电子产品研制过程的可靠性管理

2009年12月22日15:41:59 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

一、概述

　　在GJB 9001A-2001中质量定义为“一组固有特性满足要求的程度”［1］。固有特性是指随着产品的形成过程而产生的产品的永久特性。

　　当前质量管理已不单纯是生产过程的事，质量管理已向前扩展到研制过程，向后延伸到使用过程，形成全寿命的质量管理。我们已经认识到可靠性是产品的固有特性，可靠性是设计出来的，是管理出来的,是生产出来的。因此开展军工电子产品研制过程的可靠性管理应成为电子产品研制过程质量管理的一个中心内容。

　　在电子产品研制过程中的可靠性工作项目主要有：确定可靠性要求、制定可靠性计划、对转承制方和供应方的监督和控制、建立故障报告、分析和纠正措施系统、建立可靠性模型、可靠性分配、可靠性预计、故障模式影响及危害度分析、制定可靠性设计准则、确定可靠性关键产品、环境应力筛选和可靠性鉴定试验等［2］。

　　可靠性工作项目是相互关联、彼此依赖的统一整体，任何一项出了问题，就会导致全局的失败，因此可靠性管理是一个系统工程，贯穿于研制的全过程中。可靠性管理的目的就是为了使产品达到规定的可靠性指标要求。

　　可靠性管理有其特殊性。一是全寿命周期。从产品调研立项开始，直至使用中止报废，整个寿命周期内的可靠性工作都互相联系，互为影响；二是多层次性。可靠性管理工作面广，战线长，不可能由一个部门一包到底，必须形成纵、横交错的多层次的管理网络，而且各层次工作互相协调、互相制约；三是专业涉及面广。可靠性管理人员不但要懂管理，懂可靠性知识，还应对研制产品的功能原理、结构、工艺检验标准、关键技术等专业知识有基本的了解。

　　每项工程都设立了可靠性工作组织，可靠性工作组织在总设计师的领导下，设立专职或兼职的可靠性设计师，开展全过程的可靠性管理。

　　本文将对在电子产品研制过程中如何实现闭环式可靠性管理进行讨论，涉及到可靠性参数选择和指标确定、可靠性预计、对转承制方和供应方的监督和控制、确定定时截尾可靠性鉴定试验方案{T,C}和开展软件可靠性定量评估等方面的问题。
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二、从确定可靠性要求开始

　　可靠性、维修性指标作为装备重要战术技术指标应与其它战术技术指标同时论证，并列入合同和研制任务书中［3］。

　　可靠性参数选择和指标确定是可靠性工程的关键一步，可靠性参数选择和指标确定需要“正好合适”，既不高也不低，既要满足用户战备和执行任务的要求，又要避免增加承制方的不必要的资金和时间的投入。我们需要平衡用户对产品的可靠性、开发时间和开发费用的需求，从而保证用户获得较好的费效比，使研制过程更加有效。

　　可靠性参数选择和指标确定是较具难度的一项活动。因为可靠性的问题是概率问题，它是定量测量和分析的活动，需要有大量的试验数据和现场数据为基础，我们现在较缺少的恰恰是数据基础。正是这个原因，目前很少有订购方能很明确、很合理地提出要研制的电子产品的可靠性指标。

　　可靠性参数选择和指标确定要经历论证阶段和方案阶段才能较后明确。

　　论证阶段要进行使用需求分析、建立寿命剖面、建立任务剖面、建立故障判别准则、选择可靠性、维修性使用参数、确定初步的可靠性、维修性使用指标和合同参数。

　　方案阶段要确定可靠性、维修性使用指标、确定可靠性、维修性合同指标［4］。可靠性合同参数包括规定值和较低可接受值。在GJB 1909.1-94中指出，规定值是合同和研制任务书中规定的期望装备达到的合同指标，它是承制方进行可靠性和维修性设计的依据。较低可接受值是合同和研制任务书中规定的、装备必须达到的合同指标，它是进行考核或验证的依据。

　　方案阶段也要确定可靠性、维修性验证方法。因为仅仅提出定量的可靠性指标，如果没有相应的验证方法，那么这种要求也将流于形式。在20世纪40~50年代，概率论和数理统计的发展，奠定了可靠性数学的基础，为可靠性参数的评估及验收试验做好了理论准备。目前可靠性验证方法已在工程实践中广泛应用。GJB 899-90明确规定了可靠性鉴定和验收试验的要求，并提供了可靠性验证试验的统计试验方案、参数估计和确定综合环境试验条件的方法。

　　有了定量的可靠性指标，可靠性工程的一项重要任务就是要研制的电子产品的可靠性指标达到合同和研制任务书的要求，要保证研制的电子产品可靠性鉴定试验一次通过。

三、重视可靠性预计

　　可靠性工程重点应放在设计阶段，因为设计规定了产品的固有可靠性。如果不是从头抓起，不是从一开始就进行产品可靠性设计的话，很可能无法通过较后的可靠性鉴定试验，这样会付出沉重的代价。因此可靠性设计师首先对设计工作制定了可靠性设计准则，以及元器件选型、降额和筛选要求，对可靠性设计提出了具体的要求和实施细则，这些应该说是可靠性的定性要求。与此同时可靠性设计师建立了产品的可靠性模型，然后将整个产品的可靠性的定量要求分配到组成该产品的分机或模块上，作为分机或模块的一项重要指标要求电路设计师在设计中加以落实。

