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《电子元器件的可靠性》——1.1节可靠性发展阶段

简介:

本节书摘来自华章社区《电子元器件的可靠性》一书中的第1章,第1.1节可靠性发展阶段,作者王守国,更多章节内容可以访问云栖社区“华章社区”公众号查看

1.1 可靠性发展阶段

1.1.1 国外可靠性的发展史
一般认为,可靠性问题的提出最初是在军工领域,其后逐步形成完整的工程技术体系,并逐步应用到民用产品中。二次大战时期,电子设备开始广泛应用,产品不可靠性带来的问题开始暴露出来。在这个时期,航空电子设备由于自身不能可靠地工作严重地影响了任务的执行,电子设备自身出现故障的比例甚至超过了敌方造成的损失。因此触发了对产品可靠性的研究,德国在V-1火箭的研制中,最早提出了系统可靠性的基础理论,即串联系统理论,火箭系统的可靠性等于所有元器件零部件可靠性的乘积。因此,V-1火箭也是世界上第一个运用系统可靠性理论的航空飞行器。
20世纪40年代是可靠性的萌芽阶段。在此期间,美国经过统计分析,找出航空无线电设备失效的主要原因是电子管的可靠性太差,在1943年成立了电子管研究委员会,专门研究电子管的可靠性问题。为推动可靠性研究及学术交流,美国无线电子工程师学会成立了第一个可靠性专家学术组织——可靠性技术组。
20世纪50年代是可靠性兴起阶段。美国在朝鲜战争中发现,不可靠的电子设备不仅影响战争的进行,而且需要大量的维修费用。当时,军用电子设备每年的维修费用为基本成本的两倍。为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题,美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组织(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment,AGREE)。1957年,AGREE在“军用电子设备可靠性”研究报告中提出了可靠性设计、试验、管理的程序及方法,说明产品的可靠性是可建立的、可分配的和可验证的,由此确定了美国可靠性工程的发展方向,成为可靠性发展的奠基性文件,标志着可靠性已成为一门独立的学科,这是可靠性工程发展的重要里程碑。此后,美军方从管理的角度制定了一些体现“可靠性管理、保证和要求的大纲文件”(标准或规范)。如“弹道导弹及航天系统的可靠性大纲”、“宇航系统、分系统及设备的可靠性大纲要求”、“电子设备可靠性保证大纲”等。在此期间,可靠性验证工作还停留在概率论和数理统计上。也由于这个原因,概率论和数理统计得到了快速的发展,为随后开展的可靠性试验验证奠定了理论基础。
20世纪60年代是可靠性全面发展的阶段,空间科学和宇航技术的发展提高了可靠性的研究水平,扩展了其研究范围。对可靠性的研究,已经由电子、航空、宇航、核能等尖端工业领域扩展到电机与电力系统、机械、动力、土木等领域。美国国防部及国家航空航天局(NASA)采纳AGREE的可靠性研究报告中的建议,在新研制的装备中开始推广可靠性设计、试验和管理标准。为了改善可靠性工程的管理,美国国防部于1965年颁发了MIL-STD-785,即“系统与设备的可靠性大纲要求”,1969年修改为MIL-STD-785A。美空军系统司令部决定在罗姆航空发展中心(Rome Air Development Center,RADC)组建可靠性分析中心。从事可靠性预计、可靠性分析与分配、可靠性试验、数据采集等研究。虽然可靠性有定量的指标要求,若无相应的验证方法,那也会流于形式。二十世纪四五十年代在概率论和数理统计发展起来的基础上,开始了指标的试验验证。