王志刚

（上海复控华龙微系统技术有限公司，上海 200439）

随着经济的发展和科技的进步，产品的可靠性越来越受到各行各业的重视，可靠性也被越来越多的行业所熟知，在一些高可靠性要求的行业，如汽车、兵器、航空航天等行业，可靠性早已深入人心，可靠性也是军工行业常说的“六性”之一，是必须要落实的设计约束指标之一。通常总体单位根据系统的可靠性要求提出一个系统级别的可靠性定量指标MTBF（平均故障间隔时间）值，然后根据系统的构成层层分解到分系统级、整机级、设备级、单元级、模块级甚至元器件级。总体单位可靠性指标是一个从上向下、由大到小分解的过程，指标根据产品特性逐级向下分解，各级分承制单位接到分配的可靠性指标，为了在设计上能达到指标，在可靠性计算上是一个逆过程，根据原理图或功能框图、功能流程图建立可靠性模型，从元器件层级向上计算，根据计算的结果再动态调整设计。本文主要论述元器件应力分析可靠性预计计算法的计算方式，对研制过程的可靠性预计计算及可靠性设计具有实用价值。

1 通信定位系统用模块可靠性定量具体要求

通信定位系统用模块的技术开发协议中规定的可靠性指标MTBF不小于28 000小时，使用环境为机载、舰载、车载、地面固定环境，工作温度为-40～+55℃，存储温度为-50～+65℃。

2 可靠性预计计算

2.1 可靠性预计方案设计

由于模块过于复杂，用到的元器件数量繁多，如果可靠性预计计算全覆盖模块每个元器件，势必造成计算过于复杂，计算周期过于冗长。根据模块原理图和BOM清单，本次可靠性预计计算把同一类型，不同取值的器件归作一类元件，统一进行可靠性分析计算；把数量少、功能简单、可靠性高的器件统一归作一类，按最大加权计算，不对单一个体做具体分析；把功能单一、可靠性高、失效后不影响使用的器件不做分析；对主要功能的器件的重点分析。所采集的元器件均是模块的关键元件。上述器件中任何一个元器件失效，都将造成整个模块的失效，所以模块的可靠性预计计算模型是一个串联模型结构[1]。

本模块是可以修复类电子产品，寿命服从指数分布，由可靠性理论可知，其平均故障间隔时间与失效率成反比，计算公式为 MTBF = 1/λ。

由于本模块已完成初样的研制，所用元器件的各种信息都已基本确定，各类器件的失效率模型及其失效率因子等有关可靠性参数可以从GJB/Z 299C-2006电子设备可靠性预计手册查到。

2.2 收集整理器件清单

表1 可靠性预计计算中主要评估的元器件清单

2.3 可靠性预计计算

已知模块工作于机载、舰载、车载、地面固定环境，可靠性预计时选取最恶劣环境（机载环境），环境类别分类符号为A I F，模块的工作环境温度为-40～+55℃。现对其可靠性指标计算如下：

2.3.1 微处理器集成电路λP

微处理器总数为3个。由于模块微处理器集成电路均采用进口的电子元器件，故其工作失效率模型为：λP=[C1πT +C2πE] πQ

环境系数πE =9.5；质量系数πQ =1.0；电路复杂度失效率为C1=0.0110×10-6/h 。

温度应力系数πT=0.917；集成电路封装复杂度失效率C2=0.0213×10-6/h。

故其工作失效率为

在上述计算过程中，通过查《GJB/Z299C-2006电子设备可靠性预计手册》可以选取相应的失效率模型，根据项目中使用的未处理器的型号可以在手册中选取C1的参数，这个参数由所选器件型号决定的无法调整；πT这个参数大的使用工作温度环境由系统的环境决定，我们无法改变，但微处理器在模块中通过热通道布局及整板的散热设计是可以优化的，这个参数有一定的调整空间；C2参数由器件型号决定，无法调整，但在计算过程中也给予我们启发，在设计时选择什么类型的封装可靠性系数相对高；πE这个参数由系统的使用环境决定，无法调整；πQ质量系数由型号决定，无法调整，计算过程中的启示是，设计时费用允许优选高质量等级的器件；微处理器的数量3个由设计方案决定的，计算过程中启示是在满足运算能力的前提下，尽可能压缩数量，例如通过选择处理能力更强的处理器。最后通过失效率模型计算出失效率λP1=0.63759×10-6/h

