通用電子產(chǎn)品全壽命周期可靠性分析方法

王宇，王欣汝，黃進永，劉舜鑫

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

通用電子產(chǎn)品全壽命周期可靠性分析方法

王宇，王欣汝，黃進永，劉舜鑫

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

可靠性是電子產(chǎn)品的不可見質(zhì)量。通用電子產(chǎn)品的故障事件頻發(fā)，但是，現(xiàn)有的針對電子產(chǎn)品可靠性的研究卻過于 “專一化”，尚未對通用電子產(chǎn)品在整個壽命周期過程的可靠性作出全面的分析。如何在電子產(chǎn)品研制、試驗、生產(chǎn)、使用和維修的整個壽命周期中，對電子產(chǎn)品的可靠性進行定性分析和量化評價，是通用電子產(chǎn)品可靠性分析評估中急需解決的問題。針對以上問題，提出了一種對電子產(chǎn)品在全壽命周期中的可靠性進行定性與定量分析的方法，并以某智能電表為例，進行了案例分析。

通用電子產(chǎn)品；全壽命周期；可靠性；定性分析；定量分析

0 引言

作為信息時代的新寵，電子產(chǎn)品因其具有自動化程度高、數(shù)量龐大、種類繁多和覆蓋面廣等特點而得到了廣泛的應(yīng)用，但是，如果不能很好地控制其質(zhì)量，那么，各大系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性都將受到直接的影響，而且電子產(chǎn)品的設(shè)計者、消費者和使用者的工作和生活都可能會受到很大的困擾。近期，手機爆炸等負面新聞時有報道，電子產(chǎn)品的安全事故頻出，究其原因還是可靠性工作做得不到位。因此，應(yīng)高度重視電子產(chǎn)品的可靠性工作，除了要加強電子產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計和使用管理等各個環(huán)節(jié)的測試工作以外，還應(yīng)對其可靠性做出科學(xué)合理的評價，并根據(jù)評價結(jié)果提出改進和優(yōu)化設(shè)計方案。

在電子產(chǎn)品可靠性分析評價方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，取得了一定的成果。例如：張曉潔等[1]人針對不便于通過試驗鑒定判斷其可靠性水平的軍用電子產(chǎn)品，提出了一種通過收集環(huán)境試驗數(shù)據(jù)來對其平均故障間隔時間（MTBF：Mean Time Between Failure）進行區(qū)間估計的可靠性分析評估方法；覃慶努等[2]人通過結(jié)合云模型和Petri網(wǎng)，提出了一種基于CTHSPN來考慮變環(huán)境變工作條件的電子產(chǎn)品可靠性評價方法；嚴云升等[3]人闡述了電子產(chǎn)品可靠性在目前軌道交通系統(tǒng)中的分配問題，并就此探討了新產(chǎn)品取代老產(chǎn)品的必要條件和冗余系統(tǒng)的可靠性評估問題；柳超[4]提出了一種借助于可靠性預(yù)計和分配技術(shù)并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)來對高可靠軍用電子產(chǎn)品進行綜合分析評估的方法。

由此可見，雖然目前針對電子產(chǎn)品可靠性評價開展了廣泛的研究，但是這些研究要么是針對某個特定領(lǐng)域的電子產(chǎn)品，要么是針對電子產(chǎn)品某個研制階段的可靠性進行評估，并未對通用電子產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)的可靠性進行定性與定量的分析。為此，本文結(jié)合可靠性預(yù)計、評估技術(shù)和可靠性試驗，結(jié)合 “定性分析”和 “定量統(tǒng)計”的優(yōu)勢，提出了通用電子產(chǎn)品全壽命周期中的可靠性的定性與定量分析方法。

1 常用的可靠性分析方法簡介

現(xiàn)有的電子產(chǎn)品可靠性分析評價方法有：定時截尾試驗法、貝葉斯法、系統(tǒng)分布推理法和模糊計分法。他們在進行可靠性分析方面所具有的優(yōu)勢和局限性如下所述。

定時截尾試驗法由于提前知道了電子產(chǎn)品的最大的累積試驗時間，因此其能對電子產(chǎn)品的MTBF作出估計。但是，該方法一般用于產(chǎn)品的試驗期，同時不論電子產(chǎn)品的質(zhì)量好壞，都要經(jīng)過繁瑣的累積試驗，不能很好地節(jié)約資源。

