电子产品的可靠性试验研究及方法
电子产品的可靠性试验研究及方法
1、引言
电子产品的可靠性是指产品在规定的条件下及规定的时间内完成规定功能的能力，它是电子产品质量的一个重要组成部分。一个电子产品尽管其技术性能指标很高，但如果它的可靠性不高，它的质量就不能算是好的。产品的可靠性不高将会给生产带来很大损失，随着控制系统的大型化，一个系统所用的电子元件越来越多，只要其中一个元件发生故障，一般都会导致整个系统发生故障，由此产生的经济损失将远远超过一个元件本身的价值，所以元件的可靠性越来越重要。电子产品是否适应预定的环境和满足可靠性指标，必须通过可靠性试验进行鉴定或考核；有时还需通过试验来暴露产品在设计和工艺中存在的问题，通过故障分析确定主要的故障模式和发生的原因，进而采取改进措施。所以可靠性试验不仅是可靠性活动的重要环节，也是进一步提高产品可靠性的有效措施。
2、电子产品可靠性特点
电子产品的可靠性变化一般都有一定的规律，其特征曲线如图1所示，由于其形状象浴盆，
通常称之为“浴盆曲线”。从图1可以看出，在产品试验和设计初期，由于设计制造中的错误、软件不完善以及元器件筛选不够等原因而造成早期失效率高，通过修正设计、改进工艺、老化元器件、以及整机试验等，使产品进入稳定的偶然失效期；使用一段时间后，由于器件耗损、整机老化以及维护等原因，产品进入了耗损失效期。这就是可靠性特征曲线呈“浴盆曲线”型的原因。
通常我们定义，在多次实验中，某随机事件出现的次数叫做该事件的频数。如在M次试验中，事件A出现的频数是M，则事件A出现的相对频数是M / N。在状态不变的条件下，在多实践中，事件A出现的相对频数就反映了该事件A出现的可能性。它是事件A出现的一个大概的百分率，称为事件A概率，记为P（A）。
P（A）=M / N （N很大）                  （1）
所以电子产品可靠性定义中的“完成规定功能的能力”，确切的说是完成规定任务的概率。例如，设一批电子产品于t=0时出厂，到时间t时还剩N个发生故障。显然,N是t的函数，记为N(t)。在t时还在工作的N(t)个中，单位时间出故障的百分率叫做这批电子产品的瞬时故障率，记为λ(t)。
电子产品质量标准
到t+ △t时，还在工作的有N(t+ △t)个，亦即在t到（t+ △t）/△t个，所以
λ(t)=[N（t）-N(t+ △t)] / N（t）△t
≈-N’(t) △t / N（t）△t
=- N’(t) / N（t）
产品故障率的倒数叫产品平均无故障时间（也称平均寿命），用它来表示可靠性水平的高低。例如，故障率等于是2%/月，即平均寿命等于50个月表示正在工作的产品中1个月会有2%出故障，这平时（50个月），大体上还有36.4%在工作，到了2倍的平均寿命时，大体上还有13.2%在正常工作。
电子产品的故障规律有其自身的特点，国内外大量可靠性试验数据都说明：正常运转期的电子产品的故障率约等于常数。其物理意义是：在任何时间，还在工作的产品，在单位时间内大体上有固定百分比的产品要出故障。例如某种大功率管的故障率为每月2%，如果出厂一万只管子，则第一个月大体上有2%即200只管子出故障，剩下9800只。第二个月内大体上又有2%即196只出故障，……，以此类推，第50个月末，大体还剩3641只。它的特点
是在正常运行期内也是不断出现故障。电子产品质量的好坏在于故障率的高低，不象机械产品那样，有一个基本上不出现故障的正常工作期。
3、电子产品的可靠性试验   
为了评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为可靠性试验。试验目的通常有如下几方面：（1）在研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷，评价产品可靠性达到预定指标的情况；（2）生产阶段为监控生产过程提供信息；（3）对定型产品进行可靠性鉴定或验收；（4）
  暴露和分析产品在不同环境和应力条件下的失效规律及有关的失效模式和失效机理；（5）为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案，为用户选用产品提供依据。
对于不同的产品，为了达到不同的目的，可以选择不同的可靠性试验方法。可靠性试验有多种分类方法，如以环境条件来划分，可分为包括各种应力条件下的模拟试验和现场试验；以试验项目划分，可分为环境试验、寿命试验、加速试验和各种特殊试验；若按试验目的来划分，则可分为筛选试验、鉴定试验和验收试验；若按试验性质来划分，也可分为
破坏性试验和非破坏性试验两大类。但通常惯用的分类法，是把它归纳为五大类，即环境试验、寿命试验、筛选试验、现场使用试验和鉴定试验。
(1) 环境试验是考核产品在各种环境（振动、冲击、离心、温度、热冲击、潮热、盐雾、低气压等）条件下的适应能力，是评价产品可靠性的重要试验方法之一。
(2) 寿命试验是研究产品寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。寿命试验是可靠性试验中最重要最基本的项目之一，它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效（损坏）随时间变化规律。通过寿命试验，可以了解产品的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。如结合失效分析，可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理，作为可靠性设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行（批量保证）试验条件等的依据。如果为了缩短试验时间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法进行试验，这就是加速寿命试验。通过寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高新产品可靠性水平。
