基于通信定位系統用模塊的可靠性預計計算研究

王志剛

（上海復控華龍微系統技術有限公司，上海 200439）

隨著經濟的發展和科技的進步，產品的可靠性越來越受到各行各業的重視，可靠性也被越來越多的行業所熟知，在一些高可靠性要求的行業，如汽車、兵器、航空航天等行業，可靠性早已深入人心，可靠性也是軍工行業常說的“六性”之一，是必須要落實的設計約束指標之一。通常總體單位根據系統的可靠性要求提出一個系統級別的可靠性定量指標MTBF（平均故障間隔時間）值，然后根據系統的構成層層分解到分系統級、整機級、設備級、單元級、模塊級甚至元器件級。總體單位可靠性指標是一個從上向下、由大到小分解的過程，指標根據產品特性逐級向下分解，各級分承制單位接到分配的可靠性指標，為了在設計上能達到指標，在可靠性計算上是一個逆過程，根據原理圖或功能框圖、功能流程圖建立可靠性模型，從元器件層級向上計算，根據計算的結果再動態調整設計。本文主要論述元器件應力分析可靠性預計計算法的計算方式，對研制過程的可靠性預計計算及可靠性設計具有實用價值。

1 通信定位系統用模塊可靠性定量具體要求

通信定位系統用模塊的技術開發協議中規定的可靠性指標MTBF不小于28 000小時，使用環境為機載、艦載、車載、地面固定環境，工作溫度為-40～+55℃，存儲溫度為-50～+65℃。

2 可靠性預計計算

2.1 可靠性預計方案設計

由于模塊過于復雜，用到的元器件數量繁多，如果可靠性預計計算全覆蓋模塊每個元器件，勢必造成計算過于復雜，計算周期過于冗長。根據模塊原理圖和BOM清單，本次可靠性預計計算把同一類型，不同取值的器件歸作一類元件，統一進行可靠性分析計算；把數量少、功能簡單、可靠性高的器件統一歸作一類，按最大加權計算，不對單一個體做具體分析；把功能單一、可靠性高、失效后不影響使用的器件不做分析；對主要功能的器件的重點分析。所采集的元器件均是模塊的關鍵元件。上述器件中任何一個元器件失效，都將造成整個模塊的失效，所以模塊的可靠性預計計算模型是一個串聯模型結構[1]。

本模塊是可以修復類電子產品，壽命服從指數分布，由可靠性理論可知，其平均故障間隔時間與失效率成反比，計算公式為 MTBF = 1/λ。

由于本模塊已完成初樣的研制，所用元器件的各種信息都已基本確定，各類器件的失效率模型及其失效率因子等有關可靠性參數可以從GJB/Z 299C-2006電子設備可靠性預計手冊查到。

2.2 收集整理器件清單

表1 可靠性預計計算中主要評估的元器件清單

2.3 可靠性預計計算

已知模塊工作于機載、艦載、車載、地面固定環境，可靠性預計時選取最惡劣環境（機載環境），環境類別分類符號為A I F，模塊的工作環境溫度為-40～+55℃。現對其可靠性指標計算如下：

2.3.1 微處理器集成電路λP

微處理器總數為3個。由于模塊微處理器集成電路均采用進口的電子元器件，故其工作失效率模型為：λP=[C1πT +C2πE] πQ

環境系數πE =9.5；質量系數πQ =1.0；電路復雜度失效率為C1=0.0110×10-6/h 。

溫度應力系數πT=0.917；集成電路封裝復雜度失效率C2=0.0213×10-6/h。

故其工作失效率為

在上述計算過程中，通過查《GJB/Z299C-2006電子設備可靠性預計手冊》可以選取相應的失效率模型，根據項目中使用的未處理器的型號可以在手冊中選取C1的參數，這個參數由所選器件型號決定的無法調整；πT這個參數大的使用工作溫度環境由系統的環境決定，我們無法改變，但微處理器在模塊中通過熱通道布局及整板的散熱設計是可以優化的，這個參數有一定的調整空間；C2參數由器件型號決定，無法調整，但在計算過程中也給予我們啟發，在設計時選擇什么類型的封裝可靠性系數相對高；πE這個參數由系統的使用環境決定，無法調整；πQ質量系數由型號決定，無法調整，計算過程中的啟示是，設計時費用允許優選高質量等級的器件；微處理器的數量3個由設計方案決定的，計算過程中啟示是在滿足運算能力的前提下，盡可能壓縮數量，例如通過選擇處理能力更強的處理器。最后通過失效率模型計算出失效率λP1=0.63759×10-6/h

