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产品可靠性试验详细介绍

发布日期:2012-04-01 08:47:27

31可靠性试验的要素

311试验条件

可靠性试验的条件既要考虑到受试产品的固有特性,还要考虑到影响受试产品故障出现的其他因素。在选定产品可靠性试验的条件时,应考虑下述内容:

      (a)要求或进行可靠性试验的基本理由;

      (b)预期的产品使用条件的变化;

      (c)使用条件中的不同应力因素引起产品故障的可能性;

      (d)不同试验条件下需要的试验费用;

      (e)可供可靠性试验用的试验设备;

      (f)可供试验用的时间;

      (g)预计的不同试验条件下的产品可靠性特征值。

如果从安全性要求出发,产品可靠性不能低于某一水平,则试验条件应考虑到给定使用条件下的最严酷情况。

如果为了进行维修性的鉴定试验,则试验条件应高度接近典型的现场使用条件。

如果进行两种设备的可靠性对比试验,则往往用容许范围内接近于极限的应力等等,视具体试验目的而定。

一般情况下,除了所谓强化试验(特定情况下,施加应力超出了规定的产品承受的应力容许范围)外,施加应力不应超出规定的容许范围(加速试验例外)。

312故障判据

容差限度 对于产品的每一个需要监测的参数应规定它的容差限度。如果参数值落在容差限度内,则该参数性能是可靠的;如果参数值落在容差限度外,则该参数性能是不可靠的。当需要监测的参数值永久地或间断地落在容许限度外,就认为出现了一个故障。参数的容许限度与产品的功能密切相关。例如在某些精密设备中,金属膜电阻器的阻值超额定值上、下5%的区间就算失效。但在某些民用电器中,不超额定值上、下10%都不算失效。

独立故障和从属故障产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态称故障(fault,failure),对某些产品如电子元器件、弹药等称失效。不是由于另一产品故障引起的故障叫独立故障(independentailure);由于另一产品故障而引起的故障叫从属故障(dependentailure)。例如某项产品在测试时,产品上一批CMOS器件受高电压冲击损坏。经分析,是二次电源一支晶体管短路,产生高压脉冲。因此,晶体管短路是独立故障,而若干CMOS器件被高压脉冲引起的浪涌电流烧毁,则是从属故障。

如果出现两个或更多的独立故障原因,则每一个故障原因都认为是受试产品的一个故障。

误用故障 对产品施加了超出其规定忍受能力范围的应力而造成的故障称为误用故障(misusefailure)。在可靠性试验期间,误用故障可能是于非故意的不符合规定的试验条件造成的。例如,试验的严酷程度超过规定值范围,试验或维修人员的粗心操作等等。

关联故障和非关联故障 从属故障、误用故障或已经证实仅属某项将不采用的设计所引起的故障叫非关联故障(non-relevantfailure)。否则叫关联故障 (relevantfailure)。某些故障已经出现,经分析,采取修改设计或其他纠正措施可以消除,但需要时间。在投人可靠性试验的产品上,还来不及纠正。这类故障在可靠性试验中重复出现时,判为非关联故障。在可靠性试验方案中,还可对非关联故障作一些补充定义。这些定义应该是明确的无二义的。在可靠性试验中出现的受试产品的每一个故障,都必须明确是关联故障还是非关联故障?已经出现不少这样的事例。在可靠性鉴定或验收试验中出现了较多故障,直接影响了定型能否通过及批产品能否接收时,承制方就尽可能找理由把故障归入非关联故障。非关联故障或事先已经规定不属其组织机构责任范围内的关联故障叫非责任故障(non-chargeablefailu),否则叫责任故障。

可靠性测定试验中对产品可靠性作出估计(包括点估计及区间估计),可靠性验证试验中对产品作出合格、不合格的结论或对批产品作出接收、拒收的结论,所依据的是在试验期间或试验结束时观测到的受试产品的所有关联故障的信息。因此在可靠性试验中,判定出现的故障属于关联故障还是非关联故障即所谓故障分类是一个重大工作项目,也是在订购方与承制方之间常常争论的焦点。尤其当故障数是在合格与不合格、接收与拒收的判定数的边界时,就容易争论不休。

