用理論的方法對系統(tǒng)可靠性進行預(yù)計

雖然做了很多工作，但是可靠性是個系統(tǒng)性的工程、跨學(xué)科的領(lǐng)域。大家操作起來總覺得缺乏思路，也覺得知識點比較零散。我們正在準備中國電子學(xué)會_硬件工程師_可靠性（高級）的課程。所以正在對整體做更系統(tǒng)的梳理和總結(jié)。

也希望大家給我們提供意見和建議。所以我們也希望做一個完整的、系統(tǒng)的梳理。然后從方法論的角度，對大家梳理思路，能夠清晰地入手可靠性提升的工作。

一、用理論的方法對系統(tǒng)可靠性進行預(yù)計，并且找到薄弱點。

這個是很多可靠性公司或者咨詢公司，喜歡入手的方法。但是很多硬件工程師會覺得，這個方法不夠落地，整了很多數(shù)據(jù)，實際沒有什么作用。

正是因為工作量大，與實操可靠性提升缺乏線性指導(dǎo)關(guān)系，導(dǎo)致大家覺得沒用。但是我們真正要做好可靠性還是需要從這個維度入手。我們從理論分析時，需要做如下工作。

? 建立可靠性模型

串聯(lián)模型：組成產(chǎn)品的所有單元中任一單元發(fā)生故障都會導(dǎo)致整個產(chǎn)品故障

并聯(lián)模型：組成產(chǎn)品所有單元同時工作時，只要有一個單元不發(fā)生故障，產(chǎn) 品就不會故障，亦稱貯備模型

表決模型：組成系統(tǒng)的n個單元中，正常的單元數(shù)不小于r（1≤r≤n）系統(tǒng)就不會故障，這樣的系統(tǒng)稱為r/n(G)表決模型。? 可靠性分配

在產(chǎn)品設(shè)計階段，將產(chǎn)品的可靠性定量要求按規(guī)定的準則分配到規(guī)定的產(chǎn)品層次的過程。

可靠性分配的目的：

將整機可靠性要求分配到各組成單元

明確設(shè)計時對各組成單元控制的重點

? 可靠性預(yù)計

通過將整個硬件系統(tǒng)進行拆分，從每個可以提供失效率的單元，按照模型進行計算，得到整體的失效率。

所以我們需要經(jīng)歷：建立模型→分解部件→預(yù)計可靠性是否滿足需求→找到可靠性的短板→優(yōu)化（模型優(yōu)化，系統(tǒng)級優(yōu)化，模塊級優(yōu)化，器件級優(yōu)化）。

在實操過程中，大家擔心的是：

1、很多器件的失效率無法獲得。缺少一個數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致結(jié)果不準確。

2、很多數(shù)據(jù)并不準確。

3、計算量巨大，但是與實際數(shù)據(jù)相差甚遠。

但是，我們通過計算，可以找到短板，同時可以從理論評估是否滿足失效率需求。需要我們企業(yè)累積的去投入，形成數(shù)據(jù)積累和工具積累，在每個項目的時候的重復(fù)勞動避免，則大大提供效率和準確度。

二、評估設(shè)備的組件會怎么失效，失效之后會有什么后果。

這個方法其實就是FMEA

?FMEA：Failure Modes and Effects Analysis，失效模式與影響分析。講白點，就是通過“想”和窮舉法，一一考慮各個器件（組件）可能會怎么壞掉？壞掉之后有什么影響，分析分析，看看軟件、硬件層面，有沒有什么手段和措施能夠檢測、解決、隔離、恢復(fù)這個問題。

指在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，通過對系統(tǒng)各組成單元潛在故障模式對產(chǎn)品功能的影響分析，或?qū)ο到y(tǒng)功能流程各個步驟，數(shù)據(jù)流和存儲各環(huán)節(jié)失效后對產(chǎn)品影響分析，把每個潛在故障模式按影響嚴酷程度分類，提出預(yù)防改進措施，如故障檢測、故障隔離、故障恢復(fù)等軟硬件故障管理需求及測試驗證需求，以提高系統(tǒng)的可靠性可維護性的分析方法。

