王琦藝，夏麗昆，曾邦澤，趙德利，朱尤攀，陳若童，李 廣，王若男

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐昆明地區(qū)第一軍事代表室，云南 昆明 650030）

0 引言

紅外熱成像通過特殊的材料來感應(yīng)紅外波，然后將紅外波轉(zhuǎn)換為電信號，再把電信號轉(zhuǎn)換為圖像信號。由于其具有隱蔽性高、抗干擾性強(qiáng)、目標(biāo)識別能力強(qiáng)、全天候工作等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事偵察、監(jiān)視和制導(dǎo)等武器裝備領(lǐng)域[1-2]。熱像儀的可靠性水平會(huì)直接影響使用者任務(wù)成功率、維護(hù)成本及壽命周期，因此其可靠性設(shè)計(jì)工作越來越受到關(guān)注。目前，國外對紅外熱像儀的可靠性設(shè)計(jì)研究已趨于成熟[3-7]，但國內(nèi)對該領(lǐng)域的研究報(bào)道少之又少。

結(jié)合目前科研情況，焦平面熱像儀在研制階段由于樣本量少，技術(shù)狀態(tài)沒有固化、可靠性要求高、研制周期短、技術(shù)復(fù)雜等因素，通常需先將通過正樣鑒定又作為狀態(tài)鑒定的樣機(jī)交付總體，而后隨總體繼續(xù)完成可靠性試驗(yàn)，但該流程與目前的裝備研制相關(guān)程序并不相符。因此，后續(xù)的可靠性試驗(yàn)與評估中，熱像儀應(yīng)獨(dú)立完成，不應(yīng)再隨系統(tǒng)進(jìn)行。除此之外，目前用于正樣鑒定樣機(jī)的電子元器件多為手工焊接，與定型后批產(chǎn)的自動(dòng)焊接模式相比，焊接質(zhì)量受人員素質(zhì)、焊接習(xí)慣等主觀因素影響較大，其質(zhì)量一致性不如批量產(chǎn)品好。所以，在狀態(tài)鑒定階段用正樣機(jī)做可靠性鑒定試驗(yàn)并不能真正反映熱像儀的小批量生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性水平。另外，據(jù)日本電子行業(yè)統(tǒng)計(jì)，電子類產(chǎn)品不可靠原因中制造工藝占5%。又據(jù)美國海軍電子實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品不可靠原因中制造占10%[8]。按照裝備試驗(yàn)鑒定首批指導(dǎo)性文件的規(guī)定，裝備完成性能驗(yàn)證試驗(yàn)并通過正樣機(jī)鑒定審查后，技術(shù)狀態(tài)基本固化，轉(zhuǎn)入狀態(tài)鑒定階段。因此熱像儀在狀態(tài)鑒定的狀態(tài)應(yīng)是小批量試生產(chǎn)產(chǎn)品的狀態(tài)，此時(shí)開展熱像儀的功能、性能、環(huán)境適應(yīng)性和通用特性（含可靠性）試驗(yàn)，并通過及時(shí)糾正出現(xiàn)的質(zhì)量問題，可以進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的有效性和質(zhì)量一致性，降低制造引起的不可靠，有效實(shí)現(xiàn)熱像儀可靠性增長目標(biāo)，保證小批量生產(chǎn)的熱像儀可靠性水平不降低。

鑒于上述綜合分析，本論文闡述了紅外熱像儀的故障，建立了紅外熱像儀的任務(wù)可靠性模型，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施后，采用可靠性增長的辦法來驗(yàn)證所提措施的有效性。

1 對某型熱像儀的可靠性預(yù)計(jì)

以某型熱像儀為例，在正樣機(jī)研制階段，其可靠性要求平均無故障時(shí)間（mean time between failure，MTBF）≥2500 h，設(shè)計(jì)人員通常按如下做法來保證可靠性的實(shí)現(xiàn)，即：

①嚴(yán)格控制電子元器件質(zhì)量，從合格供方名錄中采購滿足要求的電子元器件；

②對元器件按企標(biāo)100%入所復(fù)驗(yàn)和二次篩選；

③對電路板制定專用篩選要求進(jìn)行板級篩選，盡可能剔除早期故障后才裝入整機(jī)；

④在熱像儀的設(shè)計(jì)上采用降額設(shè)計(jì)、簡化設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)，充分考慮了散熱、抗振、密封；