32 可靠性试验的基本原则

由于产品的可靠性与使用的环境条件密切相关,因此可靠性测定试验、验证试验、增长试验的环境条件应尽可能反映产品在现场使用与任务环境的特征。

任务剖面是对产品在完成规定任务这段时间内所要经历的全部重要事件和状态的一种时序描述。一个产品可能要执行多种任务,因此任务剖面可以有多个。环境剖面是产品在贮存、运输、使用中将会遇到的各种主要环境参数和时间的关系图。

1. 可靠性试验计划在进行试验前应经评审通过。提交评审的除可靠性试验计划,还应提供下列文件:

   (a)产品环境适应性试验报告;

   (b)产品环境应力筛选报告;

   (c)产品的可靠性预计报告;

   (d)产品的FMEA或FMECA报告;

   (e)专项可靠性试验(热测试、振动测定、EMC等)报告。

2. 计划评审时,故障判据及故障分类准则(即判为关联故障与非关联故障的准则)应由订购方及承制方取得一致意见。 

3.在进行可靠性试验之前应该取得试验设备、仪器、仪表工作符合规定要求的报告。其中应包括产品安装在试验设备上之产品通过夹具传递的振动特性,通过安装后的温度场经测试符合规定要求的测试报告。

4. 投人可靠性试验的受试产品应该已经过筛选、老炼,排除了早期故障的。

5. 某些专门项目的可靠性测试或验证试验应该在产品的可靠性试验与验证试验之前完成。例如电子、机电产品的热设计是一项单独的可靠性工作。产品的样机出来后,就应进行工作状态下的热测试 (包括用热传感器测量关键部位的温升或用热象仪测温度),是否达到原来要求的热环境。EMC试验、振动试验亦是如此

3可靠性试验的综合安排

可靠性试验一般是既费时间,又要花费较大人力物力的工作项目,因此产品可靠性大纲的试验计划的安排应该尽可能把可靠性试验、性能试验、环境试验和耐久性试验结合起来,构成一个比较全面的可靠性的综合试验计划,这样可以避免重复试验,且不滑掉在单项试验中经常易受忽视的缺陷,从而节省时间、费用。   

产品的性能测试一般在产品的样机生产出来之后就立即进行。产品的性能特性参数有规定的容许限。如果性能特性参数落入容许限,产品的性能是合格的,我们说"产品的性能可靠",否则,产品的性能是不合格的,我们说 "产品的性能是不可靠的"。   

但是产品性能可靠与否不能只以标准实验室条件下的测试结果作为结论,还应在规定的容许的极限条件下进行测试,看产品能是否合格?以半导体器件及集成电路为例,对军用级产品,不仅在标准实验室温度下测试的性能应是合格的,而且在一55C温下及十125C温度下测试的性能也应是合格的。普通工业级半导体器件及集成电路,如果满足上述温度要求,则加以标识"M"(注意,这M不是代表"军用级",只代表满足军用级的温度要求)。由于试验条件不可能绝对一致地重复,再加上测量误差,因此同样试验条件下的重复测量存在再现性误差。但当重复测量的性能参数值相差过大时,说明产品的性能参数出现了过大的漂移,性能也是不可靠的。为此,在试验前、试验中、试验后,都应进行产品性能测试,记录试验前、中、后的性能。

(a)试验前的性能。在开始进行任何试验以前,应该在标准环境条件下确定出与规定要求相关联的受试产品的性能参数的基准值。为在试验过程中或试验结束时,检测产品的设计性能提供基准或故障判据的依据;

(b)试验中的性能。应将每一次试验循环过程中受试产品的性能参数值记录下来,并与试验前的数据进行对比;

