基于應(yīng)力分析法的士兵系統(tǒng)電子器件 可靠性研究

司訪，王新蕊，李鵬杰，李小奇，管小榮

（1.中國兵器裝備集團兵器裝備研究所，北京 102202；2.南京理工大學(xué)，南京 210094）

應(yīng)力分析法是考慮電子產(chǎn)品中的每個元器件類型、工作應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力、質(zhì)量等級的不同，根據(jù)經(jīng)驗詳細(xì)計算每個元器件的故障率，再將組成產(chǎn)品的所有元器件的故障率累加，得到產(chǎn)品故障率。應(yīng)力分析法適用于工程研制中后期電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計。此時，元器件的具體種類、數(shù)量、工作應(yīng)力和環(huán)境、質(zhì)量系數(shù)等已確定。

李培基等提出了一種利用有限元分析作為“數(shù)值實驗”工具的新方法，通過模糊線性回歸法，直接求出了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的統(tǒng)計特性?；诒疚奶岢龅哪：龖?yīng)力-隨機強度干涉模型，可以對機械結(jié)構(gòu)的模糊可靠性進行評估。周元初等提出了一種更通用、穩(wěn)健的方法，該方法能夠準(zhǔn)確評估并確定失效概率。張曉迎等研究了涉及相關(guān)非正態(tài)分布的可靠性分析，概率密度函數(shù)是從可靠性指數(shù)中獲得的，并與蒙特卡羅模擬產(chǎn)生的可靠性值進行了比較。

目前，國內(nèi)外很多專家學(xué)者開始了研究裝備可靠性評估方法，但是使用應(yīng)力分析法研究士兵系統(tǒng)電子器件可靠性的論文尚處于空白。因此，本文創(chuàng)新采用應(yīng)力分析法，研究了士兵系統(tǒng)電子器件的可靠性設(shè)計方法，為士兵系統(tǒng)電子器件設(shè)計提供理論支撐。

1 應(yīng)力法設(shè)計流程及使用規(guī)則

1.1 應(yīng)力法設(shè)計流程

應(yīng)力分析法可以快速確定產(chǎn)品設(shè)計是否滿足規(guī)定的可靠性指標(biāo)，一般實際產(chǎn)品很難達到規(guī)定的可靠性指標(biāo)要求。在產(chǎn)品設(shè)計過程中，可以通過應(yīng)力分析法，找出產(chǎn)品設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，達到提高產(chǎn)品可靠性的目的?？煽啃灶A(yù)計有多種方法，主要有評分法、相似產(chǎn)品法、元件計數(shù)法、應(yīng)力分析法等。

采用應(yīng)力分析法設(shè)計士兵系統(tǒng)的電子模塊，首先分析元器件來源（生產(chǎn)國、用途、生產(chǎn)廠家所屬行業(yè)、使用狀態(tài)等），選擇數(shù)據(jù)手冊，對于那些根據(jù)手冊無法進行可靠性預(yù)計的元器件，需要廠家提供元器件故障率。然后，確定元器件進行應(yīng)力分析的模型，統(tǒng)計元器件相關(guān)信息，計算元器件故障率，依照所選數(shù)據(jù)手冊，確定出每種元器件進行應(yīng)力分析所需的模型和相關(guān)參數(shù)（工作應(yīng)力、環(huán)境條件、質(zhì)量等級等）。了解元器件的相關(guān)信息，由此查找數(shù)據(jù)手冊，得到模型中的各類系數(shù)，代入該元器件的故障率模型，由此可計算得出元器件故障率。最后，綜合計算產(chǎn)品可靠性，由可靠性建模得到的基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型，預(yù)計產(chǎn)品的基本可靠性和任務(wù)可靠性。

1.2 使用規(guī)則

士兵系統(tǒng)的電子元器件使用環(huán)境更加惡劣復(fù)雜，在應(yīng)力分析法分析可靠性過程中，相應(yīng)的可靠性預(yù)計標(biāo)準(zhǔn)、手冊是非常寶貴的借鑒工具。這些標(biāo)準(zhǔn)、手冊大多數(shù)是根據(jù)不同元器件、部件進行大量試驗得出的參考數(shù)據(jù)，常用的預(yù)計標(biāo)準(zhǔn)有HDBK-217F和GJB 299C電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計手冊、RDF2000 法國電信設(shè)備可靠性預(yù)計手冊、HRD5英國電子元器件可靠性數(shù)據(jù)手冊、SR-332貝爾電信設(shè)備可靠性預(yù)計手冊等。應(yīng)力分析法使用規(guī)則：

