可靠性预计【杂谈】可靠性预计发展史

可靠性预测是一个自下而上、由局部到整体的系统综合过程。根据历史产品可靠性数据、系统组成和结构特点、系统工作环境等因素，对系统部件和设备的可靠性进行评估。

自从第一台计算机诞生以来，产品故障问题一直存在:器件烧坏、短路或虚连接、引脚翘曲变形、金属材料化学渗透等。所有这些故障模式一直是计算机行业的大麻烦。如今，理解和掌握如何补偿故障、分析故障机理和预测故障已经成为一个特殊的职业。

考虑到可靠性分析、成本分析、可用性分析、备件计划、冗余建模、维护计划和产品保修期等诸多因素，逻辑工程师、系统工程师和可靠性工程师往往需要预测故障率。这对于产品生命周期管理是非常重要和必要的。主要原因包括:

1.根据系统运行状态的不同性能，可以分析产品可靠性、维修频率和备件数量之间的关系，从而估算出所需的维修频率和备件数量。

2.为系统级可靠性建模提供输入参数。系统级可靠性建模主要用于预测早期稳定运行期的故障率、年维护时间和系统可用性。

3.为设备级和系统级产品的生命周期成本分析提供输入参数。这包括设备级和系统级产品在运行的第一年和随后几年的失效概率，从而估算产品的生命周期成本。

4.它可以作为选择或最终确定产品时决策的辅助工具。如果每个供应商的其他产品参数完全相同，可靠性预测可能成为决定性因素。因此，需要要求所有供应商采用相同的可靠性预测方法。

5.可用于设定产品的出厂可靠性试验标准。

6.它是武器系统或复杂控制系统等大型系统的必要输入参数。必须提前知道每个系统组件的故障频率参数，即使是冗余组件。

7.它可以作为系统设计中的一个权衡因素。例如，由几个简单组件组成的系统通常比由几个新的高密度组件组成的系统更可靠。

为了准确预测电子产品的可靠性，需要掌握器件工程、设计原理、生产制造工艺以及预期的使用环境。一旦制造出产品原型，通过实验测试可以获得更多的参数，更准确地预测产品的可靠性。到目前为止，预测电子系统和元件可靠性的方法有很多种，每种方法都有其独特的优缺点。工业和国防领域最常用的方法有:标准化经验预测法、故障物理学法和寿命试验法。

经验预测法通过统计来自使用现场、实验室和工厂的大量历史失效数据进行建模和分析。这种预测方法通常适用于同类产品或稍加修改的产品，因此可以利用现有的工程经验对相关曲线函数的系数进行修正。当然，前提是系统或设备的故障原因稳定地与一个或一些部件相关联，并且它们之间没有干扰。目前针对不同的应用有各种经验预测标准方法。下表显示了一些常用的标准:

预测技术

适用行业

MIL-HDBK-217F

军工行业

贝尔科/电信公司

电信

国际电工委员会62380

电信

安全可靠性预测方法

工业自动化

棱镜

军事/商业

失效物理方法(PoF)是建立在掌握失效机理和应用失效物理模型进行数据分析的基础上的。故障物理是一种能够发现导致电子元器件失效的物理过程和原理，并进行特征分析和建模的方法。其核心是利用现有的物理和化学方程进行计算机建模和仿真。

寿命试验方法是对正常情况下使用的大量样品进行测试和取样。为了预测产品的可靠性，需要记录被测产品的失效时间，并用统计和概率方法对其进行评估。一般情况下，需要尽可能将测试时间压缩在几天或几周内，以降低成本，缩短产品开发时间。因此，有必要加快或扩大测试条件，以便在短时间内达到整个产品生命周期的损失水平。这种方法被称为生命周期分析、威布尔分析或高加速寿命试验(HALT)。一些用于寿命试验的失效时间数据可以与标准的经验预测方法相结合，如Bellcore/TelcordiaMethod II，也可以为故障物理建模提供必要的预测系数。

现有的故障评估方法开始失效

现在，传统的电子产品可靠性预测方法开始频繁出错。MIL-HDBK-217作为最传统、最重要的可靠性预测方法，已经存在了几十年，但与目前的纳米半导体产品及相关失效模式不兼容，可信度在不断下降。因此，各行各业的专家都在寻找可以替代传统方法的解决方案。

一方面，半导体公司已经看到组件的可靠性和可用时间大大提高，因此他们逐渐放弃了MIL-STD-883B测试。而且大部分半导体公司都放弃了军工产品的专用生产线。取而代之的是，半导体公司已经将重心转移到单个产品消耗巨大的商业生产线上；另一方面，电子产品在军事市场的采购决策也不再完全倾向于纯军品。现实情况是，系统集成商通过对商用产品和组件的实验室测试，发现其中大部分可以在较宽的温度和其他恶劣环境下稳定运行。过去几年收集的现场使用数据也大大提高了可靠性预测复杂算法中的经验系数。

然而，纳米半导体技术也带来了新的问题:过去，一个半导体产品的寿命一般为10-15年，而现在纳米规模的IC只有3-5年！更换太快对商业市场来说无所谓。人们甚至希望用户在2-3年内更换他们的电子产品，就像手机一样，因此较短的生命周期对此是有益的。这个优势成了几千万武器平台的劣势。

要补救的可靠性研究社区

几年前，VITA成员意识到国防和航空航天应用对电子设备可靠性预测数据的可持续性和可追溯性的需求大大增加，因此成立了一个可靠性社区工作组，研究和开发一个统一的标准，用于预测和评估行业中电子产品的故障。协会主要由电子产品供应商、系统集成商和国防部相关部门组成。其大部分工作由严重依赖固有可靠性数据的最终用户推动:BAE Systems、Bechtel、波音、通用动力、哈里斯、洛克希德·马丁、霍尼韦尔、诺斯罗普·格鲁曼、雷神等。他们为可靠性协会相关标准的要求做出了许多贡献。协会成员就电子产品故障预测的方法和标准制定了几个实用文件，其中一些已经得到ANSI和VITA的认可，成为传统可靠性预测方法的有力补充。可靠性研究界在实践中致力于讨论传统可靠性预测的局限性，并逐渐形成了一系列子规范作为预测该行业电子产品故障率的最佳实践。同时，协会成员意识到，各行业的可靠性预测方法多种多样，每种方法都由一个组织管理，在预测电子产品的故障率方面具有相当大的实用价值。如果社区内的电子元器件供应商认为某个可靠性预测方法对行业有很大的指导意义，工作组将生成新的子规范。

ANSI/VITA51.0及其子规范ANSI/VITA 51.1定义了一个统一的、可重复的MTBF计算方法，如下图所示，以补充当前实践中MIL-HDBK-217的不足。