电子产品研制阶段可靠性增长试验研究

阳红成，苏小光

(南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016)

摘 要：在现代电子系统设备和可靠性增长工作的推动下，可靠性技术和工程实践得到了深入发展。结合工程实际经验，深入讨论了可靠性增长过程及实现途径。在保持试验条件和改进过程不变的条件下，实施了对具体型号电子产品的可靠性增长试验，达到了预期的可靠性增长目标，并且利用可靠性增长试验的数学模型(AMSAA模型)来评估产品的可靠性增长，对开展可靠性增长与可靠性增长试验工作具有重要的实际意义。

任何产品的研制设计，都存在某些设计缺陷。大量的工程实践表明，设计研制出来的整机，开始的可靠性水平(MTBF)通常只有预计值的10%～30%。承制方为了达到使用方要求的使用MTBF，必须通过可靠性增长。可靠性增长的最主要作用就是通过排除系统性失效的原因或者减少失效发生的概率来提高产品的可靠性水平。

1 可靠性增长试验

通过不断地消除产品在设计或制造过程中的薄弱环节，使产品可靠性随时间而提高的过程，称为可靠性增长。

产品的固有可靠性是由设计确定并通过制造实现的。由于产品复杂性的不断增加和新材料、新工艺、新技术的广泛应用，产品设计需要有一个不断认识、不断改进、完善的过程。样机在试验或运行当中，不断暴露出薄弱环节，再不断纠正、改进，从而提高产品的可靠性水平，逐步达到可靠性目标值。

有计划地激发失效，分析失效原因和改进设计，并证明改进措施的有效性而进行的试验，称为可靠性增长试验。大量工程实践证明，可靠性增长试验是提高产品可靠性非常重要的途径。GJB1407-92也强调，可靠性增长试验是GJB450 的一个工作项目，是实现可靠性增长的正规途径和主要手段。

可靠性增长是保证现代复杂系统投入使用后具有所要求的可靠性的一种有效途径，贯穿于产品寿命周期的各个阶段。在不同的寿命周期阶段，可采用不同的方法及技术实现可靠性增长。

图1直观地表示一个理想的可靠性增长过程。

图1 理想的可靠性增长过程

第一阶段：研制阶段。第一台样机研制出来时，由于存在设计缺陷等系统性薄弱环节，初始的平均故障间隔时间(MTBF)较低(A点)。在可靠性增长研制试验以及其他试验中，不断地暴露出系统性失效，通过分析，有针对性地采取纠正措施，进行设计更改，一直到研制阶段结束，可靠性在不断增长，达到B点。

第二阶段：试生产阶段。由于设计阶段样机数量较少，设计缺陷很难充分暴露出来，特别是批次性的元器件缺陷不能充分暴露出来；设计阶段元器件由设计人员掌握，设计更改、元器件更换随意性较大，往往会掩盖设计方面的不足和元器件方面的缺陷；样机的应力筛选试验很充分，而生产阶段的产品不可能有如此长的环境应力筛选周期。所以，在试生产开始的时候，使产品的可靠性低于样品研制结束时的可靠性，从B点下降到C点。在试生产过程中，通过继续采用纠正、改进措施，可靠性将不断增长，达到D点。

第三阶段：批生产和使用阶段。在批生产开始的时候，由于工艺缺陷、装配缺陷以及质量控制问题，可能使批生产产品的可靠性水平从D点下降到E点。随着关键问题的不断解决，各种工艺缺陷、装配缺陷得到纠正，可靠性将继续增长，达到规定的MTBF。

由以上可知，实现可靠性增长是反复设计、反复纠正的结果。随着设计的成熟，研究确定实际存在(通过试验)的或潜在(通过分析)的故障源，进一步的设计工作应当放在改正这些问题上。从理论上讲，产品寿命期的各个阶段都可以实现可靠性增长，但是对于各阶段所进行的可靠性增长，在经济性和及时性方面又都各不相同。