1）數(shù)據(jù)手冊選擇直接關(guān)系到可靠性預(yù)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。切忌為簡單省事，不按元器件生產(chǎn)國、用途（軍用/民用）、生產(chǎn)廠家所屬行業(yè)、使用狀況（工作/非工作）選擇最為合適的數(shù)據(jù)手冊。

2）應(yīng)力分析法預(yù)計，通常從每塊電路板上元器件開始，然后逐級向上累加，最后計算出整機（或系統(tǒng)）的可靠性。

3）注意區(qū)分不同小類的元器件，避免參數(shù)選擇錯誤。

4）電路板上一般有不同種類的元器件，故應(yīng)在預(yù)計表上列出各種元器件可靠性有關(guān)的系數(shù)。

5）凡超出手冊上規(guī)定參數(shù)范圍的元器件，不能隨意外推，而應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用其他替代的數(shù)據(jù)手冊或根據(jù)經(jīng)驗判定其故障率，并給出理由。該項工作需與訂貨方溝通，所采用方法和數(shù)據(jù)需得到訂貨方認(rèn)可。

6）不同數(shù)據(jù)手冊上對同一品種元器件提供的故障率計算模型可能并不相同，因此故障率模型和數(shù)據(jù)應(yīng)采用同一手冊上的內(nèi)容，不可混用。

7）國產(chǎn)元器件中，如按電子行業(yè)企業(yè)軍用標(biāo)準(zhǔn)或按國外相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的元器件，可按質(zhì)量等級來取質(zhì)量系數(shù)；如按上級規(guī)定的二次篩選要求（規(guī)范）進行篩選的元器件，可按質(zhì)量等級中最低的等級來取質(zhì)量系數(shù)。

8）對半導(dǎo)體器件、電阻器、電容器等的環(huán)境系數(shù)，雖然屬同一種類，但如果是不同品種，一般其環(huán)境系數(shù)也不相同，選取系數(shù)時應(yīng)認(rèn)真查找有關(guān)的預(yù)計手冊。

9）預(yù)計溫度一般在產(chǎn)品環(huán)境溫度最高值的基礎(chǔ)上進行調(diào)整。對于有通風(fēng)條件的，環(huán)境溫度需要適當(dāng)降低；對于局部環(huán)境有發(fā)熱器件的，環(huán)境溫度需要適當(dāng)升高。在條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)進行實際測量以明確器件溫度。

2 某士兵探測器可靠性設(shè)計

下面以某探測器為例，闡述應(yīng)力分析法的應(yīng)用。該探測器基本可靠性要求為平均故障間隔時間（Mean Time between Failures，MTBF）大于10 a。

1）定義產(chǎn)品。該探測器執(zhí)行任務(wù)時，所有元器件在任務(wù)剖面內(nèi)均處于工作狀態(tài)。探測器的工作環(huán)境一般在普通建筑物內(nèi)，為一般地面環(huán)境。

2）選擇可靠性預(yù)計方法。由于該設(shè)備正處于工程研制中后期，且元器件的具體種類、數(shù)量、工作應(yīng)力和環(huán)境、質(zhì)量等級等已確定，因此采用應(yīng)力分析法進行系統(tǒng)可靠性預(yù)計。

3）按照預(yù)計步驟進行預(yù)計。

a）分析元器件來源，選擇數(shù)據(jù)手冊。所有元器件中，除振蕩器G1是進口的美國軍用元器件，鋁電解電容C4是進口的美國民用元器件外，其他元器件均是國產(chǎn)元器件。執(zhí)行任務(wù)時，所有元器件均處于工作狀態(tài)。因此，振蕩器G1應(yīng)選用振蕩器型號MIL-STD-217F，鋁電解電容C4應(yīng)選用Telcordia SR-332，其他元器件應(yīng)選用GJB/Z 299C。

b）確定元器件進行應(yīng)力分析的模型，統(tǒng)計元器件相關(guān)信息，計算元器件故障率。根據(jù)不同預(yù)計手冊，明確進行應(yīng)力分析的模型和數(shù)據(jù)，計算出元器件的故障率。

對于電容C1，通過查找GJB/Z 299C，確定其屬于1類瓷介電容器，工作故障率計算公式為：

式中：為通用故障率；為基本故障率；為環(huán)境系數(shù)；為質(zhì)量系數(shù)；為電容量系數(shù)；為表面帖裝系數(shù)。

①確定環(huán)境系數(shù)。由于探測器的工作環(huán)境為一般地面環(huán)境，即。根據(jù)GJB/Z 299C表5.7.5-2“環(huán)境系數(shù)”可知，電容C1的環(huán)境系數(shù)為2.4。

②確定質(zhì)量系數(shù)。由于電容C1屬于低檔產(chǎn)品，根據(jù)GJB/Z 299C表5.7.5-3“質(zhì)量等級與質(zhì)量系數(shù)”可知，電容C1的質(zhì)量系數(shù)為5。