⑤對熱像儀的殼體制定加速時(shí)效方案，以促其盡量釋放應(yīng)力，降低形變可能；

⑥在熱像儀的電路設(shè)計(jì)中增加電源保護(hù)和過流保護(hù)裝置。

以熱像儀設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)文獻(xiàn)[9]所述建立如圖1所示的熱像儀任務(wù)可靠性模型，采用故障率預(yù)計(jì)法，按照熱像儀的故障模式影響及危害度分析方法（failure mode effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA）約定當(dāng)該型熱像儀不能完成搜索、探測、識別和瞄準(zhǔn)功能或者操控失效的時(shí)候，判斷為故障。如圖1所示，該型熱像儀是一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，即任何一個(gè)部件失效都會(huì)引起熱像儀故障。按圖1 的可靠性框圖建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

圖1 任務(wù)可靠性框圖Fig.1 Block diagram of mission reliability

熱像儀的可靠度：

式中：Rs為熱像儀的可靠度；Ri為組件的可靠度；失效均符合指數(shù)分布，即：

則熱像儀的可靠度：

熱像儀的故障率λS為各組件故障率λi之和：

式中：λS為熱像儀的故障率；λi為組件的故障率。

熱像儀的平均無故障時(shí)間：

其中，光學(xué)系統(tǒng)部分的可靠性預(yù)計(jì)主要來源于成熟的相似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。探測器組件及調(diào)焦變倍組件的可靠性數(shù)據(jù)均由廠家提供。所有電子元器件在沒有電離、輻射的環(huán)境中工作，且元件壽命服從指數(shù)分布，其基本失效率數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型均取 GJB/Z299C-2006 和MIL-HDBK-217F。各部件的可靠性預(yù)計(jì)見表1。

表1 預(yù)計(jì)結(jié)果Table 1 Expected results

把上述數(shù)據(jù)分別代入公式(4)和公式(5)，熱像儀的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果MTBF＝3370.4 h，達(dá)到2500 h 以上要求。

紅外熱像儀作為一種集光機(jī)電于一體的高新觀瞄裝備，在研制過程中具有樣本量少、技術(shù)復(fù)雜、可靠性要求高等特點(diǎn)。在紅外熱像儀研制、生產(chǎn)及使用過程中，常常會(huì)出現(xiàn)多種不同故障。隨著科技發(fā)展，表貼元器件的出現(xiàn)使得熱像儀向小型化發(fā)展成為可能，但也給各功能電路板如成像電路板、伺服電路板的制造帶來一定難度。不同熱像儀的功能、外形尺寸和重量要求各不相同，因此電路板設(shè)計(jì)具有針對性和專用性。在實(shí)際制版過程中，對表貼元器件進(jìn)行焊接時(shí)，由于電路板數(shù)量少、專用性強(qiáng)和技術(shù)狀態(tài)未固化等特點(diǎn)，操作者一般采用手工焊接代替回流焊[10]。只有當(dāng)熱像儀的訂貨量達(dá)到一定數(shù)量、且技術(shù)狀態(tài)完全固化的情況下，研制單位才會(huì)采用回流焊對表貼元器件進(jìn)行焊接。

基于該背景，本文擬研究這兩種焊接方法對熱像儀可靠性帶來的影響，并進(jìn)行比較以嘗試找出解決問題的辦法。

2 可靠性試驗(yàn)綜合評估

為了驗(yàn)證可靠性預(yù)計(jì)的結(jié)果是否準(zhǔn)確，從同一型號的科研樣機(jī)中任抽兩臺產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)其自檢、正樣鑒定檢驗(yàn)、隨系統(tǒng)自檢、隨系統(tǒng)出廠檢驗(yàn)和在試驗(yàn)基地試驗(yàn)的時(shí)間共計(jì)5419 h，單臺產(chǎn)品的可靠性評估時(shí)間為2709 h。

根據(jù)GJB899A-2009[11]中可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)方案21 可知，規(guī)定使用方風(fēng)險(xiǎn)為30%，研制方風(fēng)險(xiǎn)為30%（屬于高風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)方案），此時(shí)試驗(yàn)時(shí)間系數(shù)為1.1，如表2所示。若產(chǎn)品規(guī)范中對溫度、振動(dòng)和相對濕度等環(huán)境條件無要求，則根據(jù)GJB899A-2009中具體要求執(zhí)行。根據(jù)上述參數(shù)，計(jì)算可得試驗(yàn)累計(jì)臺時(shí)數(shù)最低為2500×1.1＝2750 h。因此，該可靠性試驗(yàn)方案為：當(dāng)試驗(yàn)累計(jì)臺時(shí)數(shù)大于等于2750 h，則可接收故障數(shù)為0。

按表2 的條件，在試驗(yàn)過程中，只有被試品無責(zé)任故障，才算本次可靠性試驗(yàn)通過；若發(fā)生1 次或1次以上責(zé)任故障，則被試品判定為未通過本次可靠性試驗(yàn)，并且應(yīng)按照程序完成歸零程序后，申請重新進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。