研制阶段实现可靠性增长的主要优点是费用低，更改设计方便、及时。研制阶段进行可靠性增长的主要信息来源有3个方面。

(1) 经验信息

包括同类产品使用信息、同类产品可靠性增长经验、历史经验数据、技术经验、各种数据库及出版物。这些信息在方案设计阶段就可利用，以通过更改早期设计来实现可靠性增长，因此具有很好的及时性和经济性。

(2) 分析信息

在对新产品的研制进行方案论证时，对新研制系统进行分析、产品研制成熟程度、研究及评审所获得的信息，如可行性研究、权衡分析、可靠性预计、FMECA、故障树分析、以及设计评审等所获得的信息。利用分析信息实现可靠性增长的优点是及时性和经济性较好，特别是对于高可靠性要求的产品，可以减少或避免某些费时和昂贵的试验。

(3) 试验信息

产品在研制阶段可利用的试验信息种类多、范围广。研制过程各个阶段、各个层次的产品在各种环境条件下进行各种类型的试验都能提供有价值的信息。试验信息是实现可靠性增长最为通用的信息源，利用试验信息实现可靠性增长的主要优点是具有很高的确实性。尽管试验费用是影响利用试验信息实现可靠性增长的主要障碍，但是，在实现可靠性增长的过程中，最经济有效的方法仍是在研制阶段合理安排各种可靠性试验，比如可靠性增长试验，他便于在产品研制早期确定故障模式，设计更改更容易，试验费用和风险更低，具有更好的及时性和经济性。其与环境试验及性能试验相比，具有更系统、全面和深入发现故障，确实性好，效费比更高的优点，因此，可靠性增长试验是目前国外在实现可靠性增长过程中广泛采用的方法。

2 可靠性增长试验的AMSAA模型

AMSAA模型假设产品在开发期(0，t]内失效次数N(t)是具有均值函数EN(t)=abt及瞬时强度λ(t)=abtb-1的非齐次Poisson过程，参数a>0，b>0。a和b分别称为尺度参数和形状参数。当b=1，λ(t)=a，非齐次Poisson过程退化为Poisson过程，失效时间间隔服从指数分布，产品可靠性没有趋势，既不增长也不下降。当b<1时，A(t)递减，表明可靠性增长。当b>1时，A(t)递增，表明可靠性下降。

对于时间截尾，给定Tj，在(0，T)内发生n>1次失效，失效时间为0

则:

ln L(t1,t2,…,tn)

可得：

因此，解方程组得b和a的极大似然估计为:

在时刻T，产品MTBF的极大似然估计为的无偏估计值为在时刻T，产品MTBF的无偏估计值为

3 利用AMSAA模型对某型产品的可靠性增长试验分析

某台产品在可靠性增长试验中共发生了52次失效，失效发生时刻(h)分别在2，5，9，16，18，19，21，25，38，40，42，45，47，65，89，97，104，105，120，193，214，217，250，261，285，287，289，305，329，357，372，374，393，403，466，521，556，571，621，628，642，684，732，735，754，790，805，807，830，835，872，972。试验在T=1 000 h结束，现对失效数据进行分析，并且求出试验结束时的MTBF。

(1) 趋势分析

(2) 参数估计

(3) MTBF的估计

(4) b的置信区间

对置信水平γ=0.90，形状参数b的置信区间[bL bU]为:

通过可靠性增长试验，到试验结束时刻产品的MTBF比初始MTBF增长了近10倍，达到可靠性的目标值。

4 结 语

在产品研制过程中，除了可靠性试验外，还经常会进行许多试验，如工程设计试验、性能试验、环境试验等。这些试验当中含有大量失效信息，各方应尽可能地利用产品各个阶段的资源与信息，将各种试验信息结合起来，进行科学的可靠性增长管理，经济、高效地促使产品达到预定的可靠性目标。

来源 |《现代电子技术》

审核编辑：汤梓红