可靠性基本概念

可靠性基本概念
回顾一下可靠性发展史，不难看出，最初人们着重研究环境对设备（或产品）的影响，故可靠性定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。所谓规定的条件，主要指环境条件。随着可靠性技术的发展，可靠性将全面渗透到工程里，贯穿于产品全寿命周期中。人们开始认识到，影响设备（或产品）的功能的发挥不仅与所处的环境有关，而且与研制产品的人有关。近年国内外有关人的可靠性论著已问世。
可靠性工程学所涉及的范围和内容如图1.1所示。

                                  可靠性工程                                                 
   
生物学                        工程学                       环境学         

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  手  脚 眼耳触觉    可靠性 电子   机械          设计        制造         现场 模拟气候机械生物电磁 研制 使用   
 
    操     显     心        基              能力      强度设备工艺控制         仿       环               环       
    控     示     理        础                        环   完 成  可           真       境               境              
    设     设     适        理          尺 布  照 心  境   好 熟  控           试       防               控 
   计     计     应        论         寸  局  明 理  适   性 性  性           验       护               制 
                  设        研         设  设  设 反  应                                设               可 
             计        究         计  计  计 应  性                                计               使
                                    设  设                                                 用  
                                    计  计                                                 性
                                                                           设     
                                                                           计

图 1.1 可靠性工程示意图

1.3.1 机－环关系
可靠性这门学科起源于环境对产品(机)的影响，而其发展起来则是因为产品应用越来越广泛，所处环境越来越复杂严酷。如登月飞船，要承受月球白天＋127℃，而晚上－137℃的温度极限，如此264℃的温差变化就不是一般家用电器所能比拟。
    从产品研制全过程及产品寿命周期来看，为使产品可靠性得以保证或增长，从产品可靠性指标确定、可靠性方案论证、可靠性设计，到制造中的可靠性保证、可靠性试验、可靠性分析及使用中可靠性的保障，无一不考虑环境应力对产品可靠性的影响。
    在确定产品可靠性指标和进行可靠性方案论证时，必须对产品的环境剖面进行分析和论证。产品研制中进行的可靠性指标分析与预计，国内外早已有法定的分析与预计的方法，这就是计数法与应力分析法，其中环境因子是主要因子。
 在可靠性设计技术中，一个重要的设计措施是降额设计。它的依据是阿伦尼斯关系式及逆幂律关系式， 其中环境温度以及施加电应力是降额的主要途径。 对于半导体器件，如不考虑其结温和承受温度极限，可靠性将无法得到保证。
在可靠性设计技术中另一个很重要的设计措施是动态设计。各种电子元器件和机械零部件在环境应力变化时，其特性值也在改变。表1.1给出了某种型号固态电阻器的阻值随环境应力的变化情况。这些电子元器件和机械零部件构成一部整机投入使用时，环境的改变会使整机不能稳定工作，甚至出现故障。因此在进行设计时就应改变静态设计思想，考虑环境因素引起的元器件性能变化，进行动态设计。
表1.1 固态电阻器的阻值随环境应力的变化
制造公差 ±5％
 在125℃的变化 ±11％
在85℃的变化 ±4％
在-54℃的变化 +12％
老化变化 -5％
高负荷变化 -7％
焊接变化 -2％
用于高频的变化 -8％
 
为了在客观使用环境中设备能够可靠地工作，设计设备所承受的强度应高于环境应力，而强度和环境应力均属于正态分布，如图1.2所示。两个分布的重叠部分（阴影区）即为不可靠度。为了提高在现场使用可靠性，可采取四个设计措施，即提高平均强度，降低平均应力，减少应力变化及减少强度变化。产品在制造过程中进行环境应力筛选及环境试验就是为了检查和剔除设计强度低于环境应力的缺陷，缩小阴影区，提高设备的使用可靠性。在制造工艺上采取的各种措施，诸如密封加固、表面涂复、三防处理及封装互连等特殊措施，都是对抗环境应力的影响。而可靠性鉴定试验、可靠性验收试验及现场可靠性试验，施加各种环境应力，就是为了鉴定设备使用时的可靠性水平。