新闻中心

EEPW首页 > 消费电子 > 设计应用 > 电子产品寿命模拟中MTTF系统测算法

电子产品寿命模拟中MTTF系统测算法

作者:胡志山 (伟龙意程智能科技(江苏)有限公司,江苏 东台 224200) 时间:2021-04-27 来源:电子产品世界 收藏
编者按:根据多年工作经验借鉴中外企业先进做法和相关标准,推导出经验公式,结合试验数据,计算产品的MTTF、FIT值以及年索赔率等参数,能够有效地模拟产品的生命周期以及测算出工厂的早期老化时间,为产品在大批量投产前提供可靠性的量化依据。[1]

作者简介:胡志山(1978—),男,高级工程师,中国电子学会高级会员。研发中心光电项目经理。

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

0   引言

在电子产品更新换代日趋频繁的今天,大批量投产前的可靠性测试显得尤为重要,这其中的寿命评估即 测算成了一项系统工作,它给予决策者评估产品寿命提供了一个重要的决策支持。由于长期以来对 的系统测算没有明确统一的标准,导致难以普遍应用。本文将重点介绍 的系统试验计算方法,以供实施相关测算工作时参考。[2]

1   MTTF、及浴盆曲线

电子产品由于零部件质量水平及其工况等原因,使用一段时间后会出现,对于无法维修的产品来说,就意味着寿命的结束,平均寿命就是平均前的时间,也称平均故障时间MTTF。

MTTF=[T1+T2+Tn+(N-n+1)×Tn]/n ……( 公式1),单位为小时(h)。例如用100 台产品进行寿命测试,在测试过程中先后发现有3 台出现失效,在第30 h 发现第1 台,第300 h 发现第2 台,最后在第1 000 h 发现第3 台。那么n=3,T1=30,T2=300,Tn=1 000, 则MTTF=[30+300+(100-3)×1000]/3=32 776.66 h。

平均故障时间MTTF 是一个可靠性的度量方法,MTTF 的倒数就是, 一般以每10 亿小时发生的故障数量计算,用 表示。由该定义可知1/MTTF=/109,所以1FIT=1/109,意为:109 h 坏了1 台,为1 FIT。

通过老化试验就可以获得FIT 随时间的变化关系,这种变化关系曲线就是“浴盆曲线”。如图1 所示,早期比较高,随着时间的推移进入故障率相对稳定期,即偶发故障期。再往后故障率FIT 值又开始升高,进入损耗故障期。早期故障期通常可以在工厂内部进行老化度过,偶发故障期是故障率相对稳定的时间段,处在产品的正常使用阶段。损耗故障期故障率不断升高,产品逐渐失效或报废。[3]

image.png

图1 浴盆曲线

2   高温加速老化试验及计算公式

MTTF 的数据来源于寿命老化的模拟试验(下文简称“老化试验”)。老化试验经常会遇到一个很实际的问题,产品的老化试验不可能在常温下做几年甚至几十年,那么怎么办呢?这就需要做加速老化试验,而高温加速试验又是最常用的办法,那么问题又来了,高温老化的时间如何确定?也就是高温老化时间和常温的关系如何换算?

根据多年的工作经验并借鉴一些中外知名单位的计算方法,积累出以下3 种经验公式。

2.1 已知寿命要求计算高温老化时间

该方法是已知常温下产品寿命的要求值Time1,用高温K2 与K1 的差值代入公式便可以求出高温老化的时间Time2。这里要注意高温温度的选择要合适,需要符合产品工作要求,确保在该温度下没有破坏性的损坏。正常电子产品可以取60~80 ℃。

image.png

2.2 根据高低温度值利用阿伦尼斯(Arrhenius)模型计算出时间关系

将设定的高温老化的温度值(计算时需要转换成绝对温度)以及常温值代入公式2 中,可以计算出温度加速因子TAF。该因子的意义是:高温工作A h,相当于常温A×TAF h。

image.png

Ea 为失效反应的活化能(eV),一般电子产品取值0.6 ~ 0.7。k 为常数8.62×105,K1 为常温的绝对温度值,K2 高温绝对温度值。

3.3 温湿度加速因子计算法

有时候不但要用高温加速老化还要同时配合高湿度加速试验,这个时候就需要用公式3,该公式就是公式2 与高湿度因子公式的乘积。H2 为高湿度值,H1 为正常湿度值。HAF 为高湿度加速因子。该公式的意义就是高温工作A h,常温为A×AF h。

image.png

表1 计算表格

1619491487739856.png

3   测算实例

3.1 试验准备

试验前根据具体的样品设定好合适的高温温度值,代入到公式2 中,求出TAF 值后根据实际期望设定好高温加速试验时间,再折算成常温时间。再根据试验样品总数,故障样品数量,求出MTTF 与FIT 以及年索赔率和预估年限。将函数公式分别填入EXCEL表格里。例如:记录试验开始时间T0,以及第一个样品的损坏时间T1,第二样品损坏的时间T2, 依此类推直到设定的试验时间完成。

3.2 EXCEL表格实例

表1 中白色背景的单元格是需要我们填写和记录的值,其余蓝色背景的单元格为自动计算的数据,直接读取就可以。试验前需要在C2 单元格填写试验样品总数。试验过程中记录故障数量和出现故障的时间点,比如试验开始时间为T0,发现第一个样品损坏的时间为T1 那么就在F2 单元格记录T1-T0 的值,用同样的方法记录接下来发现故障样品的时间以及故障样品数量。这样该行其它蓝色背景的单元格就会自动计算出MTTF、FIT、预估年限等值。

3.3 单元格公式

将前述相关计算公式具体填写到EXCEL 单元格中去,具有事半功倍的作用(如表2~ 表4)。

3.4 导出“浴盆曲线”

根据EXCEL单元格填入的试验数据导出浴盆曲线,评估试验结果(如表5)。[4]

表2 单元格公式1

1619491579724726.png

表3 MTTF列单元格公式

1619491637782546.png

表4 单元格公式2

1619491668649625.png

表5 导出浴盆曲线

1619491697963898.png

表5 中,280 h 前为产品早期故障期,20 年后为损耗故障期。中间部分为正常使用的有效寿命期,这一阶段产品故障率相对稳定。由此可知,我们的产品在出厂前要做好老化工作,让其度过早期故障期。

3.5 参照标准[5]

参照ISO13849 对MTTFFd( 等同于这里的MTTF)的失效风险评估(如表7)。

表7 ISO13849关于失效时间的定义

1619491757626083.png

4   结语

新产品的寿命模拟评估已经引起了很多单位的重视,未来会将MTTF 计算系统与高温老化设备及电脑终端组建自动化测试系统,将使产品寿命模拟测试更加直观和智能化。

参考文献:

[1] 胡志山.射频印刷电感替代低值空心电感的探索[J].电子产品世界,2015(1):54-56.

[2] 胡志山.射频宽带产品的指压调试法[J].电子世界,2014(17):139-140.

[3] 朱晓燕,曹晋红.浴盆曲线在可靠性设计和管理中的应用[J].中国质量,2007(7):25.

[4] 江玉彬.浴盆曲线在通信电源设备管理中的应用[J].通信电源技术,2013(1):11.

[5] 国际标准化组织.控制系统中与安全[S].ISO 13849-1-2006.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年3月期)



评论


相关推荐

技术专区

关闭