2.3.2 存储器集成电路工作失效率λP

存储器集成电路总数为26个。

环境系数πE =9.5；质量系数πQ =1.0；电路复杂度失效率为C1=0.0100×10-6/h。

温度应力系数πT=0.919；集成电路封装复杂度失效率C2=0.0046×10-6/h。

故其工作失效率为

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，各参数通过查表调整获得，过程同上。

2.3.3 其他集成电路工作失效率λP

其他集成电路总数为48个。

环境系数πE =9.5；质量系数πQ =1.0；电路复杂度失效率C1=0.0035×10-6/h。

温度应力系数πT=0.709；集成电路封装复杂度失效率C2=0.0023×10-6/h。

故其工作失效率为

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，各参数根据项目使用器件，通过查预计手册相应数据表获得，过程同上。

2.3.4 电阻器的工作失效率λP

本模块中选用的电阻器为949只，其工作失效率模型为

基本失效率λb=0.0014×10-6/h；环境系数得πE=5.0；质量系数得πQ =0.1；阻值系数得πR =1.0。

故其工作失效率为

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，各参数根据项目使用器件通过查预计手册相应数据表获得，过程同上。

2.3.5 固体钽电容器的工作失效率λP

本模块中选用的固体钽电解电容器为6只，其工作失效率模型为

基本失效率λb=0.0137×10-6/h；环境系数πE=8.3；质量系数πQ=0.1；电容系数πCV=1.9；串联电阻系数πSR=0.07；表面贴装系数πch=1.2。

故其工作失效率为

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，各参数根据项目使用器件通过查预计手册相应数据表获得，过程同上。

2.3.6 陶瓷电容器的工作失效率λP

本模块选用的陶瓷电容器属1类瓷介电容器，数量为1702只，其工作失效率模型为

基本失效率λb=0.0 0 9 3×10-6/h；环境系数πE=6.7；质量系数πQ=0.03；电容量系数πCV=1.0；表面贴装系数πch=1.5。

故其工作失效率为

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，各参数根据项目使用器件通过查预计手册相应数据表获得，过程同上。

2.3.7 电感工作失效率λP

电感为磁性器件，其工作失效率模型为

基本失效率λb=0.0 0 55×10-6/h；环境系数πE=15；质量系数πQ=0.6；种类系数πK=1.0；结构系数πC=1.0。

本模块使用90只电感，工作失效率

在上述计算过程中，通过查手册可以选取失效率模型，基本失效率λb可调整；电感的基本失效率较高，在设计时要优选额定温度高的型号，提高耐环境性，降低基本失效率；环境系数πE有系统由使用环境决定，无法调整；πK和πC对电感的失效率影响也较大，选型时优选固定结构的，少选可调结构的；质量系数πQ可调整，电感的失效率较高，选型时优选高质量等级器件。

2.3.8 连接器的工作失效率λP

本处理板选用的连接器数量为18个，均为单个连接器，故其工作失效率模型为

基本失效率λb=0.0 3 0 3×10-6/h；环境系数πE=4.3；质量系数πQ=0.2；接触件系数πP=2.44；插拔系数πK=1.0；插孔结构系数πC=0.3。

故其工作失效率为

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，各参数根据项目使用器件通过查预计手册相应数据表获得，过程同上。