2.3.2 存儲器集成電路工作失效率λP

存儲器集成電路總數為26個。

環境系數πE =9.5；質量系數πQ =1.0；電路復雜度失效率為C1=0.0100×10-6/h。

溫度應力系數πT=0.919；集成電路封裝復雜度失效率C2=0.0046×10-6/h。

故其工作失效率為

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，各參數通過查表調整獲得，過程同上。

2.3.3 其他集成電路工作失效率λP

其他集成電路總數為48個。

環境系數πE =9.5；質量系數πQ =1.0；電路復雜度失效率C1=0.0035×10-6/h。

溫度應力系數πT=0.709；集成電路封裝復雜度失效率C2=0.0023×10-6/h。

故其工作失效率為

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，各參數根據項目使用器件，通過查預計手冊相應數據表獲得，過程同上。

2.3.4 電阻器的工作失效率λP

本模塊中選用的電阻器為949只，其工作失效率模型為

基本失效率λb=0.0014×10-6/h；環境系數得πE=5.0；質量系數得πQ =0.1；阻值系數得πR =1.0。

故其工作失效率為

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，各參數根據項目使用器件通過查預計手冊相應數據表獲得，過程同上。

2.3.5 固體鉭電容器的工作失效率λP

本模塊中選用的固體鉭電解電容器為6只，其工作失效率模型為

基本失效率λb=0.0137×10-6/h；環境系數πE=8.3；質量系數πQ=0.1；電容系數πCV=1.9；串聯電阻系數πSR=0.07；表面貼裝系數πch=1.2。

故其工作失效率為

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，各參數根據項目使用器件通過查預計手冊相應數據表獲得，過程同上。

2.3.6 陶瓷電容器的工作失效率λP

本模塊選用的陶瓷電容器屬1類瓷介電容器，數量為1702只，其工作失效率模型為

基本失效率λb=0.0 0 9 3×10-6/h；環境系數πE=6.7；質量系數πQ=0.03；電容量系數πCV=1.0；表面貼裝系數πch=1.5。

故其工作失效率為

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，各參數根據項目使用器件通過查預計手冊相應數據表獲得，過程同上。

2.3.7 電感工作失效率λP

電感為磁性器件，其工作失效率模型為

基本失效率λb=0.0 0 55×10-6/h；環境系數πE=15；質量系數πQ=0.6；種類系數πK=1.0；結構系數πC=1.0。

本模塊使用90只電感，工作失效率

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取失效率模型，基本失效率λb可調整；電感的基本失效率較高，在設計時要優選額定溫度高的型號，提高耐環境性，降低基本失效率；環境系數πE有系統由使用環境決定，無法調整；πK和πC對電感的失效率影響也較大，選型時優選固定結構的，少選可調結構的；質量系數πQ可調整，電感的失效率較高，選型時優選高質量等級器件。

2.3.8 連接器的工作失效率λP

本處理板選用的連接器數量為18個，均為單個連接器，故其工作失效率模型為

基本失效率λb=0.0 3 0 3×10-6/h；環境系數πE=4.3；質量系數πQ=0.2；接觸件系數πP=2.44；插拔系數πK=1.0；插孔結構系數πC=0.3。

故其工作失效率為

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，各參數根據項目使用器件通過查預計手冊相應數據表獲得，過程同上。

