能與可靠性之間進行權(quán)衡。

2)可靠性設(shè)計技術(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)計技術(shù)方法在工程應(yīng)用中得到不斷進步和發(fā)展。

國外可靠性工程技術(shù)及可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展進程如下。

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

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

(3)1942—1946年,美國電子管研究委員會,針對電子管失效問題,組織進行產(chǎn)品失效分析,設(shè)計改進新材料和新工藝。

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

(5)1962年,美國國防部,頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217《電子設(shè)備可靠性預(yù)計》,1995年將217F修訂后不再升級,1999年由美國國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)計方案優(yōu)選。

(6)1965年,美國國防部,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目。

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

(8)1984年,美國國防部,頒布標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-338《電子設(shè)備可靠性設(shè)計手冊》,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)計與評價提出了通用要求和工作項目。

(9)1992年,國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(IPC),頒布了IPC-SM-785《表面貼裝焊接連接加速可靠性測試指南》,給出了表面焊點熱疲勞退化壽命評估經(jīng)驗?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)計指南》[93],提供了板級組件標(biāo)貼組裝的可靠性設(shè)計方法和程序;2013年,修訂發(fā)布IPC-7095C《BGA設(shè)計及組裝工藝的實施》,給出了BGA可靠性設(shè)計的程序。

(10)1998年,電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE),頒布標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1413《電子系統(tǒng)和設(shè)備可靠性預(yù)計和評估IEEE標(biāo)準(zhǔn)方法》,給可靠性預(yù)測提供了一個框架;2002年頒布標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1413．1TM《基于IEEE 1413TM的可靠性預(yù)計和使用導(dǎo)則》,提出了基于應(yīng)力損傷模型的可靠性評估方法,為電子元器件、組件、子系統(tǒng)的可靠性預(yù)計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(JEDEC),頒布標(biāo)準(zhǔn)JEP148《基于失效物理的風(fēng)險和能力評估的半導(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《實現(xiàn)可靠性、可用性和維修性(RAM)指南》;該指南沒有明確為實現(xiàn)每個目標(biāo)應(yīng)開展的可靠性活動,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、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、失效機理、失效模式,將可靠性設(shè)計工作系統(tǒng)化,為可靠性方案規(guī)劃提供實踐的標(biāo)準(zhǔn)。

(14)2008—2016年,美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ANSI)/國際貿(mào)易協(xié)會組織(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》[94]、ANSI/VITA51．1—2008(R2013)《用于MIL-HDBK-217可靠性預(yù)計的子規(guī)范》[95]、ANSI/VITA51．2—2016《基于失效物理的可靠性預(yù)計》、ANSI/VITA51．3—2010(R2016)《支持可靠性預(yù)計的鑒定條件和環(huán)境應(yīng)力篩選》,提供了板級、封裝級、元器件級失效物理(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)計和評估。

國內(nèi)可靠性工程技術(shù)及可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展進程如下。

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

(2)1960年,中國引進可靠性理念和技術(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”(專人、專機、專料、專批、專檢、專技、專線)質(zhì)量控制技術(shù),生產(chǎn)“七?！痹骷a(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”技術(shù)條件,但“七?！碑a(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)計手冊》,使我國電子設(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》,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)可靠性模型并進行可靠性預(yù)計的程序方法。

(6)1992年,頒布GJB/Z 27—1922《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊》(MIL251翻譯裁減);提供電子設(shè)備熱設(shè)計、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)計與評價、試驗、費用分析的通用要求。

(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)計手冊》;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)開展可靠性工作的一般要求和工作項目,提出了“可靠性設(shè)計與分析”(工作項目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)計技術(shù)體系及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1)可靠性設(shè)計技術(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)計工作項目的要求,歸納總結(jié)電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計技術(shù)體系框圖如圖3所示。

圖3 電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計技術(shù)體系框圖

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計技術(shù)體系,由可靠性定性設(shè)計技術(shù)和可靠性定量設(shè)計技術(shù)兩部分構(gòu)成。其中可靠性定性設(shè)計是針對不易用定量指標(biāo)描述產(chǎn)品可靠性要求的設(shè)計技術(shù),如主要故障模式/失效模式控制技術(shù)、質(zhì)量等級保證技術(shù)等,但可以用定量計算的手段解決定性設(shè)計的問題,例如,通過故障樹分析頂事件發(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)計是針對產(chǎn)品可靠性定量指標(biāo)要求的設(shè)計技術(shù),如失效率控制設(shè)計技術(shù)、耐久性保證設(shè)計技術(shù)、極限與裕度設(shè)計技術(shù)等,目的是保證產(chǎn)品的固有可靠性滿足失效率和壽命指標(biāo)要求。

在可靠性定性設(shè)計技術(shù)中,可靠性定性設(shè)計指標(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)計需要控制的主要失效模式;同樣,在可靠性定量設(shè)計技術(shù)中,可靠性定量設(shè)計指標(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)計需要達(dá)到的各項可靠性量化指標(biāo),如通過產(chǎn)品失效率分配確定各部件失效率控制指標(biāo),通過產(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)品的專用可靠性設(shè)計指標(biāo)。

2)可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1,覆蓋與產(chǎn)品設(shè)計階段的可靠性設(shè)計方法、可靠性設(shè)計指標(biāo)、可靠性預(yù)計方法、可靠性評估方法、潛在薄弱環(huán)節(jié)分析、設(shè)計評審和驗證方法等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：符乾江