单机电子产品可靠性预计技术分析_王玮.pdf

总第345期1引言可靠性工程已成为系统寿命周期中的一个重要环节，它关系到系统任务的成败1。可靠性是系统保证任务能力的重要体现，直接影响系统型号的立项、研制、履约和使用等各个环节。根据系统型号产品的特点，产品结构复杂、重要度高，需要采用多种先进技术、技术风险高、型号需求重要等特点2，因此对可靠性有更高的要求；船舶产品除了以上特点外使用时的湿度、振动环境也有特殊要求3，因此对产品可靠性有更高的要求。对单机产品的可靠性指标验证，一般分两个部分。第一个部分是在工程研制阶段的可靠性预计，是对产品设计的考核，可靠性预计值要大于可靠性规定值，才能保证设计可靠性满足要求，以及后续生产出的产品满足合同值。型号产品往往要求可靠性预计值满足合同中的规定值，才能开展后续的投产、试验，以确保设计可靠性满足要求。第二个部分是在定型鉴定阶段，根据产品的试验数据，采用统计模型，进行可靠性评估。考核了产品的硬件设计、软件设计、工艺实现能力等4。2任务剖面建立原则装备系统数据链产品一般装在导弹上或者导弹发射车上的发射架上。数据链产品的导弹挂在飞机上时，一般经历的任务阶段有：挂飞、自检、发射和自主飞5。对应的工作模式有：静默、小功率、中功率和大功率。一般，不同的任务阶段，数据链产品的工作模式不同。不同的任务阶段，产品的工作模式不同，元器收稿日期：2022年9月13日，修回日期：2022年10月25日作者简介：王玮，女，硕士，工程师，研究方向：数据链产品系统设计、可靠性工程设计。单机电子产品可靠性预计技术分析王玮（航天恒星科技有限公司北京100095）摘要电子产品可靠性预计是产品设计阶段评价设计可靠性是否满足可靠性指标的重要手段。可靠性预计正确能确保设计的正确性。因此分析电子产品开展可靠性预计时需要注意的事项很有必要。分析任务剖面、任务可靠性模型与可靠性预计参数的对应关系，以及为了更加准确预计产品的可靠性需要提供准确的数据和详细的建模信息。关键词可靠性预计；电子产品；结温；任务剖面中图分类号O213.2DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.030Analysis of Reliability Prediction Technology for Single ElectronicProductWANG Wei（Aerospace Star Technology Co.，Ltd.，Beijing100095）AbstractReliability prediction of electronic products is an important means to evaluate whether the design reliability meetsthe reliability index in the product design stage.The correctness of reliability prediction can ensure the correctness of design.Therefore，it is necessary to analyze the matters needing attention in the reliability prediction of electronic products.The corresponding relationship between mission profile，mission reliability model and reliability prediction parameters is analyzed，and in order to predict the reliability of products more accurately，accurate data and detailed modeling information Meed to be provide.Key Wordsreliability prediction，electronic product，junction temperature，mission profileClass NumberO213.2舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 345 期2023 年第 3 期Vol.43 No.3144舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期件的功率、工作电压等工作参数6就不同，带来的可靠性影响就不同。一方面环境系数不同，另一方面工作应力不同，导致的元器件失效率就不同，可靠度就不同。如表1所示，不同的任务阶段带来的元器件工作应力情况7。例如：某型号任务的任务剖面见图 1 所示。T0-导弹发射时刻。3可靠性模型建立原则产品的基本可靠性反映的是产品对维修人力费用和后勤保障资源的需求，故产品的各个模块故障均会引起维修人力、资源的保障，因此应为全串联模型8；任务可靠性是产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。在不同的任务阶段应有不同的任务可靠性模型9。3.1可靠性框图图 1 为任务剖面，图 2 为任务可靠性框图模型。在图1任务剖面中的各任务阶段中，虽然可靠性框图均为图2，但是每个模块的可靠度和故障率不同，因为各阶段内的环境应力和工作应力不同。表1任务阶段与工作模式序号12345任务阶段自检挂飞发射自主飞地面测试工作模式静默小功率中功率大功率小功率元器件工作应力情况前向链路元器件加电工作；返向链路不加电。前返向链路元器件均加电工作，高频元器件工作在小功率；前返向链路元器件均加电工作，高频元器件工作在中功率；前返向链路元器件均加电工作，高频元器件工作在大功率；前返向链路元器件均加电工作，高频元器件工作在小/中功率图1任务剖面模型3.2可靠度数学模型元器件和设备是电子产品，故障率函数服从指数分布。可靠性框图为串联，见式（1）。