原创 可靠性设计的一些内容

可靠性设计的一些内容

一、可靠性评价分析技术的应用
   由于设计阶段对产品的可靠性将起到奠基作用，故在设计过程中，应不断对产品的可靠性进行定性和

定量的评价分析）以便及时了解产品的可靠性指标是否有了保证，所采取的各种可靠性设计措施是否有效

，有效程度如何，设计中是否还存在薄弱环节和潜在缺陷，产品在今后使用中可能会发生什么样的故障，

以及故障一旦发生时，其影响和危害程度如何等等。弄清以上问题将有助于及时发现缺陷，及时改进设计

，防止“带病”投产，保证预定的可靠性指标得到满足。
下面介绍几种主要的评价分析技术的应用：
1 ．可靠性预计与分配
可靠性预计是在设计阶段，根据设计中所选用的电路程式、元器件、可靠性结构模型、工作环境、工作应

力以及过去积累的统计数据，推测产品可能达到的可靠性水平。预计的目的不是在于了解在什么时候将发

生什么样的失效，而是在于从设计开始就采取措施以防止失效的发生，并用定量的方法评价可靠性设计的

效果。
  可靠性分配是将可靠性指标或预计所能达到的目标值加以分解，用科学的方法，合理分配给分系统、设

备、部件直至各元器件和每一个连接点、焊接点，以保证可靠性既定目标得以实现。通过分配，不仅可以

层层落实设计指标，还可发现设计的薄弱环节和尚能挖掘的潜力。 可靠性预计的方法一般有相似设备法

、相似电路法。有源器件法、元器件计数法及元器件应力分析法等，它们分别适用于不同的设计阶段：当

产品处于方论证阶段时，可用相似设备法、相似电路法、有源器件法等快速预计法进行可行性预计，以评

价设计方案的可行性；
  当产品处于旱期的详细设计阶段时，可用元器件计数法进行初步设计预计，以了解元器件的初步选择是

否恰当，并为可靠性分配打下预计的基础，而当产品处于详细设计阶段的中期和后期，可用元器件应力分

析法进行详细的设计预计，以便及时发现设计的薄弱环节或潜在能力，及时改进设计，以期达到优化设计

的目的。 下面就三种预计方法作一些简略的介绍：
（1）有源器件法
所谓有源器件法，即按设备为完成规定功能所需的串联有源器件的数目预计设备失效的方法。预计公式为
λs = N* K (11.1)
式中：λs --设备的预计失效率；
N--串联有源器件的数目；
K ---各种设备中每个有源器件的失效率。
(2) 元器件计数法
所谓元器件计数法就是根据组成设备的各类元器件的通用失效率及其使用数量，来预计设备失效率的方法

。
（3）元器件应力分析法预计
元器件应力分析法预计是考虑了温度、电应力、环境条件、元器件选用及电路等情况对元器件失效率的影

响，先预计各个元器件在上述诸因素影响下的失效率，然后再预计设备总的失效率的一种方法。除微电子

器件外，绝大多数电子元器件的工作失效率预计公式为：
λp= λb(πE•πQ……πn) （11. 3）
式中：λp -- 元器件的工作失效率；
λb -- 元器件的基本失效率;
πE -- 环境修正系数；
πQ -- 元器件质量修正系数；
πn -- 考虑其它附加影响的修正系数。
在进行应力分析法可靠性预计时，需要对每个元器件给出失效率和各修正系数的数值。为此，我国电子产

品可靠性数据交换网编制了我国的《电子设备可靠性预计手册》，并且已经列入军用标准GJB299一87，可

以作为我国电子设备可靠性预计的依据。进行可靠性预计时，尤其是进行应力分析法预计时，要进行大量

繁杂的计算，最宜于采用计算机辅助分析和计算。 可靠性分配一般分为两大类，一类是无约束条件，单

纯从可靠性指标出发进行分配；另一类是有约束条件，即以体积、重量、成本等为约束条件进行最优化可

靠性分配。
等分法即是平均分配法，适用于由完全相同的单元电路构成的串联系统、分配公式为：
λi= λs/m （11．4）
　
式中：λi--第i分系统的失效率；
λs--系统的失效率；
m -- 分系统的数目。
AGREE分配法是由美国电子设备可靠性顾问团提出的一种分配方法。它考虑了组成系统的每个单元的复杂

度和重要度。这种分配的基本观点是：越是复杂的单元越容易失效，分配给它的失效率应该大一些。越是

重要的单元越不希望它失效，故分配给它的失效率应该小一些。亦即分配时每个单元的失效率应该是加权

的，加权因子C应该与单元的复杂度成正比，与单元的重要度成反比，于是AGREE方法的分配公式为：
λi=(ni×T×λs)/(N×Wi×ti) (11.5)
式中：ni--第i单元的元器件数；
N--系统的元器件总数，ni/N表示第i单元的复杂度；
Wi--第i单元的重要度；
T--系统的任务周期;
ti--第i单元在任务周期内的工作时间；
λs--系统的失效率。
　
2．失效模式、效应与危害度分析
失效模式、效应与危害度分析简称FMEC。它是一种广泛适用于电子、电器以及机械设备的可靠性评价分析

