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MTBF知识讲座

说明:
 
MTBF,英文:Mean-Time-Between-Failure的简称,中文为:平均无故障间隔时间。其是产品(特别是电子产品)的一个重要的可靠性能参数。MTBF的单位是“小时”,可以是指一块单元板,也可以指整个系统。MTBF数值越大就说明产品的可靠性越高,反之则低。
 
概述:
在如今竞争激烈的电子产品市场中,用户对产品质量和可靠性的要求越来越高,美国电子协会最近的一项统计表明,在决定高技术产品是否占据大的市场份额时,产品的可靠性是其中最重要的因素。而可靠性设计需要贯穿着整个设计的全部过程,不仅仅是对最终产品的验证。也就是说产品的可靠性是设计出来的,而不是计算和验证得到的。
目前,在中国,对电子产品的质量和可靠性要求也十分的严格,越来越多的客户要求产品必须有明确的可靠性能指标,而且要求明确地标示于产品的规格书中,因此,电子产品的可靠性指标的计算是无法避免的。
除了行业(如验证机构)要求必须提供可靠性报告外,用户也将要求供应商提供MTBF值,以达到“买得放心”之目的。
可靠性预测工具是评估产品是否可靠的基础手段,可靠性预测工具为整个产品开发过程提供指导。事实上,业界已经将可靠性预测工具形象地改名为可靠性管理工具。因为它在整个开发周期中监视着产品的质量情况。具体表现在以下几点:
1.在理论概念设计阶段,它将指导产品能否有可能性实现,为设计者提供方案修改提供技术数据,从而避免盲目实施具体设计,尽量将潜在的“不可行性”发现在早期。如果项目尚未实施,就发现其MTBF值太低,那么就可能要考虑修改计划了。
2.在产品设计阶段,可以帮助你选择器件。在你具体进行产品初期设计和实验时,往往会有各种方案和建议供你选择和决定,终究采用哪一个方案为最好?可能它们的电路功能基本相同。此时可靠性分析工具将帮助你做出决定,因为功能相同时,MTBF值、成本等将是最关键的因素,在条件允许时,一定采用高MTBF值的方案。
3.在调试阶段,可以帮你定位产品中的潜在的“不稳定”因素。因为产品的MTBF计算可以报告整机系统的失效率,以及每一个元器件的失效率,或者某些子电路块的失效率。电路中可能由参数不合理,如过压、过流、过热等形成某个器件提前失效,(注意,有时可能当时出厂时没有失效,实验时的过程及结果也没问题,但时间一长就失效)。因为任何器件有一个疲劳损伤期,如耐热指标是90℃,但工作在95℃时不一定马上就失效,但其失效率为很高,这类隐患经常是工程人员最麻烦的事。借助MTBF等可靠性计算,就可以很清楚的指出哪些器件不稳定,容易失效的。
4.决定价值。一个产品的最终价值决定于许多因素,在今天和将来,MTBF值将是其中十分重要的一个因素。客户在评审你的产品品质和价格同时,务必将MTBF值也考虑进去。很多产品其技术指标、市场领先性都很好,但由于MTBF值低,也就是说其产品不可靠。或者说,其产品质量不稳定等,从而使其产品的性价比低。引用国外某位专家的说法,他认为目前衡量产品是否可靠的唯一标准就是MTBF值 (注意,手工的计算并不能真正的体现产品的可靠性,它只能当做评估和参考价值)。
按照国家或相关行业标准规定,任何电子产品都需要有可靠性报告,在可靠性报告中说明产品的可靠性。而MTBF数值的计算是一项庞大的计算统计工程,目前我们一般只能采用非常粗略的手工计算。由于计算时只考虑到某个工作环境,某个方式等特定的条件下计算结果,因而计算的结果跟实际使用条件下的结果有一定差异。要精确测量产品的MTBF就必须采用大量样本进行长时间毁坏性试验。这就涉及到成本及效益的问题了。
总之而言,可靠性指标的计算和预测,是市场的需要、技术的推动和政策的规定,作为电子设计人员必须了解和掌握可靠性计算。
MTBF因素
MTBF的计算方法和依据已经成为标准,其主体是考虑产品中每个元器件的失效率。但是由于电子产品的结构不同,应用环境不同等,会严重影响每个元器件失效率,从而导致总体MTBF值降低。因此在计算中:
1、πE:环境因子
首先要考虑的是环境因素。对于Mil-217标准,环境因素概括成14种类型,它们是GBGFGMNSNUAICAIFAUCAUFARWSFMFMLCL。对于商用系统,其环境概括为5种类型,它们是:GBGFGMACSC
    GB 良好的地面环境,静止,温度与湿度易得到控制与保持,这包括有实验室设备、商业和科学计算机,和地下发射井的导弹支撑设备。
GF 固定的地面环境,适度控制环境,如产品安装于永久性位置,足够的风冷条件,尽量不使产品放置在发热的建筑里。包括永久性控制飞机飞行的雷达器和通讯工具。
GM 非固定地面(移动)。产品装置于轮状装备上或者装置于轨型交通工具上和手工运输。包括战术导弹地面支持设备,移动通讯设备,战术喷火系统,手持通讯设备,激光探测器。
NSNUAICAIFAUCAUFARWSFMFMLCL 等环境因子均为特殊环境,在此不做说明。
如GF表示Ground Fixed, 即固定在普通地面的情况,而CL表示Cannon Launch,即火炮发射瞬间的情况。这两种情况下,同一电路的失效率会相差很大。 
2、λP:零件总失效率,商用的λP=X failures/10E9 Hours; 军用的λP= X failures/10E6 Hours
3、πQ:品质因子,每个零件均可能有几个品质等级。
   4、λb:基本失效率
5、其他 
 除以上因数外,其次十分重要的因素是器件本身的可靠性参数,包括内部结构、工艺、封装、应力度等,而每种器件的内部结构不同而其参数不同,如CPU和电阻的结构差别很大。
     此外,要考虑的是电子系统加工工艺和结构,如器件插座、焊接、过孔数、贴片器件、连线等等。这些因素也会导致系统不可靠。
     所有上述这些因素,一般须靠人工去建模,去分析,工作量庞大,目前,很多大公司都引用可靠性分析软件去完成MTBF的计算,比较有名软件如:Weibull, 艾姆克科技的MTBFcal软件, Item toolkit软件等,计算所得结果比较全面而准确。
   如何计算MTBF数值?
关于MTBF值的计算方法,目前最通用的权威性标准是MIL-HDBK-217、GJB/Z299B和Bellcore,分别用于军工产品和民用产品。其中,MIL-HDBK-217是由美国国防部可靠性分析中心及Rome实验室提出并成为行业标准,专门用于军工产品MTBF值计算,GJB/Z 299B是中国军用标准;而Bellcore是由AT&T Bell 实验室提出并成为商用电子产品MTBF值计算的行业标准。
MTBF计算中主要考虑的是产品中每个器件的失效率。但由于器件在不同的环境、不同的使用条件下其失效率会有很大的区别,例如,同一产品在不同的环境下,如在实验室和海洋平台上,其可靠性值肯定是不同的;又如一个额定电压为16V的电容在实际电压为10V和5V下的失效率肯定是不同的。所以,在计算可靠性指标时,必须综合考虑上述多种因素。
因本公司的产品应用涉及军用、民用等产品,故目前计算MTBF的依据标准是:MIL-HDBK-217F。此标准以计算组成产品的元器件失效率来得出产品最终的MTBF值。MIL-HDBK-217F计算的MTBF按照器件分类,说明如下:
1、  微处理器类
2、  半导体
3、  电子管
4、  激光类
5、  电阻类
6、  电容类
7、  感应器类
8、  旋转装置类
9、  继电器类
10、                    开关器件类
11、                    连接器类
12、                    电路板类
13、                    连线类
14、                    仪表类
15、                    石英晶体类
16、                    指示灯类
17、                    滤波器
18、                    保险丝
19.其他器件
在MIL-HDBK-217F中,很详细的对以上各零器件进行失效分析。下面就以几个例子说明:
 