③確定電容量系數(shù)。由于電容C1的電容為（82±4.1%）pF，根據(jù)GJB/Z 299C表5.7.5-4“電容量系數(shù)”可知，電容C1的電容量系數(shù)為0.75。

④確定表面貼裝系數(shù)。由于電容C1是1類瓷介，片式，根據(jù)GJB/Z 299C表5.7.1-1“表面貼裝系數(shù)”可知，電容C1的表面貼裝系數(shù)為1.5。

⑤確定基本故障率。由于電容C1的工作電壓與額定電壓之比為0.1，工作環(huán)境溫度為40 ℃，根據(jù)GJB/Z 299C表5.7.5-1“基本失效率”可知，電容C1基本故障率為0.001 9×10h。

⑥由此可知，電容C1的工作故障率為：

對于振蕩器 G1，通過查找振蕩器型號MIL-STD-217F，確定其屬于石英諧振器，工作故障率計算公式為：

在MIL-STD-217F 19-1節(jié)中，根據(jù)該石英諧振器的頻率為10 MHz，查找到振蕩器G1的基本故障率為0.022×10h。由于振蕩器G1工作環(huán)境為一般地面環(huán)境，即G，根據(jù)MIL-STD-217F 19-1節(jié)“環(huán)境系數(shù)”表可知，振蕩器G1的環(huán)境系數(shù)為3.0。由于振蕩器G1屬于低檔產(chǎn)品，根據(jù)MIL-STD-217F 19-1節(jié)“質(zhì)量系數(shù)”表可知，振蕩器G1的質(zhì)量系數(shù)為2.1。由此可知，振蕩器G1的工作故障率為：

對于鋁電解電容C4，通過查找電子設(shè)備可靠性預(yù)測程序（Telcordia SR-332），確定其屬于鋁電解電容，其故障率計算公式為：

式中：為黑箱穩(wěn)態(tài)故障率；為平均通用穩(wěn)態(tài)故障率；為電應(yīng)力系數(shù)；為溫度系數(shù)。

由于鋁電解電容C4為410 μF，根據(jù)電子設(shè)備可靠性預(yù)測程序（Telcordia SR-332）表8-1“電容故障率參數(shù)”可知，平均通用穩(wěn)態(tài)故障率為0.014×10h。根據(jù)電子設(shè)備可靠性預(yù)測程序（Telcordia SR-332）表9-4“元器件質(zhì)量等級和質(zhì)量系數(shù)”，鋁電解電容C4的質(zhì)量等級屬于Ⅰ級，可知質(zhì)量系數(shù)為3。由于鋁電解電容C4的工作電壓與額定電壓之比為0.5，根據(jù)電子設(shè)備可靠性預(yù)測程序（Telcordia SR-332）表9-2“電應(yīng)力系數(shù)”，可知電應(yīng)力系數(shù)為1.0。由于鋁電解電容C4的工作環(huán)境溫度為40 ℃，根據(jù)Telcordia SR-332表9-1“溫度系數(shù)”可知，溫度系數(shù)為1.0。由此可知，鋁電解電容C4的黑箱穩(wěn)態(tài)故障率為：

c）綜合計算產(chǎn)品可靠性。根據(jù)基本可靠性模型，該探測器故障率為：

該探測器的MTBF值為：

根據(jù)探測器任務(wù)可靠性模型，可知其任務(wù)可靠度為：

4）得出可靠性預(yù)計結(jié)論。該探測器的MTBF值為90 345.56 h，達到了該設(shè)備基本可靠性要求（＞87 600 h）；當(dāng)產(chǎn)品工作到2 a時，探測器任務(wù)可靠度為0.833，達到了該設(shè)備任務(wù)可靠性的要求。其中，薄弱環(huán)節(jié)存在于集成電路D1和D2，其故障率分別都為整個探測器故障率占27%。建議提高集成電路D1和D2的質(zhì)量等級，或采取降額設(shè)計法，加強篩選，改變設(shè)計方案，以達到提高產(chǎn)品可靠性的目的。

3 結(jié)語

現(xiàn)代電子裝備的復(fù)雜程度和集成度日益提高，士兵系統(tǒng)電子器件通常在惡劣的自然環(huán)境和電磁環(huán)境中工作，對于電子器件可靠性要求較高。本文針對士兵電子器件采用應(yīng)力分析法進行了可靠性設(shè)計，通過查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊，分析了電容、振蕩器等電子器件的可靠性，并以某士兵探測器為例，開展了可靠性設(shè)計。本文的研究結(jié)果，可為士兵系統(tǒng)電子器件可靠性設(shè)計，提供理論指導(dǎo)。