(3) 筛选试验是一种对产品进行全数检验的非破坏性试验。其目的是为选择具有一定特性的产品或剔早期失效的产品，以提高产品的使用可靠性。产品在制造过程中，由于材料的缺
陷，或由于工艺失控，使部分产品出现所谓早期缺陷或故障，这些缺陷或故障若能及早剔除，就可以保证在实际使用时产品的可靠性水平。
可靠性筛选试验的特点是：（1）这种试验不是抽样的，而是100%试验；（2）该试验可以提高合格品的总的可靠性水平，但不能提高产品的固有可靠性，即不能提高每个产品的寿命；（3）不能简单地以筛选淘汰率的高低来评价筛选效果。淘汰率高，有可能是产品本身的设计、元件、工艺等方面存在严重缺陷，但也有可能是筛选应力强度太高。淘汰率低，有可能产品缺陷少，但也可能是筛选应力的强度和试验时间不足造成的。
通常以筛选淘汰率Q和筛选效果β值来评价筛选方法的优劣：合理的筛选方法应该是β值较大，而Q值适中。
上述各种试验都是通过模拟现场条件来进行的。模拟试验由于受设备条件的限制，往往只能对产品施加单一应力，有时也可以施加双应力，这与实际使用环境条件有很大差异，因而未能如实地、全面地暴露产品的质量情况。现场使用试验则不同，因为它是在使用现场进行，故最能真实地反映产品的可靠性问题，所获得的数据对于产品的可靠性预测、设计和保证有很高价值。对制定可靠性试验计划、验证可靠性试验方法和评价试验精确性，现
场使用试验的作用则更大。
鉴定试验是对产品的可靠性水平进行评价时而做的试验。它是根据抽样理论制定出来的抽样方案。在保证生产者不致使质量符合标准的产品被拒收的条件下进行鉴定试验。
4、可靠性试验方法
电子产品的可靠性试验方法有多种，下面介绍几种常用的方法。
第一种方法是“试验——问题记录——再试验”模式。该方法就是把初步研制的产品，通过试验发现问题时，不是立即进行改进，而是把问题记录下来，待在一个试验阶段结束以及下一个阶段开始之前，根据各种失效模式的失效机理，集中地进行改进，然后再进行试验。采用这种试验法，产品可靠性将有较大的跃进。这种试验法，比较适用于一批试验机中，出现几个问题，其中一种问题是占主要地位而其余问题是次要的情况。
第二种方法是“试验——改进——再试验”模式。该方法就是把初步研制的产品，通过试验，暴露产品的薄弱环节，分析产品的失效模式和失效机理，出问题就立即改进，然后再试验证实所解决的问题，使产品的可靠性得到增长。这种方法在电子产品的研制阶段，通过
系统试验，暴露出产品薄弱环节之后，根据具体情况，立即进行必要的改进是能够使产品的可靠性有大幅度的增长，这种方法比较适用于试验中只出现一种比较普遍和严重问题的情况，针对性较强。
第三种方法是“含延缓改进的试验——改进——再试验”模式。该方法是将方法一和方法二结合起来，通过试验发现了产品的问题，有些改进在试验中了产品的问题，有些改进在试验中立即着手进行，有些延缓到试验结束后再作改进。在试验中，对能及时改进的问题，立即采取措施改进产品，提高可靠性，在试验阶段结束后，把延缓的问题至下次试验开始前进行改进，然后再进行试验，使产品的可靠性得到较大的增长。这种方法比较适合于试验中出现几种问题，并且一些问题能短期容易改进的，另一些问题却需要相当一段时间才能改进的综合情况。
对于以上所述的三种方法，电子产品在研制阶段中，经过系统的试验，要根据暴露出的问题作具体分析，灵活应用。可靠性试验中常用的三种方法往往是周而复始地循环，并且一个循环比一个循环产品的可靠性水平向上增长，另外可靠性试验除通过系统试验外，还应根据具体情况通过气候环境试验、机械环境试验和人为正常使用等各方面的试验来暴露产
品生产的薄弱环节，进行综合的科学分析，做相应的改进，使得电子产品在设计研制阶段对其固有可靠性有进一步的提高。
5、结束语
电子产品的可靠性十分重要，是产品质量的主要指标。我国电子仪器的可靠性试验遵循的标准是GB11463《电子测量仪器可靠性试验》，一般产品在鉴定时的可靠性指标是300H，如果按常用的定时截尾试验方案进行可靠性考核，总的试验时间要达到10000H左右。由于电子产品在设计研制阶段经历了反复多次的“试验——分析——改进——再试验”的可靠性增长试验过程。在这个过程中，由于采取了改进设计及工艺措施等一系列措施来消除失效，使失效的发生逐渐减少，而可靠性得以增长。我国的一些电子产品的可靠性指标比较国际先进标准还有差距，因此必须对国内外相关标准进行充分研究，真正从产品方案的论证、设计、生产、试验和使用全过程中对可靠性水平作出准确的评价，从而大大提高我国电子产品的可靠性水平，使产品质量达到世界先进水平。
参考文献
1、 Rooney，JP，Sippiennt。Plymouth  MA。Storage  reliability。 IEEE，1989
2、 庄弈琪。微电子器件应用可靠性技术[M]。北京：电子工业出版社，1996
3、 卢昆祥。电子设备可靠性试验[M]。北京：电子工业部，1992
4、 陈炳生。电子可靠性工程[M]。北京：国防工业出版社，1998

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