1、  空运货柜所应用程序中的一CMOS 数字芯片,工作时表面温度为48摄氏度,75mW功耗,此芯片已通过制造商正规的循序的应力筛选:温度循环、恒加速度、电性测试、密封测试和外观目视。该零件供应商也按照B等级进行老化寿命测试。以上所有的应力筛选和测试均应用MIL-STD-883筛选方法。该包装方式是24双列直插式密封组装。该芯片已生产4年历史并包含有1000晶体管。
 
计算MTBF过程:
根据手册的5.1章节,得到公式:λp=(C1T+C2E)*πQπL
各个参数的确定:
C1=0.020         1000个晶体管,MOS C1表格,查阅“数字”栏
C2=0.11          C2 =9.0*10-5(NP1.51   NP =24
πT=0.29          Tj 由5.11章节确定,TJ=480C+(280C/W)*(0.075W)=500C
                     πT=0.1exp(-Ea/(8.617*10-5)(1/(Tj+273)-1/298)).
πQ=3.1           πQ =2+87/Σpoint valuation ;  point valuation评估点
                   Group 1 Test:          50 Points
                   Group 3 Test (Level B)  30 Points
                   Total:                 80 Points
                  πQ =2+87/(50+30)=3.1
πE =4.0            环境状态为:Ns     
πL =1.0           Years of production>2 years
 
λp=(0.020*0.29+0.11*4)*3.1*1=0.15 Failures/106Hours
 
2、  现有一400VDC 额定值的电容,型号为:CQ09A1KE153K3,用于固定地面状况(GF),本体温度为50摄氏度,提供200VDC并有50Vrms@60Hz,此类电容符合可运用标准:MIL-C-19978。
说明:CQ表示产品符合MIL-C-19978标准和非确定可靠度品质等级。
E 表示符合400VDC的电压范围。
153表示电容的容量。15,000PF
 
 计算MTBF过程:
根据以上提供的信息,我们可由10.1章节的表格得到:
λb=0.0051   λb为基本失效率;根据电容的型号查表得到。
πT=exp(-Ea/(8.617*10-5)(1/(Tj+273)-1/298))  备注: Tj = 50 degree C; Ea=0.15 (Column 1)
πT=1.6     
πC= C0.9  备注:(Column 1)  C=15000pF
πC=0.69 
πV=(S/0.6)5 +1   备注:S=(DC Voltages Applied+20.5 (AC Voltages Applied))/DC Rated Voltage
                           =(200+20.5 *50)/400  =0.68
πV=2.9
πSR=1  串联电阻因数 
根据计算CR= Eff. Res. Between Cap. And Pwr. Supply/Voltage Applied to Capacitor 结果查表可得。
πQ=3.0 
该型号属于Non-Established Reliability Capacitors(Most Two-Letter Styles)
πE=10
   环境因数属于GF类。
λp=λb*πTC V SR Q E
λp=0.049 Failures/106Hours
故MTBF=20408163.2653 Hours
 
以上是我公司研发中心测试部的一点心得,供大家参考!