在此期间,美国国防部颁布了MIL-STD-781“可修复的电子设备可靠性试验等级和接收/拒收准则”,后修改为MIL-STD-781A“可靠性试验——指数分布”,后又修改为MIL-STD-781B“可靠性试验——指数分布”。随后产生了MIL-STD-690“失效率抽样方案和程序”,DOD-H-108“寿命和可靠性试验抽样程序和表格”等文件,这些标准为可靠性指标试验验证提供了具体方法,被世界各国采用。从工业部门的产品分类着眼,把设备和系统的可靠性视为元器件来处理。如MIL-STD-781将电子设备分为七类,分别对应环境条件A、B、C、D、E、F、G七个等级。G级最高,G级的温度为+95℃。MIL-STD-781A将电子设备分为十类,分别对应环境条件A、A-1、B、C、D、E、F、G、H、J十个等级。最高等级为J级,温度为+125℃。MIL-STD-781B关于电子设备的分类与A相同,其差别在于,前者增加了用于全部产品的筛选(试验),其目的是去除有早期缺陷的产品,试验时间50h或1/4MTBF(Mean Time Between Failure,平均无故障时间),取其中的较小者。在试验方案上,采用了放宽和加严试验的转换规则。这些标准使用的环境条件是振动、温度和电压三个单项应力。
20世纪70年代可靠性步入成熟阶段,尽管美国出现严重的经济萧条,可靠性工程作为减少寿命期费用的重要工具,仍然得到深入的发展,并日趋成熟。随着军用电子设备复杂性的迅速增长,电子设备的可靠性仍是美国防部所关切的问题。为此,由美国政府部门、工业及学术界代表建立了“电子设备可靠性讨论会”,根据其对加强电子设备可靠性统一管理的建议,正式成立了“电子系统可靠性联合技术协调组”来执行会议提出的各项建议。该协调组的职能扩大到非电子设备,并改名为“可靠性、可用性及维修性联合技术协调组”,作为集中统一的可靠性管理机构,负责组织、协调美国国防部范围的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题,建立了全国性的数据交换网,加强了美国政府机构同工业部门之间的信息交流,制定了一整套较完善的方法和程序。这个阶段强调可靠性工程的整体保证,加强元器件控制,强调设计阶段的元器件降额使用和热设计,强调环境应力筛选以及综合的可靠性试验。在可靠性设计上,采用更严格、更符合实际及更为有效的设计方法。如发展了“失效物理”(可靠性物理学)、FME(C)A(Failure Mode Effects and Criticality Analysis,故障模式、影响和危险度分析)、更严格的降额设计、综合热分析及设计技术等为设计服务。由于MIL-STD-781A、B均按设备分级,与设备的实际使用不符,试验使用的环境条件也不是模拟设备使用时所处的综合环境条件。所以许多电子设备按MIL-STD-781B试验获得的MTBF与现场使用获得的MTBF相差悬殊(有的厂家把试验获得的MTBF除以10或20)。为此,在1977年对MIL-STD-781B进行了较大的修改,颁发了MIL-STD-781C,其名称为“可靠性设计鉴定试验及产品验收试验(指数分布)”。781C将设备按使用现场分成六大类。要求环境试验条件应根据设备使用的环境情况和工作任务来确定,提出把按时间顺序变化的综合环境试验剖面施加在试件上,即采用后来出现的综合环境可靠性试验方法(CERT)。这解决了由于试验室中使用的环境试验条件对使用环境模拟不真实造成两者的MTBF值相差悬殊的问题,但其准确程度取决于综合环境试验条件的仿真程度。