　　随着产品设计工作的开展，因为多方面的原因，有时可靠性设计并没有真正落实。针对这种情况，作为可靠性设计师需要考虑怎样进行闭环式的可靠性管理，将可靠性管理走向程序化、规范化和法制化的轨道［5］。

　　我们通过调查认识到在电子装备使用现场发生的故障中，元器件失效约占50％，其中属于元器件选择或使用不当的占30％～50％。为此采用元器件应力分析可靠性预计法，要求经过可靠性预计后，产品MTBF的预计值(θp)数值上应等于或大于MTBF的检验上限(θ0)的要求［6］。

　　因此在设计阶段，电路设计师不仅要了解元器件的性能指标，而且要综合考虑其质量等级、元器件使用中所受的电应力和温度应力。为此，需要对电子元器件选择与应用、简化设计、降额设计、热设计等可靠性设计工作加强管理。

　　元器件应力分析法进行可靠性预计的作用和目的，不仅仅是为了预计相应元器件的失效率，它的主要作用和目的在于正确地选择符合电路设计性能和可靠性需求的元器件，正确合理地进行包括降额设计、热设计在内的参数设计，使可靠性设计真正在选择元器件，以及在电路设计中得到落实［7］。

　　经过对某工程的元器件应力表考核，我们发现了普遍存在的以下一些问题：

　　有些电路设计师不能正确确定元器件种类和相应的元器件工作失效率模型，无法正确认识影响该元器件失效率的主要因素，达不到元器件合理选择和使用的目的，例如将微波部件归入半导体集成电路。

　　电路设计师选用元器件时必须要了解该元器件的性能、结构、工艺等一系列的参数。

　　有些电路设计师不能正确给出元器件质量等级，这里的元器件质量等级是指按GJB/Z 299B-98进行电子设备可靠性预计时的质量等级。质量系数(πQ)是指不同质量等级的元器件对失效率影响的修正系数。有些电路设计师对降额设计认识不足。需要指出的是，电压降额对提高半导体分立器件、电容器、电位器和可变电阻器的可靠性是有效的，但对微电路却不适用。功率降额适用于电阻器、电位器和半导体分立器件。控制结温对半导体集成电路和半导体分立器件是更加有效的方法，因为结温是电应力和热应力对可靠性的综合反映。可靠性师和设计师应在实践中认真地收集原始数据，如在分机调试时，电路设计师应使用点温度计监视半导体器件的温升情况，对半导体器件的结温做到心中有数。在整机做高、低温实验时，应用热电偶检测整机温度场的变化情况。

　　我们还发现有些电路设计师在固体钽电容器的使用中，对串联电阻(固体钽电容器与电源之间的回路电阻除以电容器工作电压)影响固体钽电容器的工作失效率认识不足。固体钽电容器的回路等效串联电阻一般应为3 Ω/V，这可以使这种电容器具有内部瞬时击穿的自愈能力。当电容器出现瞬时短路时，只要电流限制在330mA以下，电容器仍能恢复，而固体钽电容器与电源间回路阻抗偏小(约5 Ω)，这时应加串联电阻，可大大降低固体钽电容器的工作失效率。

　　GJB/Z 299B-98《电子设备可靠性预计手册》和MIL-HDBK-217F美国军用手册《电子设备可靠性预计》可靠性预计方法的前提是，系统的失效率主要是由组成系统的各种元器件决定的。但美国可靠性分析中心(RAC)近年的统计数据却表明，78%以上的失效不是由元器件原因引起的，而是设计缺陷、制造缺陷、不良的系统管理技术(如要求不明确)、耗损、软件缺陷、诱发失效以及没有发现缺陷的失效。这些在我们采用的方法中都没有明确涉及到。RAC针对上述失效原因提出一种新的方法来评估电子系统的失效率，并编制了相应的软件PRISM。该方法引入了新的元器件可靠性预计模型(RACRate)、一种非元器件变量引起的系统可靠性评估过程和一个软件可靠性模型。

　　这些方法克服了传统的可靠性预计方法的不足，因为PRISM软件的系统失效模型考虑了系统设计、生产、管理过程、软件因素对系统可靠性的影响，提高了可靠性预计的置信度。该预计模型采用了加法模型。克服了传统的可靠性预计采用乘法模型时在各因素取值极端情况下，失效率可能超常的大或小的缺点。PRISM软件的系统失效模型为今后的可靠性预计方法提出了改进的思路。
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四、加强对转承制方和供应方的监督和控制

　　在研制过程中经常需要研制一些协议产品，有时签订的协议产品供货合同往往非常简单，只是列出了协议产品一些主要技术性能指标，也很少提到协议产品在整机或系统使用中的环境适应性和可靠性要求。今后在签订协议产品供货合同应参考对应元器件规范和试验方法的军用标准。

　　我们也发现在研制过程中转承制方的外协件出现的质量问题较多。在环境应力筛选试验

电子产品研制过程的可靠性管理

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