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        電子產(chǎn)品壽命模擬中MTTF系統(tǒng)測算法

        作者:胡志山 (偉龍意程智能科技(江蘇)有限公司,江蘇 東臺 224200) 時間:2021-04-27 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
        編者按:根據(jù)多年工作經(jīng)驗借鑒中外企業(yè)先進做法和相關標準,推導出經(jīng)驗公式,結(jié)合試驗數(shù)據(jù),計算產(chǎn)品的MTTF、FIT值以及年索賠率等參數(shù),能夠有效地模擬產(chǎn)品的生命周期以及測算出工廠的早期老化時間,為產(chǎn)品在大批量投產(chǎn)前提供可靠性的量化依據(jù)。[1]

        作者簡介:胡志山(1978—),男,高級工程師,中國電子學會高級會員。研發(fā)中心光電項目經(jīng)理。

        本文引用地址:http://www.antipu.com.cn/article/202104/424910.htm

        0   引言

        在電子產(chǎn)品更新?lián)Q代日趨頻繁的今天,大批量投產(chǎn)前的可靠性測試顯得尤為重要,這其中的壽命評估即 測算成了一項系統(tǒng)工作,它給予決策者評估產(chǎn)品壽命提供了一個重要的決策支持。由于長期以來對 的系統(tǒng)測算沒有明確統(tǒng)一的標準,導致難以普遍應用。本文將重點介紹 的系統(tǒng)試驗計算方法,以供實施相關測算工作時參考。[2]

        1   MTTF、及浴盆曲線

        電子產(chǎn)品由于零部件質(zhì)量水平及其工況等原因,使用一段時間后會出現(xiàn),對于無法維修的產(chǎn)品來說,就意味著壽命的結(jié)束,平均壽命就是平均前的時間,也稱平均故障時間MTTF。

        MTTF=[T1+T2+Tn+(N-n+1)×Tn]/n ……( 公式1),單位為小時(h)。例如用100 臺產(chǎn)品進行壽命測試,在測試過程中先后發(fā)現(xiàn)有3 臺出現(xiàn)失效,在第30 h 發(fā)現(xiàn)第1 臺,第300 h 發(fā)現(xiàn)第2 臺,最后在第1 000 h 發(fā)現(xiàn)第3 臺。那么n=3,T1=30,T2=300,Tn=1 000, 則MTTF=[30+300+(100-3)×1000]/3=32 776.66 h。

        平均故障時間MTTF 是一個可靠性的度量方法,MTTF 的倒數(shù)就是, 一般以每10 億小時發(fā)生的故障數(shù)量計算,用 表示。由該定義可知1/MTTF=/109,所以1FIT=1/109,意為:109 h 壞了1 臺,為1 FIT。

        通過老化試驗就可以獲得FIT 隨時間的變化關系,這種變化關系曲線就是“浴盆曲線”。如圖1 所示,早期比較高,隨著時間的推移進入故障率相對穩(wěn)定期,即偶發(fā)故障期。再往后故障率FIT 值又開始升高,進入損耗故障期。早期故障期通常可以在工廠內(nèi)部進行老化度過,偶發(fā)故障期是故障率相對穩(wěn)定的時間段,處在產(chǎn)品的正常使用階段。損耗故障期故障率不斷升高,產(chǎn)品逐漸失效或報廢。[3]

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        圖1 浴盆曲線

        2   高溫加速老化試驗及計算公式

        MTTF 的數(shù)據(jù)來源于壽命老化的模擬試驗(下文簡稱“老化試驗”)。老化試驗經(jīng)常會遇到一個很實際的問題,產(chǎn)品的老化試驗不可能在常溫下做幾年甚至幾十年,那么怎么辦呢?這就需要做加速老化試驗,而高溫加速試驗又是最常用的辦法,那么問題又來了,高溫老化的時間如何確定?也就是高溫老化時間和常溫的關系如何換算?