貝葉斯法適用于各種失效分布系統(tǒng)，用此法推算出的系統(tǒng)可靠性置信下限比較接近系統(tǒng)的真實可靠性水平。但是，由于其數(shù)學(xué)處理的難度大，同時由于缺乏國產(chǎn)電子產(chǎn)品的驗前數(shù)據(jù)，所以該方法未能在我國得到推廣。

系統(tǒng)分布推理法是一種以電子產(chǎn)品分系統(tǒng)的可靠性來推算整個產(chǎn)品的可靠性的方法。它非常適合用于評價比較復(fù)雜的電子產(chǎn)品的可靠性，但是需要提前知道電子產(chǎn)品某個分系統(tǒng)的可靠性；此外，該方法也需要較長時間來記錄各個分系統(tǒng)的失效情況，因而難以管理。

模糊計分法是一種基于GJB 450A《裝備可靠性工作通用要求》的方法，其本質(zhì)上是專家評分法。這種方法對專家水平的依賴程度較大，不同專家組的分析評定可能會導(dǎo)致不同的結(jié)果。

因此，通過對以上可靠性評價方法的優(yōu)缺點進行分析，結(jié)合通用電子產(chǎn)品的特點，本文提出了一種在通用電子產(chǎn)品全壽命周期中都適用的可靠性分析方法。

2 通用電子產(chǎn)品全壽命周期可靠性分析方法研究

在通用電子產(chǎn)品的整個壽命周期中，我們可以做很多工作來評價其可靠性水平。一方面，可以按照可靠性檢驗標(biāo)準(zhǔn)對各電子產(chǎn)品進行可靠性定性分析；另一方面，對于通用電子產(chǎn)品，在其研制階段可以采用可靠性預(yù)計，后期試驗和生產(chǎn)等階段可以采用可靠性評估和可靠性試驗等工作來對其可靠性進行量化評價。

在整個壽命周期中，對通用電子產(chǎn)品的可靠性進行量化評價一般包括以下3個步驟：1）可靠性預(yù)計；2）可靠性評估；3）加速壽命試驗。

2.1 可靠性分析理論

2.1.1可靠性預(yù)計

可靠性預(yù)計主要用于電子產(chǎn)品的設(shè)計階段。在這個階段，根據(jù)電子產(chǎn)品的可靠性模型、結(jié)構(gòu)、材料和工作環(huán)境等信息定量地估計其組成單元及系統(tǒng)的可靠性水平[5]。其作用在于能夠提前發(fā)現(xiàn)各種設(shè)計指標(biāo)是否滿足要求，找到較弱的環(huán)節(jié)，同時也可為改進和優(yōu)化設(shè)計方案提供依據(jù)。

目前，國內(nèi)開展可靠性預(yù)計工作所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主要是由工信部電子五所制定的GJB/Z 299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》。GJB/Z 299C是在充分地分析大量的可靠性試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上編制而成的，它適用于我國的電子產(chǎn)品，同時也借鑒了美國、英國和法國等國家的可靠性預(yù)計手冊的優(yōu)點。該標(biāo)準(zhǔn)涉及21類元器件，包括部分國產(chǎn)元器件和部分進口元器件。它對這些元器件的預(yù)計模型、各種參數(shù)和基本失效率的圖表和公式進行了深入的研究，并且給出了采用應(yīng)力分析法和元器件計數(shù)法進行電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計所需要的各種信息和圖表，應(yīng)用范圍比較廣泛。GJB/Z 299D預(yù)計明年可以發(fā)布。

2.1.2可靠性評估

可靠性評估貫穿于電子產(chǎn)品研制、試驗、生產(chǎn)、使用和維修的整個壽命周期中。在研制階段，對各項可靠性試驗的結(jié)果進行評估，可以驗證試驗的有效性；在定型階段，根據(jù)可靠性鑒定試驗的結(jié)果，可以評估產(chǎn)品的可靠性水平是否達到設(shè)計的要求，從而為生產(chǎn)決策提供管理信息；在生產(chǎn)階段，根據(jù)驗收試驗數(shù)據(jù)可以評估產(chǎn)品的可靠性能否達到所要求的水平；在早期使用階段，通過收集分析和評估現(xiàn)場數(shù)據(jù)能夠找出早期故障的原因，加強可靠性篩選，提高產(chǎn)品的可靠性；在使用過程中，定期地對電子產(chǎn)品進行可靠性分析和評估，有利于及時地對可靠性水平低下的電子產(chǎn)品進行改進。

