基于通信定位系統(tǒng)用模塊的可靠性預(yù)計計算研究

王志剛

（上海復(fù)控華龍微系統(tǒng)技術(shù)有限公司，上海 200439）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，產(chǎn)品的可靠性越來越受到各行各業(yè)的重視，可靠性也被越來越多的行業(yè)所熟知，在一些高可靠性要求的行業(yè)，如汽車、兵器、航空航天等行業(yè)，可靠性早已深入人心，可靠性也是軍工行業(yè)常說的“六性”之一，是必須要落實的設(shè)計約束指標(biāo)之一。通?？傮w單位根據(jù)系統(tǒng)的可靠性要求提出一個系統(tǒng)級別的可靠性定量指標(biāo)MTBF（平均故障間隔時間）值，然后根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成層層分解到分系統(tǒng)級、整機級、設(shè)備級、單元級、模塊級甚至元器件級?？傮w單位可靠性指標(biāo)是一個從上向下、由大到小分解的過程，指標(biāo)根據(jù)產(chǎn)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(biāo)，為了在設(shè)計上能達(dá)到指標(biāo)，在可靠性計算上是一個逆過程，根據(jù)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(jù)計算的結(jié)果再動態(tài)調(diào)整設(shè)計。本文主要論述元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計計算法的計算方式，對研制過程的可靠性預(yù)計計算及可靠性設(shè)計具有實用價值。

1 通信定位系統(tǒng)用模塊可靠性定量具體要求

通信定位系統(tǒng)用模塊的技術(shù)開發(fā)協(xié)議中規(guī)定的可靠性指標(biāo)MTBF不小于28 000小時，使用環(huán)境為機載、艦載、車載、地面固定環(huán)境，工作溫度為-40～+55℃，存儲溫度為-50～+65℃。

2 可靠性預(yù)計計算

2.1 可靠性預(yù)計方案設(shè)計

由于模塊過于復(fù)雜，用到的元器件數(shù)量繁多，如果可靠性預(yù)計計算全覆蓋模塊每個元器件，勢必造成計算過于復(fù)雜，計算周期過于冗長。根據(jù)模塊原理圖和BOM清單，本次可靠性預(yù)計計算把同一類型，不同取值的器件歸作一類元件，統(tǒng)一進(jìn)行可靠性分析計算；把數(shù)量少、功能簡單、可靠性高的器件統(tǒng)一歸作一類，按最大加權(quán)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(guān)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(yù)計計算模型是一個串聯(lián)模型結(jié)構(gòu)[1]。

本模塊是可以修復(fù)類電子產(chǎn)品，壽命服從指數(shù)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(guān)可靠性參數(shù)可以從GJB/Z 299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊查到。

2.2 收集整理器件清單

表1 可靠性預(yù)計計算中主要評估的元器件清單

2.3 可靠性預(yù)計計算

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

2.3.1 微處理器集成電路λP

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

環(huán)境系數(shù)πE =9.5；質(zhì)量系數(shù)πQ =1.0；電路復(fù)雜度失效率為C1=0.0110×10-6/h 。

溫度應(yīng)力系數(shù)πT=0.917；集成電路封裝復(fù)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(shè)備可靠性預(yù)計手冊》可以選取相應(yīng)的失效率模型，根據(jù)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(shù)，這個參數(shù)由所選器件型號決定的無法調(diào)整；πT這個參數(shù)大的使用工作溫度環(huán)境由系統(tǒng)的環(huán)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(shè)計是可以優(yōu)化的，這個參數(shù)有一定的調(diào)整空間；C2參數(shù)由器件型號決定，無法調(diào)整，但在計算過程中也給予我們啟發(fā)，在設(shè)計時選擇什么類型的封裝可靠性系數(shù)相對高；πE這個參數(shù)由系統(tǒng)的使用環(huán)境決定，無法調(diào)整；πQ質(zhì)量系數(shù)由型號決定，無法調(diào)整，計算過程中的啟示是，設(shè)計時費用允許優(yōu)選高質(zhì)量等級的器件；微處理器的數(shù)量3個由設(shè)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(shù)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(shù)為26個。

環(huán)境系數(shù)πE =9.5；質(zhì)量系數(shù)πQ =1.0；電路復(fù)雜度失效率為C1=0.0100×10-6/h。

溫度應(yīng)力系數(shù)πT=0.919；集成電路封裝復(fù)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(yīng)的失效率模型，各參數(shù)通過查表調(diào)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(shù)為48個。