2.3.9 印制板的工作失效率λP

印制板的工作失效率模型为

式中，λb1取值为0.0 0 017×10-6/h，λb2 取值为0.0011×10-6/h；环境系数πE=8.0；质量系数πQ=0.3；复杂度系数πC=3.1；本模块金属化孔数N=4000。

故其工作失效率为

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，模型中基本失效率λb1和λb2取值固定，无法调整；金属化孔数N在设计时可调整，在满足使用要求的情况下，尽量减少以降低失效率；πE系统由使用环境决定，无法调整，通过查表获得；复杂度系数πC在PCB设计时在满足设计要求的情况下，尽量减少PCB的层数降低失效率；质量系数πQ可调整，优选质量等级高的制版标准；印制板是整个模块的载体，本身失效率比重也很高，对整个可靠性至关重要，在设计时要重点考虑。

2.3.10 焊接点的工作失效率λP

焊接点的工作失效率模型为

λP7=λbπEπQ

基本失效率λb=0.000070×10-6/h；环境系数πE=6；质量系数πQ=0.25。

本模块共有12000个焊接点,工作失效结果：

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，各参数根据项目使用器件通过查预计手册相应数据表获得，过程同上。

2.3.11 振荡器的工作失效率λP

振荡器的工作失效率模型为λP

基本失效率λb=0.35×10-6/h；环境系数πE=15；质量系数πQ=0.35。

本模块使用振荡器5只，故其工作失效率为

上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，基本失效率λb是固定参数无法调整；环境系数πE由系统使用环境决定，无法调整；唯一可以调整的是质量系数πQ和数量，在计算过程中，如果发现振荡器的基本失效率比较高，在设计中应该优化电路设计，尽量压缩振荡器的使用数量，提高使用的振荡器的质量等级，唯有这样可以降低失效率提高可靠性。通过计算可知，震荡器λP11=9.1875×10-6失效率占模块的总的失效率比重很大，这方面的设计应特别慎重。

2.3.12 二极管的工作失效率λP

普通二极管工作失效率模型为

基本失效率λb=0.023×10-6/h；环境系数πE=13；质量系数πQ=0.2；额定电流系数πr=1.0；应用系数πA=1.0；电压应力系数πS2=0.20；结构系数πC=1.0。

本模块使用54只普通二极管故：

在上述计算过程中，通过查手册可以选取相应的失效率模型，各参数根据项目使用器件通过查预计手册相应数据表获得，过程同上。

2.3.13 本模块的工作失效率λPS

由以上可得出本模块的工作失效率为

该模块的可靠性预计方案是串联模型，总的失效率λPS是各总要器件失效率的和。

平均故障间隔时间MTBF和失效率成反比，故本模块的平均故障间隔时间为

2.4 可靠性预计结果

经上述计算，模块理论MTBF为32 583小时，满足28 000小时的要求。

3 结束语

为达到规定的预计计算结果，在计算时各种参数需要反复调整，在调整过程中需要记录下调整参数，形成可靠性设计约束指标反馈到设计过程中，通过可靠性预计计算过程验证完善可靠性设计准则。在计算过程中总结了以下基本的可靠性设计准则。

（1）简化设计。在满足功能性能的前提下，应采用简化设计技术以提高产品的基本可靠性。

（2）慎用冗余设计。冗余设计可以提高产品的任务可靠性，但却降低了基本可靠性，因此在设计时应慎用冗余设计。

（3）应遵循降额设计准则。对于电子电器和机电元器件，根据标准对不同类别的元器件，按不同的应用情况进行降额。

（4）为了使设计的产品性能和可靠性不被不合适的热特性所破坏，必须对热敏感的器件进行热分析，通过热分析优化热敏感器件的布局，提高该类器件的工作可靠性。

（5）提高环境适应性。要考虑产品在其工作剖面的环境适应性和可靠性要求，加强三防设计，通过使用耐环境因素的材料，在工艺上进行表面防护涂敷，对有特殊要求的电路、部件在结构上采取密封措施，将设备与有害环境完全隔离。■