2.1.3加速壽命試驗

加速壽命試驗是在不改變電子產(chǎn)品的失效機理、不增加新的失效模式的前提下，通過提高一些應(yīng)力的強度以加速失效進程的試驗方法，一般適用于電子產(chǎn)品壽命長，急需縮短試驗時間進行產(chǎn)品壽命定量驗證的情況。根據(jù)加速試驗的數(shù)據(jù)，可以定量地評估產(chǎn)品的壽命，指導(dǎo)電子產(chǎn)品的后期維護、保障。但是，需要注意的是，在開展加速壽命試驗之前，首先需要開展可靠性預(yù)計，并且需要確保電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計的結(jié)果是滿足設(shè)計要求的；否則，開展加速壽命試驗的效果可能就會不理想。

2.2 可靠性分析方案流程

本文結(jié)合電子產(chǎn)品全壽命周期的特點及各生產(chǎn)和使用者開展電子產(chǎn)品可靠性試驗、驗證和評估工作的需求，提出了電子產(chǎn)品可靠性定性與定量分析相結(jié)合的方法，其具體的分析流程如圖1所示。

圖1 電子產(chǎn)品可靠性定性與定量分析總體流程方案

本文中提出的電子產(chǎn)品可靠性定性與定量分析相結(jié)合的方法一共包括6個步驟，具體的過程如下所述。

a）根據(jù)各個生產(chǎn)廠家和使用者提供的電子產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，開展可靠性預(yù)計工作。通過可靠性預(yù)計，分析各個廠家的產(chǎn)品是否達到了可靠性設(shè)計的要求，是否具備開展驗證試驗、可靠性評估和加速試驗的條件。若預(yù)計結(jié)果符合要求，則繼續(xù)進行下一步的驗證、試驗工作；否則，就要提出改進建議，建議廠家改進設(shè)計。

b） 按標(biāo)準(zhǔn)開展可靠性驗證試驗 （定性考核）。 對不同領(lǐng)域的電子產(chǎn)品開展可靠性試驗應(yīng)參照不同的標(biāo)準(zhǔn)。對于一般的軍用電子產(chǎn)品，可 按 照 GJB 899A-2009開展可靠性試驗，以定性地考核其可靠性是否滿足設(shè)計要求。

圖2 某智能電表的可靠性預(yù)計工作界面

c）收集可靠性數(shù)據(jù)。要求各個電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家提供產(chǎn)品研制過程的試驗數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否足以支撐開展可靠性評估。

d）開展可靠性評估，定量地評估可靠性指標(biāo)。若收集的數(shù)據(jù)充足，則可采用可靠性評估方法 （經(jīng)典法和貝葉斯法）進行電子產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)定量評估。

e）進行加速壽命試驗。由于加速壽命試驗需要投入的人力、物力較大，因此，需要綜合地考慮是否開展加速壽命試驗。

f）將可靠性驗證試驗 （定性考核）的結(jié)果與可靠性評估 （定量考核）的結(jié)果相結(jié)合，或者將可靠性驗證試驗 （定性考核）的結(jié)果與加速壽命試驗（定量考核）的結(jié)果相結(jié)合，以此來評價該電子產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)的可靠性。

3 案例分析

在眾多的電子產(chǎn)品中，本文選取某智能電表，用上文中提出的定性與定量分析方法對其可靠性進行分析[6]，具體的步驟如下所述。

a）首先，直接采用工信部電子五所的六性協(xié)同工作平臺CARMES中的可靠性預(yù)計模塊，按智能電表的各個模塊，將各項參數(shù)輸入自動計算得到其失效率 （單位為10-6/h），工作界面如圖2所示；然后，分析結(jié)果，確認其是否滿足可靠性設(shè)計開展要求。

b）按照DL/T 830標(biāo)準(zhǔn)開展可靠性驗證試驗，定性地考核該智能電表是否滿足設(shè)計要求[7]。

c）收集該智能電表生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品研制過程的各項試驗數(shù)據(jù)，主要包括：

