电子产品寿命模拟中MTTF系统测算法

发布时间:2024-07-16  

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MTTF 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MTTF 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MTTF 的系统试验计算方法,以供实施相关测算工作时参考。


1   MTTF、FIT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失效,对于无法维修的产品来说,失效就意味着寿命的结束,平均寿命就是平均失效前的时间,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 的倒数就是故障率, 一般以每10 亿小时发生的故障数量计算,用FIT 表示。由该定义可知1/MTTF=FIT/109,所以1FIT=1/109,意为:109 h 坏了1 台,故障率为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,早期故障率比较高,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.


文章来源于:电子工程世界    原文链接
本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

我们与500+贴片厂合作,完美满足客户的定制需求。为品牌提供定制化的推广方案、专属产品特色页,多渠道推广,SEM/SEO精准营销以及与公众号的联合推广...详细>>

利用葫芦芯平台的卓越技术服务和新产品推广能力,原厂代理能轻松打入消费物联网(IOT)、信息与通信(ICT)、汽车及新能源汽车、工业自动化及工业物联网、装备及功率电子...详细>>

充分利用其强大的电子元器件采购流量,创新性地为这些物料提供了一个全新的窗口。我们的高效数字营销技术,不仅可以助你轻松识别与连接到需求方,更能够极大地提高“闲置物料”的处理能力,通过葫芦芯平台...详细>>

我们的目标很明确:构建一个全方位的半导体产业生态系统。成为一家全球领先的半导体互联网生态公司。目前,我们已成功打造了智能汽车、智能家居、大健康医疗、机器人和材料等五大生态领域。更为重要的是...详细>>

我们深知加工与定制类服务商的价值和重要性,因此,我们倾力为您提供最顶尖的营销资源。在我们的平台上,您可以直接接触到100万的研发工程师和采购工程师,以及10万的活跃客户群体...详细>>

凭借我们强大的专业流量和尖端的互联网数字营销技术,我们承诺为原厂提供免费的产品资料推广服务。无论是最新的资讯、技术动态还是创新产品,都可以通过我们的平台迅速传达给目标客户...详细>>

我们不止于将线索转化为潜在客户。葫芦芯平台致力于形成业务闭环,从引流、宣传到最终销售,全程跟进,确保每一个potential lead都得到妥善处理,从而大幅提高转化率。不仅如此...详细>>