        根據(jù)多年的工作經(jīng)驗并借鑒一些中外知名單位的計算方法,積累出以下3 種經(jīng)驗公式。

        2.1 已知壽命要求計算高溫老化時間

        該方法是已知常溫下產(chǎn)品壽命的要求值Time1,用高溫K2 與K1 的差值代入公式便可以求出高溫老化的時間Time2。這里要注意高溫溫度的選擇要合適,需要符合產(chǎn)品工作要求,確保在該溫度下沒有破壞性的損壞。正常電子產(chǎn)品可以取60~80 ℃。

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        2.2 根據(jù)高低溫度值利用阿倫尼斯(Arrhenius)模型計算出時間關系

        將設定的高溫老化的溫度值(計算時需要轉(zhuǎn)換成絕對溫度)以及常溫值代入公式2 中,可以計算出溫度加速因子TAF。該因子的意義是:高溫工作A h,相當于常溫A×TAF h。

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        Ea 為失效反應的活化能(eV),一般電子產(chǎn)品取值0.6 ~ 0.7。k 為常數(shù)8.62×105,K1 為常溫的絕對溫度值,K2 高溫絕對溫度值。

        3.3 溫濕度加速因子計算法

        有時候不但要用高溫加速老化還要同時配合高濕度加速試驗,這個時候就需要用公式3,該公式就是公式2 與高濕度因子公式的乘積。H2 為高濕度值,H1 為正常濕度值。HAF 為高濕度加速因子。該公式的意義就是高溫工作A h,常溫為A×AF h。

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        表1 計算表格

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        3   測算實例

        3.1 試驗準備

        試驗前根據(jù)具體的樣品設定好合適的高溫溫度值,代入到公式2 中,求出TAF 值后根據(jù)實際期望設定好高溫加速試驗時間,再折算成常溫時間。再根據(jù)試驗樣品總數(shù),故障樣品數(shù)量,求出MTTF 與FIT 以及年索賠率和預估年限。將函數(shù)公式分別填入EXCEL表格里。例如:記錄試驗開始時間T0,以及第一個樣品的損壞時間T1,第二樣品損壞的時間T2, 依此類推直到設定的試驗時間完成。

        3.2 EXCEL表格實例

        表1 中白色背景的單元格是需要我們填寫和記錄的值,其余藍色背景的單元格為自動計算的數(shù)據(jù),直接讀取就可以。試驗前需要在C2 單元格填寫試驗樣品總數(shù)。試驗過程中記錄故障數(shù)量和出現(xiàn)故障的時間點,比如試驗開始時間為T0,發(fā)現(xiàn)第一個樣品損壞的時間為T1 那么就在F2 單元格記錄T1-T0 的值,用同樣的方法記錄接下來發(fā)現(xiàn)故障樣品的時間以及故障樣品數(shù)量。這樣該行其它藍色背景的單元格就會自動計算出MTTF、FIT、預估年限等值。

        3.3 單元格公式

        將前述相關計算公式具體填寫到EXCEL 單元格中去,具有事半功倍的作用(如表2~ 表4)。

        3.4 導出“浴盆曲線”

        根據(jù)EXCEL單元格填入的試驗數(shù)據(jù)導出浴盆曲線,評估試驗結(jié)果(如表5)。[4]

        表2 單元格公式1

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        表3 MTTF列單元格公式

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        表4 單元格公式2

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        表5 導出浴盆曲線

        1619491697963898.png

        表5 中,280 h 前為產(chǎn)品早期故障期,20 年后為損耗故障期。中間部分為正常使用的有效壽命期,這一階段產(chǎn)品故障率相對穩(wěn)定。由此可知,我們的產(chǎn)品在出廠前要做好老化工作,讓其度過早期故障期。

        3.5 參照標準[5]

        參照ISO13849 對MTTFFd( 等同于這里的MTTF)的失效風險評估(如表7)。

        表7 ISO13849關于失效時間的定義

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        4   結(jié)語

        新產(chǎn)品的壽命模擬評估已經(jīng)引起了很多單位的重視,未來會將MTTF 計算系統(tǒng)與高溫老化設備及電腦終端組建自動化測試系統(tǒng),將使產(chǎn)品壽命模擬測試更加直觀和智能化。

        參考文獻:

        [1] 胡志山.射頻印刷電感替代低值空心電感的探索[J].電子產(chǎn)品世界,2015(1):54-56.

        [2] 胡志山.射頻寬帶產(chǎn)品的指壓調(diào)試法[J].電子世界,2014(17):139-140.

        [3] 朱曉燕,曹晉紅.浴盆曲線在可靠性設計和管理中的應用[J].中國質(zhì)量,2007(7):25.

        [4] 江玉彬.浴盆曲線在通信電源設備管理中的應用[J].通信電源技術,2013(1):11.

        [5] 國際標準化組織.控制系統(tǒng)中與安全[S].ISO 13849-1-2006.

        (本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期)



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