2.3.9 印制板的工作失效率λP

印制板的工作失效率模型為

式中，λb1取值為0.0 0 017×10-6/h，λb2 取值為0.0011×10-6/h；環境系數πE=8.0；質量系數πQ=0.3；復雜度系數πC=3.1；本模塊金屬化孔數N=4000。

故其工作失效率為

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，模型中基本失效率λb1和λb2取值固定，無法調整；金屬化孔數N在設計時可調整，在滿足使用要求的情況下，盡量減少以降低失效率；πE系統由使用環境決定，無法調整，通過查表獲得；復雜度系數πC在PCB設計時在滿足設計要求的情況下，盡量減少PCB的層數降低失效率；質量系數πQ可調整，優選質量等級高的制版標準；印制板是整個模塊的載體，本身失效率比重也很高，對整個可靠性至關重要，在設計時要重點考慮。

2.3.10 焊接點的工作失效率λP

焊接點的工作失效率模型為

λP7=λbπEπQ

基本失效率λb=0.000070×10-6/h；環境系數πE=6；質量系數πQ=0.25。

本模塊共有12000個焊接點,工作失效結果：

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，各參數根據項目使用器件通過查預計手冊相應數據表獲得，過程同上。

2.3.11 振蕩器的工作失效率λP

振蕩器的工作失效率模型為λP

基本失效率λb=0.35×10-6/h；環境系數πE=15；質量系數πQ=0.35。

本模塊使用振蕩器5只，故其工作失效率為

上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，基本失效率λb是固定參數無法調整；環境系數πE由系統使用環境決定，無法調整；唯一可以調整的是質量系數πQ和數量，在計算過程中，如果發現振蕩器的基本失效率比較高，在設計中應該優化電路設計，盡量壓縮振蕩器的使用數量，提高使用的振蕩器的質量等級，唯有這樣可以降低失效率提高可靠性。通過計算可知，震蕩器λP11=9.1875×10-6失效率占模塊的總的失效率比重很大，這方面的設計應特別慎重。

2.3.12 二極管的工作失效率λP

普通二極管工作失效率模型為

基本失效率λb=0.023×10-6/h；環境系數πE=13；質量系數πQ=0.2；額定電流系數πr=1.0；應用系數πA=1.0；電壓應力系數πS2=0.20；結構系數πC=1.0。

本模塊使用54只普通二極管故：

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應的失效率模型，各參數根據項目使用器件通過查預計手冊相應數據表獲得，過程同上。

2.3.13 本模塊的工作失效率λPS

由以上可得出本模塊的工作失效率為

該模塊的可靠性預計方案是串聯模型，總的失效率λPS是各總要器件失效率的和。

平均故障間隔時間MTBF和失效率成反比，故本模塊的平均故障間隔時間為

2.4 可靠性預計結果

經上述計算，模塊理論MTBF為32 583小時，滿足28 000小時的要求。

3 結束語

為達到規定的預計計算結果，在計算時各種參數需要反復調整，在調整過程中需要記錄下調整參數，形成可靠性設計約束指標反饋到設計過程中，通過可靠性預計計算過程驗證完善可靠性設計準則。在計算過程中總結了以下基本的可靠性設計準則。

（1）簡化設計。在滿足功能性能的前提下，應采用簡化設計技術以提高產品的基本可靠性。

（2）慎用冗余設計。冗余設計可以提高產品的任務可靠性，但卻降低了基本可靠性，因此在設計時應慎用冗余設計。

（3）應遵循降額設計準則。對于電子電器和機電元器件，根據標準對不同類別的元器件，按不同的應用情況進行降額。

（4）為了使設計的產品性能和可靠性不被不合適的熱特性所破壞，必須對熱敏感的器件進行熱分析，通過熱分析優化熱敏感器件的布局，提高該類器件的工作可靠性。

（5）提高環境適應性。要考慮產品在其工作剖面的環境適應性和可靠性要求，加強三防設計，通過使用耐環境因素的材料，在工藝上進行表面防護涂敷，對有特殊要求的電路、部件在結構上采取密封措施，將設備與有害環境完全隔離。■