1）按照GB/T 17215標(biāo)準(zhǔn)開展的高低溫試驗、交變濕熱試驗和陽光輻射試驗數(shù)據(jù)；

2）電磁兼容性試驗數(shù)據(jù)；

3）可靠性增長試驗數(shù)據(jù)；

4）可靠性摸底試驗數(shù)據(jù)；

5）類似型號 （例如：功能結(jié)構(gòu)基本相同，僅有小部分改進的型號）的環(huán)境試驗數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、驗證或鑒定試驗數(shù)據(jù)。

然后，將上述收集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用CARMES可靠性評估軟件的試驗數(shù)據(jù)管理模塊，錄入相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷收集的數(shù)據(jù)是否足以支撐可靠性評估工作的開展。

d）若步驟c）收集的數(shù)據(jù)充足，則可采用可靠性評估方法對智能電表的可靠性指標(biāo)進行定量的評估。在實施可靠性評估工作時，可直接采用CARMES可靠性評估軟件，進行可靠性評估，評估界面如圖3所示。

e）若步驟d）的可靠性評估的結(jié)果能夠滿足要求，則優(yōu)先采用可靠性評估手段；否則對該智能電表開展加速壽命試驗。

圖3 CARMES可靠性評估界面

f）最后，結(jié)合以上結(jié)果，對該智能電表的可靠性做出總體評價和分析，并編寫評估報告。

4 結(jié)束語

為了解決電子產(chǎn)品故障事件頻發(fā)、對裝備的使用方造成了嚴重影響的問題，需要對其整個壽命周期的可靠性進行定性和定量的分析。目前的研究尚未對電子產(chǎn)品在通用性、全壽命、定性和量化等多個方面同時做出評價分析。針對此問題，本文提出了一種定性與定量相結(jié)合的通用電子產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的可靠性分析方法。該方法對通用電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計工作的開展具有重要的指導(dǎo)意義，不失為一種經(jīng)濟、有效的可行方法。

[1]張曉潔，王強，李政.一種電子產(chǎn)品的可靠性評估方法[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2014，32（1）：32-35.

[2]覃慶努，魏學(xué)業(yè)，黃贊武，等.變環(huán)境變工作條件下電子系統(tǒng)的可靠性評價方法 [J].中南大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2013，44（8）：3254-3260.

[3]嚴云升，張潮東.電子產(chǎn)品的可靠性分析和評估 [J].機車電傳動，2007（6）：6-9.

[4]柳超.高可靠軍用電子產(chǎn)品可靠性評估方法 [J].四川兵工學(xué)報，2006，27（6）：64-66.

[5]駱明珠，康銳，劉法旺.電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計方法綜述[J].電子科學(xué)技術(shù)，2014，1（2）：246-256.

[6]全國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電能表可靠性要求及考核方法：JB/T 50070[S].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[7]電力行業(yè)電測量標(biāo)委會.靜止式單相交流有功電能表使用導(dǎo)則：DL/T 830-2002[S].北京：中國電力出版社，2002.

A Reliability Analysis Method of General Electronic Products During Life Cycle

WANG Yu，WANG Xinru，HUANG Jinyong，LIU Shunxin
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

Reliability is the invisible quality of electronic products.At present， the failure events of electric products occur frequently，but the current research on the reliability of general electronic products is too specific，and it hasn't yet made a comprehensive analysis of the reliability of general electronic products in the whole lifecycle.How to qualitatively analyze and quantitatively evaluate the reliabilityofelectronicproducts in theirwhole life cycleof development，testing，production，use and maintenance is an urgent problem to be solved in the reliability analysis and evaluation of general electronic products.In view of the above problems，a method for qualitative and quantitative analysis of the reliability of electronic products in the whole life cycle is proposed，and taking a smart meter as an example，a case analysis is carried out.

general electronic product；life cycle；reliability；qualitative analysis；quantitative analysis

TB 114.3

：A

：1672-5468（2017）01-0040-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.01.009

2016-07-04

2016-12-05

王宇 （1988-），男，湖南衡陽人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性數(shù)據(jù)中心工程師，從事電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計分析工作。