原创 测试技术第004篇 电子元器件的寿命可靠性 MTTF FIT

2024-4-15 22:44 439 3 3 分类: 测试测量 文集: 2 测试技术
[初次发表 24-04-15  最后编辑:24-06-15] 
    一个产品开箱合格率高,用起来持久,还不怕粗暴使用,人们会夸:“质量钢钢的”。追这个目标需要先分解:可靠性(Reliability),质量、品质( Quality Consistancy),健壮性(Robustness)。Reliability 体现产品可以在预定需求规格下用多久,Quality Consistancy 表现供方能够在多大程度上保持产品符合预定需求规格的一致性,而 Robostness 则体现用户在超出预定需求规格的情况下产品的生存能力。作为用户,我们常把“可靠性”、“质量”、“品质”和“健壮性”混为一谈,作为设计者、供方,需要分解为可靠性设计,容差设计和稳健性设计。
    可靠性本身已经是一个很大的话题。我喜欢JEITA标准的处理方式,把可靠性进一步分解为时间应力(寿命)、电应力和机械应力三块,分别讨论。
    电子元器件的寿命是指在给定电应力和热应力的情况下,电子元器件的性能满足需求的时间有多久。电子元器件不是理想的东西,总是有这样或者那样的固有缺陷 / Intrisic problem,材料本身也会随着时间出现退化、腐蚀,所以,设计师要对时间应力常怀敬畏之心。如果把电子产品比作一座大厦,那么电子元器件就是搭建大厦的积木。古人讲:千里之堤,毁于蚁穴,说的是单点的危害 / Hazard 如果不解决,累积起来,会导致系统失效 / Failure。
    电子元器件的寿命用MTTF和FIT来表征。电子元器件通常是不可维修的,所以不适用MTBF这个指标。
        MTTF = Mean Time To Failure,平均首次故障时间,单位是小时。
        FIT = Failure in Time,寿命可靠度。单位是 10^9 hr^-1,也就是“个每10亿工作小时”。
    二者“在数值上”是倒数关系,即 FIT = 1 / MTTF。在GJB 299中有相关的定义。虽然这是针对电子系统的,但是似乎也被电子元器件行业所引用,而且看起来符合性还不错。
    MTTF的计算主要是基于化学-物理的规律,即物质的活化能,这个不是本文的重点。
    FIT的计算是基于统计模型的,比如半导体元器件会选用“卡方 / Chi-square” 分布,基于给定的样本个数、预期失效品个数来计算。常用的计算式是:
        FIT = X( 1-C, 2r + 2) / (2xTxs)
        其中:
            X  卡方分布函数
            C  置信度,比如60%置信度时,C=0.6;
            r  失效品个数
            T  工作小时数
            s  样本总数
    给定等式右边的变量,就可以计算出FIT。

    如果给定FIT、C、r和T,那么可以计算出需要的样本量s。在进行寿命可靠性实验时,正确的做法是这样确定样本量,而不是套用AQL、LTPD的表格来选择 45ea或者77ea。从测试技术第001篇和第002篇可以看出,AQL和LTPD,都不是为时间应力准备的,而是一种检验 Quality Consistance 的手段,遗憾的是很多企业都混淆它们。
    电子元器件供方量产批准(Mass Production Approval)时,除了按上面的样本量s来抽样,还要进行3个连续批的重复测试,只有全部合格才算达到要求。

Ref:
傅高义.半导体IC产品可靠度: 统计、物理与工程.台湾五南出版社.2011
GJB/Z 299C-2006.电子设备可靠性预计手册

作者: 电子知识打边炉, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-4061550.html

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