为确保任务成功，模块中的元器件为串-并-旁联模型；串联电路模块内故障率函数为各元器件故障率相加，可靠度函数为各可靠度连乘见式（2）；并联电路模型见式（3）；旁联电路模型见式（4）：Ri（t）=j=17Rij（1）Rij（t）=e-m=1Mijmti（2）R4（t）=1-（1-R41）（1-R42）（3）R7（t）=e-7kt(1+RL7kt)（4）其中：Ri（t）为第i个时间段可靠度，i=1，2，3；j为第j个模块；Rij（t）为第i时间段第j个串联模块可靠度；ti图2可靠性框图145总第345期为第i个时间段内的工作时间（每个时间段的基准时间为0）；lijm为第i时间段第j个模块中第m个元器件故障率；RL为旁联模块中的选择器件可靠度。其中lijm与元器件工作的时间段中的工作应力Gk、环境应力L/F均有关系。全任务阶段段可靠度模型是串联模型，可靠度见式（5）：Rs（t）=i=13Ri（t）（5）4各任务阶段元器件可靠性预计4.1预计方法按照 GJB/Z299C 电子设备可靠性预计手册中元器件应力分析法10的要求，对本项目开展可靠性预计。预计遵循的原则如下：1）可靠性预计主要参数参考器件手册和项目原理图；对查不到的元器件参数和GJB/Z299C没有包含的元器件，借用雷同元器件的参数和可靠性值进行预计11；2）本产品为电子产品，故障函数为指数模型，故障率在每个任务时间阶段为常数；3）预计参数无法获取的，按照最恶劣情况预计可靠度。4.2元器件预计参数按照GJB/Z299C 电子设备工作可靠性预计手册 中的元器件失效率模型，收集元器件固有参数和使用参数，进行预计。收集信息表示例详见表2。GJB/Z299C和MIL217F12经过足够数量的相应元器件失效统计模拟出的失效率模型。在信息收集时，需注意以下几点：1）根据GJB/Z299C的元器件分类，如果目标元器件类别不清晰的，如半导体数字电路也可能是FPGA，则两种都计算，选择失效率结果高的作为结果值；不在GJB/Z299C的元器件分类中的，问厂家要失效率数据；2）信息要准确，才能确保失效率结果较为准确，例如，元器件的结温，可以通过热仿真获得结温，也可知悉壳温、热耗、热阻计算得到结温13；热耗在第三章分析的在不同的任务阶段、工作模式，有不同的热耗，结温不同，失效率就不同。位号U7元器件型号B9122E质量等级A3成熟度稳定生产品电路类型nvCMOS，3VVDD18V，如果Vs8VVS值3.3V最恶劣情况结温25175175最大功耗W1.5W壳温60结到管壳热阻/W1.1用封装形式决定热阻密封，芯片载体（LCC）封装晶体管数500000管腿数72表2半导体单片模拟集成电路5结语根据以上分析，可以总结出电子产品元器件可靠性预计技术需要注意以下几点：1）需要建立电子产品的任务剖面，分析任务剖面中的不同任务阶段，产品的不同工作模式、以及元器件的工作方式，确定工作应力的不同，主要是功率、工作电压等；2）任务剖面中的不同任务阶段的工作环境可能不同，因此，按照GJB/Z299C的环境分类，划分最接近的环境类别，可适当调整环境系数，系数需通过专家审核确定；3）质量等级根据元器件使用时的二次筛选、DPA检测、复验管理等手段的加强，质量等级系数可适当降低系数，系数需通过专家审核确定；4）元器件的信息收集需要准确，尤其是质量等级、功耗、结温、门数（位数、晶体管数）、管腿数、封装形式等。结温的取值方式可以是传感器测量、热仿真、热成像、壳温-功耗计算等途径，力求准确，才能保证计算出的可靠度准确。参 考 文 献1曾声奎，赵廷弟，张建国，等.系统可靠性设计分析教程M.北京：北京航空航天大学出版社，2001.2ELSAYED.可靠性工程（第2版）M.北京：电子工业出版社，2013.3张增照，潘勇.电子产品可靠性预计 M.北京：科学出版社，2007.4曹晋华，程侃.可靠性数学引论 M.北京：科学出版社，1986.5胡昌寿.可靠性工程设计、试验、分析、管理 M.北京：宇航出版社，1988.6GJB1909.110.装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 S.北京：国防科学技术工业委员会，1994.王玮：单机电子产品可靠性预计技术分析146舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期7陆廷孝，郑鹏洲，何国伟，等.可靠性设计与分析 M.北京：国防工业出版社，1997.8章国栋，陆廷孝，屠庆慈，等.系统可靠性与维修性的设计与分析 M.北京：北京航空航天大学出版社，1990.9章文晋.计算机辅助可靠性维修性保障性要求制定方法研究 D.北京：北京航空航天大学，1999.10GJB/Z299C-2006.电子设备工作可靠性预计手册 S.中国人民解放军总装备部，2006.11何国伟等.系统可靠性设计分析 M.北京：国防工业出版社，1997.12MIL-HDBK-217F，Reliability Prediction of ElectronicEquipment S.1992.13余建祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术（第2版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2008.为验证以上推论，令C=0.3，LS=2，r=3，b=0.3，可得图3、4。由图3、4可以得出，两种模式下，干线航空市场规模的增长都促进了边际利润的增长，但当干线航空市场规模较大时，选择运力购买模式对利润的正向影响更明显，即当旅客密度较大时，干线航空会选择运力购买模式；而干线市场规模较小时，收益共享的利润更高，干线航空也会倾向于选择收益共享模式。5结语本文通过反需求函数建立模型，对干支线航空合作时的利润进行比较，基于假定条件，得到了干线航空在与支线航空进行合作时的各种情况，得到以下几个结论：1）在以上两种模式下，干线航空利润函数均为干线市场规模的二次函数，当市场规模足够大时，支线航空才有与干线航空联合运营的动机，且支线航空市场规模的增长会给干线航空带来正向效益。2）旅客密度较大，即市场规模较大时，干线航司倾向于选择运力购买模式；而当旅客密度一定时，成本越大，干线航司倾向于选择收益共享模式。参 考 文 献1Gillen.D，Hashemin