FMEA 是一種自下而上的方法，用于分析一個系統(tǒng)設(shè)計或制造過程，以評估潛在的失效和影響。

FMEA的基本思想：遍歷性、系統(tǒng)性。

我們可以在很多FMEA的教材上面看到這兩個概念：遍歷性、系統(tǒng)性。那么這兩點在硬件設(shè)計的過程中是如何體現(xiàn)的呢？

FMEA的分析方法：

硬件法，從硬件的角度，對每個器件管腳輸出分別去考慮故障模式、故障影響、檢測補償措施。（因為我們遍歷了每一個器件、每一個器件的每一個管腳，所以這里體現(xiàn)了遍歷性）

功能法，每個產(chǎn)品可以完成若干功能，而功能可以按輸出分類。這種方法將輸出一一列出，并對它們的故障模式進行分析。對應(yīng)系統(tǒng)級、單板級分析。（此處按照功能和場景，對故障模式分別進行遍歷和分析）。

我們在實現(xiàn)FMEA的時候，需要提升產(chǎn)品的可測試性，同時需要一些軟件、硬件方法，對部分故障單元進行記錄、復(fù)位、下單，等操作。

三、測試+實驗方法

這就是用事實的方法來判斷產(chǎn)品是否滿足可靠性要求，并且來尋找產(chǎn)品可靠性的短板。

既然很多同學(xué)不相信方法一、和方法二。計算為虛，實驗為實。真刀真槍上試驗臺，看看產(chǎn)品是不是扛得住折磨，特別是正式量產(chǎn)之前，要足夠樣本對可靠性進行摸底。

所以，我們經(jīng)常需要做的一件事：拷機。

這里不是烤雞，而是針對產(chǎn)品特性進行長時間工作測試，看看經(jīng)不經(jīng)得住考驗。例如上圖中，折疊屏手機，需要機械裝置對其進行反復(fù)操作。

當然這個方法太慢了，我們需要對設(shè)備的壽命檢驗進行加速。我們一般采用的方法就是加大“應(yīng)力”——熱應(yīng)力、機械應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力、電應(yīng)力。

此處涉及內(nèi)容比較多，各個行業(yè)有各個行業(yè)的實驗標準，此處暫時不贅述。

但是實驗是最真實可靠的檢驗標準。

四、故意搞破壞

這個方法就是為了檢驗我們產(chǎn)品，我們做故障注入的方法——FIT（

fault injection techniques 故障注入技術(shù)）。這個方法也是驗收方法二（FMEA）的標準。

我們在設(shè)計階段，就把FMEA的需求做好，然后在設(shè)計過程中，就考慮到FMEA的需求。同時設(shè)計好，最后怎么驗收，也就是FIT測試的方法。

所以故意搞破壞，也要是有的放矢的搞破壞，不是想一出是一出。記得有測試人員說她的發(fā)卡掉到電路板上了，電路板掉電不能恢復(fù)。但是，無法復(fù)現(xiàn)，也不知道具體什么故障模式。FIT測試也是設(shè)計出來的，不是隨意試出來的。

FIT方案設(shè)計基于兩個原則：

一是保證測試的覆蓋率

二是保證測試工作量的可執(zhí)行性

用例設(shè)計中考慮故障出現(xiàn)的概率（根據(jù)FMEA分析結(jié)果）。對可能產(chǎn)生同一種影響的不同故障考慮故障模式的收斂，即只模擬一種故障模式(前提故障檢測是通過檢測這些故障模產(chǎn)生的故障影響來確定故障，而不是直接檢測故障模式)

五、防護設(shè)計

我們針對故意搞破壞的，還有應(yīng)力，需要有針對性的做一些設(shè)計：熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、化學(xué)防護設(shè)計、EMC防護設(shè)計（防雷擊、防浪涌、ESD）等等。

