單機電子產品可靠性預計技術分析*

王 瑋

（航天恒星科技有限公司 北京 100095）

1 引言

可靠性工程已成為系統壽命周期中的一個重要環節，它關系到系統任務的成敗［1］。可靠性是系統保證任務能力的重要體現，直接影響系統型號的立項、研制、履約和使用等各個環節。根據系統型號產品的特點，產品結構復雜、重要度高，需要采用多種先進技術、技術風險高、型號需求重要等特點［2］，因此對可靠性有更高的要求；船舶產品除了以上特點外使用時的濕度、振動環境也有特殊要求［3］，因此對產品可靠性有更高的要求。

對單機產品的可靠性指標驗證，一般分兩個部分。第一個部分是在工程研制階段的可靠性預計，是對產品設計的考核，可靠性預計值要大于可靠性規定值，才能保證設計可靠性滿足要求，以及后續生產出的產品滿足合同值。型號產品往往要求可靠性預計值滿足合同中的規定值，才能開展后續的投產、試驗，以確保設計可靠性滿足要求。第二個部分是在定型鑒定階段，根據產品的試驗數據，采用統計模型，進行可靠性評估。考核了產品的硬件設計、軟件設計、工藝實現能力等［4］。

2 任務剖面建立原則

裝備系統數據鏈產品一般裝在導彈上或者導彈發射車上的發射架上。數據鏈產品的導彈掛在飛機上時，一般經歷的任務階段有：掛飛、自檢、發射和自主飛［5］。對應的工作模式有：靜默、小功率、中功率和大功率。一般，不同的任務階段，數據鏈產品的工作模式不同。

不同的任務階段，產品的工作模式不同，元器件的功率、工作電壓等工作參數［6］就不同，帶來的可靠性影響就不同。一方面環境系數不同，另一方面工作應力不同，導致的元器件失效率就不同，可靠度就不同。如表1 所示，不同的任務階段帶來的元器件工作應力情況［7］。

表1 任務階段與工作模式

例如：某型號任務的任務剖面見圖1 所示。T0-導彈發射時刻。

圖1 任務剖面模型

3 可靠性模型建立原則

產品的基本可靠性反映的是產品對維修人力費用和后勤保障資源的需求，故產品的各個模塊故障均會引起維修人力、資源的保障，因此應為全串聯模型［8］；任務可靠性是產品在規定的任務剖面中完成規定功能的能力。在不同的任務階段應有不同的任務可靠性模型［9］。

3.1 可靠性框圖

圖1 為任務剖面，圖2 為任務可靠性框圖模型。在圖1 任務剖面中的各任務階段中，雖然可靠性框圖均為圖2，但是每個模塊的可靠度和故障率不同，因為各階段內的環境應力和工作應力不同。

圖2 可靠性框圖

3.2 可靠度數學模型

元器件和設備是電子產品，故障率函數服從指數分布。可靠性框圖為串聯，見式（1）。為確保任務成功，模塊中的元器件為串-并-旁聯模型；串聯電路模塊內故障率函數為各元器件故障率相加，可靠度函數為各可靠度連乘見式（2）；并聯電路模型見式（3）；旁聯電路模型見式（4）：

其中：Ri（t）為第i 個時間段可靠度，i=1，2，3；j 為第j個模塊；Rij（t）為第i時間段第j個串聯模塊可靠度；ti為第i 個時間段內的工作時間（每個時間段的基準時間為0）；lijm為第i時間段第j個模塊中第m個元器件故障率；RL為旁聯模塊中的選擇器件可靠度。

其中lijm與元器件工作的時間段中的工作應力Gk、環境應力L/F 均有關系。全任務階段段可靠度模型是串聯模型，可靠度見式（5）：

4 各任務階段元器件可靠性預計

4.1 預計方法

按照GJB/Z299C《電子設備可靠性預計手冊》中元器件應力分析法［10］的要求，對本項目開展可靠性預計。預計遵循的原則如下：

1）可靠性預計主要參數參考器件手冊和項目原理圖；對查不到的元器件參數和GJB/Z299C 沒有包含的元器件，借用雷同元器件的參數和可靠性值進行預計［11］；

2）本產品為電子產品，故障函數為指數模型，故障率在每個任務時間階段為常數；

3）預計參數無法獲取的，按照最惡劣情況預計可靠度。

4.2 元器件預計參數

按照GJB/Z299C《電子設備工作可靠性預計手冊》中的元器件失效率模型，收集元器件固有參數和使用參數，進行預計。收集信息表示例詳見表2。GJB/Z299C 和MIL217F［12］經過足夠數量的相應元器件失效統計模擬出的失效率模型。在信息收集時，需注意以下幾點：

表2 半導體單片模擬集成電路

1）根據GJB/Z299C 的元器件分類，如果目標元器件類別不清晰的，如半導體數字電路也可能是FPGA，則兩種都計算，選擇失效率結果高的作為結果值；不在GJB/Z299C 的元器件分類中的，問廠家要失效率數據；

2）信息要準確，才能確保失效率結果較為準確，例如，元器件的結溫，可以通過熱仿真獲得結溫，也可知悉殼溫、熱耗、熱阻計算得到結溫［13］；熱耗在第三章分析的在不同的任務階段、工作模式，有不同的熱耗，結溫不同，失效率就不同。

5 結語

根據以上分析，可以總結出電子產品元器件可靠性預計技術需要注意以下幾點：

1）需要建立電子產品的任務剖面，分析任務剖面中的不同任務階段，產品的不同工作模式、以及元器件的工作方式，確定工作應力的不同，主要是功率、工作電壓等；

2）任務剖面中的不同任務階段的工作環境可能不同，因此，按照GJB/Z299C 的環境分類，劃分最接近的環境類別，可適當調整環境π系數，系數需通過專家審核確定；

3）質量等級根據元器件使用時的二次篩選、DPA 檢測、復驗管理等手段的加強，質量等級系數可適當降低π系數，系數需通過專家審核確定；

4）元器件的信息收集需要準確，尤其是質量等級、功耗、結溫、門數（位數、晶體管數）、管腿數、封裝形式等。結溫的取值方式可以是傳感器測量、熱仿真、熱成像、殼溫-功耗計算等途徑，力求準確，才能保證計算出的可靠度準確。