環(huán)境系數(shù)πE =9.5；質(zhì)量系數(shù)πQ =1.0；電路復(fù)雜度失效率C1=0.0035×10-6/h。

溫度應(yīng)力系數(shù)πT=0.709；集成電路封裝復(fù)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(yīng)的失效率模型，各參數(shù)根據(jù)項目使用器件，通過查預(yù)計手冊相應(yīng)數(shù)據(jù)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(huán)境系數(shù)得πE=5.0；質(zhì)量系數(shù)得πQ =0.1；阻值系數(shù)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(yīng)的失效率模型，各參數(shù)根據(jù)項目使用器件通過查預(yù)計手冊相應(yīng)數(shù)據(jù)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(huán)境系數(shù)πE=8.3；質(zhì)量系數(shù)πQ=0.1；電容系數(shù)πCV=1.9；串聯(lián)電阻系數(shù)πSR=0.07；表面貼裝系數(shù)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(yīng)的失效率模型，各參數(shù)根據(jù)項目使用器件通過查預(yù)計手冊相應(yīng)數(shù)據(jù)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(shù)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(huán)境系數(shù)πE=6.7；質(zhì)量系數(shù)πQ=0.03；電容量系數(shù)πCV=1.0；表面貼裝系數(shù)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(yīng)的失效率模型，各參數(shù)根據(jù)項目使用器件通過查預(yù)計手冊相應(yīng)數(shù)據(jù)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(huán)境系數(shù)πE=15；質(zhì)量系數(shù)πQ=0.6；種類系數(shù)πK=1.0；結(jié)構(gòu)系數(shù)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(diào)整；電感的基本失效率較高，在設(shè)計時要優(yōu)選額定溫度高的型號，提高耐環(huán)境性，降低基本失效率；環(huán)境系數(shù)πE有系統(tǒng)由使用環(huán)境決定，無法調(diào)整；πK和πC對電感的失效率影響也較大，選型時優(yōu)選固定結(jié)構(gòu)的，少選可調(diào)結(jié)構(gòu)的；質(zhì)量系數(shù)πQ可調(diào)整，電感的失效率較高，選型時優(yōu)選高質(zhì)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(shù)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(huán)境系數(shù)πE=4.3；質(zhì)量系數(shù)πQ=0.2；接觸件系數(shù)πP=2.44；插拔系數(shù)πK=1.0；插孔結(jié)構(gòu)系數(shù)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(yīng)的失效率模型，各參數(shù)根據(jù)項目使用器件通過查預(yù)計手冊相應(yīng)數(shù)據(jù)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(huán)境系數(shù)πE=8.0；質(zhì)量系數(shù)πQ=0.3；復(fù)雜度系數(shù)πC=3.1；本模塊金屬化孔數(shù)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(yīng)的失效率模型，模型中基本失效率λb1和λb2取值固定，無法調(diào)整；金屬化孔數(shù)N在設(shè)計時可調(diào)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(tǒng)由使用環(huán)境決定，無法調(diào)整，通過查表獲得；復(fù)雜度系數(shù)πC在PCB設(shè)計時在滿足設(shè)計要求的情況下，盡量減少PCB的層數(shù)降低失效率；質(zhì)量系數(shù)πQ可調(diào)整，優(yōu)選質(zhì)量等級高的制版標(biāo)準(zhǔn)；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(guān)重要，在設(shè)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(huán)境系數(shù)πE=6；質(zhì)量系數(shù)πQ=0.25。

本模塊共有12000個焊接點,工作失效結(jié)果：

在上述計算過程中，通過查手冊可以選取相應(yīng)的失效率模型，各參數(shù)根據(jù)項目使用器件通過查預(yù)計手冊相應(yīng)數(shù)據(jù)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(huán)境系數(shù)πE=15；質(zhì)量系數(shù)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(yīng)的失效率模型，基本失效率λb是固定參數(shù)無法調(diào)整；環(huán)境系數(shù)πE由系統(tǒng)使用環(huán)境決定，無法調(diào)整；唯一可以調(diào)整的是質(zhì)量系數(shù)πQ和數(shù)量，在計算過程中，如果發(fā)現(xiàn)振蕩器的基本失效率比較高，在設(shè)計中應(yīng)該優(yōu)化電路設(shè)計，盡量壓縮振蕩器的使用數(shù)量，提高使用的振蕩器的質(zhì)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(shè)計應(yīng)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(huán)境系數(shù)πE=13；質(zhì)量系數(shù)πQ=0.2；額定電流系數(shù)πr=1.0；應(yīng)用系數(shù)πA=1.0；電壓應(yīng)力系數(shù)πS2=0.20；結(jié)構(gòu)系數(shù)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(yīng)的失效率模型，各參數(shù)根據(jù)項目使用器件通過查預(yù)計手冊相應(yīng)數(shù)據(jù)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(yù)計方案是串聯(lián)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(yù)計結(jié)果

經(jīng)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(jié)束語

為達(dá)到規(guī)定的預(yù)計計算結(jié)果，在計算時各種參數(shù)需要反復(fù)調(diào)整，在調(diào)整過程中需要記錄下調(diào)整參數(shù)，形成可靠性設(shè)計約束指標(biāo)反饋到設(shè)計過程中，通過可靠性預(yù)計計算過程驗證完善可靠性設(shè)計準(zhǔn)則。在計算過程中總結(jié)了以下基本的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則。

（1）簡化設(shè)計。在滿足功能性能的前提下，應(yīng)采用簡化設(shè)計技術(shù)以提高產(chǎn)品的基本可靠性。

（2）慎用冗余設(shè)計。冗余設(shè)計可以提高產(chǎn)品的任務(wù)可靠性，但卻降低了基本可靠性，因此在設(shè)計時應(yīng)慎用冗余設(shè)計。

（3）應(yīng)遵循降額設(shè)計準(zhǔn)則。對于電子電器和機電元器件，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對不同類別的元器件，按不同的應(yīng)用情況進(jìn)行降額。

（4）為了使設(shè)計的產(chǎn)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(jìn)行熱分析，通過熱分析優(yōu)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(huán)境適應(yīng)性。要考慮產(chǎn)品在其工作剖面的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求，加強三防設(shè)計，通過使用耐環(huán)境因素的材料，在工藝上進(jìn)行表面防護(hù)涂敷，對有特殊要求的電路、部件在結(jié)構(gòu)上采取密封措施，將設(shè)備與有害環(huán)境完全隔離?！?/p>