20世纪80年代以来,可靠性已成为产品设备综合指标的一个重要组成部分,与性能、费用和进度处于同等重要的地位,几乎所有编入美军用标准的可靠性设计及试验程序都是为电子设备服务的。在技术上,主要在大规模集成电路、光电器件和软件可靠性等方面有较大发展。为了对综合环境可靠性试验进行深入的研究。美国国防部于1980年成立了“CERT工作组”,组织相关单位对“CERT”进行有针对性的研究。并于1981年在亚特兰大(Atlanta)召开了“CERT”工作组会议,总结“CERT”在环境试验、可靠性研制增长试验、可靠性鉴定试验、生产验收试验、“产品来源”选择、现场问题处理、保障维修、环境应力筛选等方面的应用。美国“太平洋导弹试验中心”(Pacific Missile Test Center),利用CERT技术,发展了空中发射导弹的飞行试验仿真技术。用试验室中的CERT代替原先用飞机进行的批生产飞行器可靠性验收试验。解决了批生产飞行器可靠性验收试验的经费问题,并被指定为MIL-STD-810D中的方法523.0。MIL-STD-781C解决的是可靠性试验中的验证(统计)试验部分。而另一部分可靠性工程试验(环境应力筛选和可靠性增长试验)在此期间也得到迅速的发展,并形成了相应的军用标准与手册:MIL-STD-2164、MIL-STD-1635和MIL-HDBK-189。此时的可靠性试验标准还是分散制定的。至1986年和1987年,美国用军用标准MIL-STD-781D(名为“工程研制、鉴定和生产的可靠性试验”)和MIL-HDBK-781(名为“工程研制、鉴定和生产的可靠性试验方法、方案和环境”)把有关可靠性试验统一在一起进行规范。
进入21世纪,可靠性工程技术方法和理念逐渐被应用到了民用产品上。日本是最早成功应用可靠性技术的国家之一,他们将这些理论与其提出的全面质量管理等方法结合在一起,在民用产品上取得了良好的效果,在性能、费用、质量和可靠性上取得了很好的均衡,极大地提高了产品的可靠性,使其高可靠性产品(例如,汽车、彩电、照相机、收录机、电冰箱等)畅销到全世界,获得了巨大的经济效益。日本人曾预见到今后产品竞争的焦点在于可靠性方面。
美国也逐步调整了其可靠性工作开展的策略,从规定装备开发的具体活动中抽出精力来强调验证和结果。在最早应用可靠性工程技术的军用装备的供应商中,多数也生产民用产品,这些方法被逐步应用到了民用产品上,并且形成了适合其自身特点的方法。1994年的“佩里备忘录”(佩里是美国当时的国防部长)支持这一观点:把过去主要依赖军用标准、规范及仅为国防用户建立的系统的采办过程,转变为最大限度地减少对这些标准和规范的依赖,即尽量民用化。为此,1996年,美国用MIL-HDBK-781A取代了MIL-STD-781D和MIL-HDBK-781、MIL-STD-785B,并准备今后用民用标准替代它。同时,还提出可靠性能和维修性能,即把可靠性和维修性直接归到商品的性能上。
1.1.2 我国可靠性的发展史
20世纪50年代在广州成立了亚热带环境适应性试验基地,开始了我国的可靠性研究工作。随后电子工业部门在20世纪50年代末60年代初进行了可靠性调查摸底和环境适应性工作,并专门成立了可靠性研究机构,调查了电子产品的失效情况,开展了电子产品的可靠性和环境适应性试验研究工作,对电子设备及系统的可靠性设计和试验进行了试探性工作。但是由于发展较慢,使得我国可靠性工作与国际水平的差距拉大了。20世纪70年代初,航天部门首先提出了电子元器件必须经过严格筛选。1972年组建并成立了我国电子产品可靠性与环境试验研究所,从国外引进了可靠性工程的概念和方法,这对我国可靠性工程的发展起了积极的促进作用。20世纪70年代中期,由于中日海底电缆工程的需要,提出了高可靠性元器件验证试验的研究,这项研究促进了我国可靠性数学的发展。1975年后,我国电子产品的可靠性水平有了较大提高。人造卫星的成功发射,洲际导弹试验和同步通信卫星的成功发射,标志着我国电子产品可靠性达到一定水准,但与国际先进水平相比,仍有较大差距。