技术。是通过对所设计的系统的各组成单元可能发生的各种失效模式对系统功能的影响及其危害程度的分

析，尽早发现问题、及时采取对策、改进设计，以保证产品的可靠性。
失效模式是指元器件、零部件或产品失效的表现形式。失效模式一般是能被观察到的一种失效现象。
各种失效模式对设备或系统产生的后果及其严重程度称之为效应及严酷度。效应又分为局部效应和最终效

应。
表11.1 列出了常用严酷度等级及其损坏概率。根据等级及损坏概率，
表11．1
等 级        程 度        损坏概率
IV        可能导致系统功能全部丧失，给系统和周围环境造成重大损失， 或（和）造成人身伤亡事故。       

1
III        可能导致系统功能全部丧失，从而给系统和环境造成重大破坏， 但不造成人身伤亡事故。        0．5
II        导致系统功能下降，但对系统和人不会造成损害事故。        0．1
I        导致系统功能下降，但对系统和环境不造成损害，对人员无害。        0
不仅可以定性地判别哪些失效模式危害度最高，而且还可以进一步足量地计算每种失效模式的危害度。　
3．失效树分析
失效树分析简称FTA。FTA 也是一种广泛适用于电子、电器以及机械设备的可靠性评价分析技术。它是在

系统设计过程中通过对系统可能造成失效的各种因素（包括硬件、软件 、环境、人为因素等）进行分析

，画出逻辑框图（即失效树），从而确定系统失效原因的各种可能组合方式及其发生概率，进而计算出系

统的失效概率，以便采取相应的纠正措施，提高系统的可靠性。失效树分析可以是定行的，也可以是定量

的。
顾名思义，失效树，就是一种树状的逻辑因果关系图。它是一系列事件符号和逻辑门符号，描述系统中各

种事件之间的因果关系。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”，而输出事件是输入事件的“果”。它由

顶事件、中间事件、底事件和逻辑或门 、逻辑 与门等符号组成。
失效树分析法的一般步骤如下：
(1) 了解系统，确定顶事件：
(2) 建造失效树，并加以简化和规范化；
(3) 定性分析：确定失效树的最小割集；
(4) 收集定量分析用的数据，如底事件的失效概率、失效率、维修率等；
(5) 定量分析：计算顶事件的发生概率和系统可靠度、评价顶事件的严重性与危害度, 计算底事件和最小

割集的重要度等 ;
6) 确定薄弱环节和关键元部件。改进系统的可靠性、安全性；
(7) 进行技术经济分析，作方案比较与决策等。
4．可靠性增长试验
各项可靠性设计技术应用后，电子产品所达到的可靠性预计值还是纸面上的。按照设计方案研制出来的样

机，其可靠性初始值往往只有设计时已达到的预计值的10～30％。这是由于所设计的产品总会存在着事先

意想不到的初期设计缺陷、工程缺陷以及制造上的各种缺陷，设计时所选用的元器件也可能不完全合适。

缺陷虽不一定是故障，但它的存在及发展迟早能引起故障，故在可靠性工程中，除了应用前面所述FMECA

和FTA等分析方法，还必须采用可靠性增长试验的方法，也即是给样机施加一定的应力。强迫暴露设计缺

陷，使缺陷变成故障，并对故障进行仔细分析，找出故障机理，通过进行再设计，来系统地、永久地消除

故障机理，阻止同样的故障再度出现。这个试验一分析一改进（简称TAA F）的过程，就是可靠性增长过

程或称为可靠性增长试验过程。这个过程每每进行一次，样机的可靠性就增值一次，经过多次反复，直到

实现设计的固有可靠性。
可靠性增长试验既适用于设计研制和生产定型阶段，也适用于批量生产阶段。但重点是在设计研制和生产

定型之前进行，因为那时的产品尚处于可以再设计阶段，比起投入批量生产以后的产品，在设计上作出修

改的困难程度和所需费用都将小得多。
为了在可靠性增长试验活动中能严密地、有效地监控和跟踪可靠性的变动情况，有必要把可靠性增长定量

化。由于可靠性增长活动是对产品不断进行试验和采取积极的改进活动，因此，反映产品质量的母体水平

也在不断变动之中，所以可靠性增长的定量化需要应用变动母体的统计分析方法，这就是可靠性增长的数

学模型。它是一个作为时间函数的数学公式来表示增长过程中产品的可靠度，用以往各次增长试验的数据

（可以来自不同母体），拟合出可靠性增长的数学模型，用以表达产品的增长规律，估计当前的可靠性水

平，预测以后可能达到的可靠性水平，所以它是增长试验的重要工具。目前已提出的有10余种可靠性增长

模型。
产品的可靠性增长程度取决于通过增长试验是否能把设计和制造中的潜在缺陷暴露出来，以及对这些缺陷

的分析和改进程度。

二、可靠性设计程序
为了使可靠性设计工作的基本要求、基本内容在设计过程中能有计划、有步骤地落实下去，便于随时进行

检查、监督和控制，有必要把可靠性设计的任务和内容编写成工作程序，作为设计阶段的一项质量保证措

施。 它分为调查研究、总体方案的确定、设计研制、设计定型和生产定型五个阶段：在调查研究阶段，

主要是在收集资料的基础上确定可靠性指标；在总体方案确定阶段，则要确定应采取的可靠性设计措施，

并进行可靠性预计和分配；在设计研制阶段，主要是应用专门的可靠性设计技术进行专题可靠性设计；而

在定型阶段，主要是进行可靠性增长试验和鉴定试验。