(c)试验后的性能。试验结束时,应记录受试产品性能参数值,并与试验前、试验中的性能值及规定的基准及容许漂移量进行对比。

 在可靠性测定试验、可靠性验证试验、可靠性增长试验之前,应该先进行产品的筛选、老炼,排除产品的早期故障,使产品的故障率趋于稳定,这样在可靠性试验中才可反映出产品的固有可靠性,而不是暴露产品的早期故障。可靠性增长、验证试验都是很费人力、物力的。让它们来暴露产品的早期故障是太不值得了。因此环境应力筛选试验必须在增长试验、验证试验及某些可靠性测定试验之前完成。有时按系统验证可靠性参数是不现实或不充分的情况下,允许用低层次产品的试验结果推算出系统可靠性值作为测定或验证。这叫系统的可靠性综合。但是系统组成部分都可靠不一定可证明系统可靠。因为组成部分合成一个系统时还有一个极为重要的协调、匹配问题。例如环境条件的协调、匹配,电磁兼容(EMC) 问题、热匹配问题等等。只有这些组成部分之间的协调、匹配是没有问题的,则从组成部分的试验结果综合得到的系统可靠性值才是可信的。只是组成部分之间的协调、匹配也还必须用少量的系统试验来核实,因此在任何情况下,少量的系统试验也是必不可少的。

可靠性验收试验所冒的风险可以比可靠性鉴定试验大一些。这是因为产品已通过了鉴定试验,加上生产过程的严格管理保证了质量可靠性水平不会显著低于定型水平,从统计学观点说,对质量可靠性提供了验前保证信息。可靠性增长试验是产品可靠性逐步提高的过程,尽管从统计学的观点看,产品的可靠性这个总体参数不断变化。对于固定某一可靠性参数的总体来说,样本量不大,但从不断增长可靠性参数的一系列总体来看,总的样本量是不少的。如果对最后一个样本用经典方法对产品可靠性作出估计。则由于样本量不大,估计的效果一般是不好的。但从一系列可靠性不断增大的总体的一系列样本来看,信息量是不少的,也即提供了不少验前的质量可靠性保证信息。成功的产品可靠性增长试验也可以对产品的可靠性水平作出较好的测定,从而可以在订购方的认可下代替鉴定试验。

34可靠性试验与环境试验

严格地讲,环境试验不属于可靠性试验范畴,它是考核产品对环境条件的适应性问题,但它又和可靠性试验中环境条件的确定以及故障的分析等密切相关,因此,在系统或设备的可靠性验证试验开始以前,必须对元器件、零部件及设备完成环境试验,即用容许的边缘环境条件考核产品。将产品置于容许的最严酷环境下,在相对来说不太长时间内,一般会暴露出一些在较长时间的可靠性验证试验中不易暴露出来的故障机理,对提高产品的可靠性有重要作用。

所以在产品的研制阶段,为了掌握环境因素导致的可靠性及失效模式的变化规律,就必须进行环境可靠性试验。环境试验按其目的可分为以下三大类:

(1)极限试验(对产品耐极限应力的试验):不断增加某一个或某几个环境应力的水平,直至试样失效为止,但失效模式不变。比较在正常使用时相应的环境因素的应力水平,确定产品正常使用的安全余度和允许使用最大环境应力范围。

(2)功能适应性试验:当产品在使用环境条件下极限应力水平已知时,给试样施加在使用中的一个或几个环境因素的极限应力,检验产品的机械、电气特性。要求产品的工作状态不变,性能参数不超差。

(3)结构完好性试验:在产品使用环境条件下极限应力水平已知时,给试验样品施加该应力,考核产品能否长期承受这样大的应力水平,而结构不发生损坏;或者核产品在低于正常使用极限应力的应力水平下使用的潜在能力,验证产品结构是否已经达到最低的安全余度要求。这种试验要求试样在试验中或应力去掉后结构完好,电气、机械性能正常,不允许有结构失效或潜在的结构失效现象。

以上三类试验的时间均不太长,效果好,多年来一直沿用。