熱設(shè)計

(1)熱設(shè)計的主要設(shè)計方法

（a）傳導(dǎo)散熱設(shè)計。如：選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，加大與導(dǎo)熱零件的接觸面積，盡量縮短熱傳導(dǎo)的路徑，在傳導(dǎo)路徑中不應(yīng)有絕熱或隔熱件等。

（b）對流散熱設(shè)計。如：加大溫差，即降低周圍對流介質(zhì)的溫度；加大流體與固體間的接觸面積；加大周圍介質(zhì)的流動速度，使它帶走更多的熱量等。

（c）輻射散熱設(shè)計。如：在發(fā)熱體表面涂上散熱的涂層以增加黑度系數(shù)；加大輻射體的表面面積等。

（d）耐熱設(shè)計。如：接近高溫區(qū)的所有操縱組件、電線、線束和其它附件均應(yīng)采取防護措施并用耐高溫材料制成；導(dǎo)線間應(yīng)有足夠的間隙，在特定高溫源附近的導(dǎo)線要使用耐高溫絕緣材料。

熱設(shè)計基礎(chǔ)（上）

熱設(shè)計基礎(chǔ)（中）

熱設(shè)計基礎(chǔ)（下）

環(huán)境防護設(shè)計（三防）

(1)防潮濕設(shè)計

采取具有防水、防霉、防銹蝕的材料。

提供排水疏流系統(tǒng)或除濕裝置，消除濕氣聚集物。

采取干燥裝置吸收濕氣。

應(yīng)用保護涂層以防銹蝕。

憎水處理，以降低產(chǎn)品的吸水性或改變其親水性能

浸漬，用高強度和絕緣性能好的涂料來填充某些絕緣材料。

(2)防鹽霧腐蝕設(shè)計

防止鹽霧導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕、電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕等。

(3)防霉菌設(shè)計

采用防霉劑處理零部件或設(shè)備。

設(shè)備、部件密封，并且放進干燥劑，保持內(nèi)部空氣干燥。

在密封前，材料用足夠強度的紫外線輻照，防止和抑殺霉菌。

另外還有一些，例如防硫化、防氧化、設(shè)計等。

抗沖擊、振動和噪聲設(shè)計

（1）抗沖擊、振動和噪聲設(shè)計的主要方法

消源設(shè)計。如：液體火箭發(fā)動機的振動是導(dǎo)彈的一個主要的振源，通過消除發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒、改變推力室頭部噴嘴的排列和流量，減小其振源，就能降低導(dǎo)彈振動的等級。

隔離設(shè)計。如：采用主動隔離或者被動隔離方法將設(shè)備與振源隔離開來。減振設(shè)計。如：采用阻尼減振、動力減振、摩擦減振、沖擊減振等方法消耗或者吸收振動能量。

抗振設(shè)計。如：改變安裝部位；提高零部件的安裝剛性；安裝緊固；采用約束阻尼處理技術(shù)；采用部件密封；防止共振等。

六、故障分析（失效模式與失效分析）

包括系統(tǒng)故障分析，以及器件失效分析。按照不用的層級，我們需要做不同深度的維度的失效分析。

器件選型時，我們需要考慮其失效模式，同時需要考慮其失效機理。如果發(fā)生失效了，我需要做好器件的失效分析。

需要了解失效分析，可以點擊查看，之前的文章合集：失效分析合集

七、硬件穩(wěn)定性相關(guān)的電路設(shè)計

很多工程師覺得，如果這個沒做好，或者沒有做到，根本就不是合格的產(chǎn)品。前面說的六條都是浮云。

冗余設(shè)計

降額設(shè)計

單板上電、復(fù)位設(shè)計

信號完整性

電源完整性

邏輯電平設(shè)計

等等

八、管理

管理這兩個字，有時看似很虛，但是通過管理，我們可以把人本身的不穩(wěn)定因素剔除掉，避免因為人犯錯誤導(dǎo)致的不可靠。

這里包括研發(fā)管理、生產(chǎn)管理、物料管理、流程管理等等。我們后續(xù)通過文章和視頻進行詳細地介紹。

審核編輯 ：李倩