1978年后,我国提出“电子产品可靠性七专质量控制与反馈科学试验计划”,经过10年努力,使军用元器件可靠性提高了两三个数量级。在军用整机系统可靠性设计上采取严格的措施,保证了航空电子、运载火箭、通信卫星和海底通信电缆等产品的长期正常运行。在军事领域,提出了定量的可靠性要求,并为此而开展了可靠性分配、预计及可靠性评估试验等工作,保证了产品可靠性的不断提高,目前在军工企业中形成了严格的可靠性工作体系。
我国民用企业的可靠性源于电视机工业,1978年的电视机质量工作会议对电视机等产品明确提出了可靠性、安全性要求和可靠性指标,组织全国整机及元器件生产厂家开展了以可靠性为中心的大规模全面质量管理,整机和元器件的可靠性水平提高了一至两个数量级。
狠抓国家重点工程和电视机的可靠性,推动了我国可靠性工程的发展。在20世纪80年代出现了我国可靠性工作的第一个高潮,全国各工业部门及各兵种纷纷进行可靠性普及培训教育,形成了骨干队伍,建立了可靠性工作组织管理机构,进行可靠性试验和可靠性设计及信息收集与反馈工作。其后出台了一系列完整的国家军用标准和管理办法,进一步推动了可靠性工程在我国的发展。从1984年开始,在国防科工委的统一领导下,结合中国国情并积极吸取国外的先进技术,组织制定了一系列关于可靠性的基础规定和标准。1985年10月,国防科工委颁发的“航空技术装备寿命与可靠性工作暂行规定”,是我国航空工业的可靠性工程全面进入工程实践和系统发展阶段的一个标志。1987年5月,国务院、中央军委颁发“军工产品质量管理条例”,明确提出在产品研制中要运用可靠性技术;1987年12月和1988年3月先后颁发的国家军用标准GJB 368—1987“装备维修性通用规范”和GJB 450—1988“装备研制与生产的可靠性通用大纲”,可以说是目前我国军工产品可靠性技术中具有代表性的基础标准。与此同时,各有关工业部门、军兵种越来越重视可靠性管理,加强可靠性信息数据和学术交流活动。全国军用电子设备可靠性数据交换网已经成立;全国性和专业系统性的各级可靠性学会相继成立,这进一步促进了我国可靠性理论与工程研究的深入展开。
目前,除了有可靠性与质量管理学会外,我国还建立了电子产品可靠性数据交换委员会、电子元器件质量认证委员会,重新组建了专业研究所。不少工厂、研究所相应建立了可靠性室(中心),广泛地开展了可靠性研究活动,取得了一定成果。
1.1.3 可靠性发展的阶段
纵观世界和我国可靠性技术的发展史,可靠性技术大体可分为四个阶段。
第一阶段:调查研究阶段,主要对电子产品可靠性问题的严重性、环境应力对失效机理的影响、可靠性总体工作的内容等进行调查研究;
第二阶段:统计试验阶段,主要对电子产品进行统计寿命试验及环境试验,定量地得出电子元器件或整机的可靠性水平,同时制订出各种环境试验方法的标准;
第三阶段:可靠性物理研究阶段,主要对可靠性问题的本质(故障或失效的模式及其机理)进行分析研究,并探讨和提出各种加速试验的方法;
第四阶段:可靠性保证阶段,也就是在了解可靠性现象和本质的基础上,从产品研制开始到使用的各个阶段,加强可靠性管理和保证、评价、认证及控制,建立可靠性数据收集、交换体系和数据中心。
目前国外电子元器件可靠性方面的主要工作已经全面而深入地展开,研究重点渗透到整机、系统可靠性与维修性(R&M)的研究工作中,随着计算机的深入,从重视硬件可靠性转向软件可靠性的研究中,包括可靠性数据处理、设计等,可靠性学科正在广泛实践的基础上加速发展。不仅如此,目前对产品可靠性的研究工作已经提高到节约资源和能源的高度来认识。通过可靠性设计,可以有效地利用材料,增长产品使用期限,获得体积小、重量轻的产品,这也是今后的可靠性研究方向之一。

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