表2 可靠性試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme for reliability verification

兩臺產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)時(shí)間理論上臺時(shí)數(shù)不小于2750 h。為了進(jìn)一步驗(yàn)證熱像儀可靠性是否滿足方案21 的要求，根據(jù)熱像儀檢驗(yàn)試驗(yàn)大綱中部分性能需隨總體進(jìn)行試驗(yàn)的檢驗(yàn)要求，讓這兩臺產(chǎn)品繼續(xù)進(jìn)行臺時(shí)數(shù)為至少770 h 的可靠性試驗(yàn)。

3 可靠性驗(yàn)證及分析

3.1 熱像儀可靠性驗(yàn)證

對任意抽取的兩臺熱像儀根據(jù)檢驗(yàn)試驗(yàn)大綱繼續(xù)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，當(dāng)累計(jì)工作時(shí)長超過臺時(shí)數(shù)690 h后，1#熱像儀在高溫工作區(qū)間待機(jī)6 h 時(shí)出現(xiàn)故障。工作人員檢查熱像儀功能時(shí)發(fā)現(xiàn)觀瞄界面切換至“熱像寬/窄視場”時(shí)，顯示圖像出現(xiàn)花屏和自檢報(bào)故現(xiàn)象，而疊加在視頻圖像的綠色字符信息顯示正常，如圖2所示，經(jīng)初步判斷本次故障是熱像儀故障。

圖2 熱像視場故障Fig.2 Fault diagram of thermal image field of view

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，故障熱像儀的單機(jī)試驗(yàn)臺時(shí)數(shù)超過2750 h，表明熱像儀的設(shè)計(jì)可靠性能滿足指標(biāo)所要求。但繼續(xù)完成臺時(shí)數(shù)為770 h 的可靠性試驗(yàn)時(shí)，其中一臺出現(xiàn)了故障，故障率達(dá)到50%。因此，需對該現(xiàn)象進(jìn)行故障分析，找出存在的隱患，以達(dá)到可靠性增長的目的。

3.2 故障分析

該型熱像儀主要由紅外光學(xué)系統(tǒng)和調(diào)焦變倍組件、機(jī)芯組件、綜合處理電路、光機(jī)平臺等組成。其中，機(jī)芯組件是把外界景物圖像的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒆鞣糯筇幚淼难b置；綜合處理板主要是把探測器組件輸出的包含觀察目標(biāo)特征參數(shù)的電信號進(jìn)行放大處理后合成為視頻信號輸出給后端顯示用。按照該型熱像儀的失效模式及效應(yīng)分析（failure mode and effect analysis，F(xiàn)MEA），建立如圖3所示的故障樹。按故障樹逐級排查故障原因，最終故障原因定位在熱像儀內(nèi)部的綜合處理電路板上的濾波電容C93 短路，該電容接于VAA5V 電源芯片輸入端（＋12 V）與地線之間。若將其斷路，熱像儀仍能正常工作。但由于該電容能夠顯著提高熱像儀的可靠性、穩(wěn)定性以及抗干擾能力，因此濾波電容C93 短路后，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)芯片不能正常工作，長時(shí)間的短路甚至還可能引起部分芯片的損傷。因此，解決電容C93 短路的問題是重中之重。

圖3 熱像儀視場故障樹圖Fig.3 Tree diagram of field of view fault of thermal imager

3.3 電容失效機(jī)理分析

經(jīng)故障排查，與電容C93 同批采購的電容，在裝配前均按照相關(guān)規(guī)定做了100%篩選，裝入綜合處理板后亦做了板級篩選。該短路電容從外觀上看似正常，但其電學(xué)性能已完全失效，具體參數(shù)見表3。

表3 失效電容C93 電性能測試數(shù)據(jù)表Table 3 Electrical performance test data sheet of failure capacitor C93

對該電容進(jìn)一步做破壞性物理分析（DPA，destructive physical analysis）[12]，采取邊磨邊看的分析手法，觀察其內(nèi)部形貌結(jié)構(gòu)。磨至瓷體內(nèi)部時(shí)沒有出現(xiàn)異常情況，如圖4所示。但磨至電極層時(shí)發(fā)現(xiàn)瓷體左下角處出現(xiàn)一個(gè)裂紋，其裂紋清晰可見，裂紋呈斷續(xù)45°角形貌，如圖5 中的矩形框內(nèi)形貌所示。

圖4 電容磨至瓷體表面形貌結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of ceramic surface morphology after capacitive grinding

從圖5 的裂紋模式分析判斷，此種裂紋模式為典型的引入缺陷，即電容受外部機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致失效。這是由于C93 屬于貼片電容，電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，其主要成份是“電子陶瓷”，這是一種非常脆性的材料，尤其在電容的端頭連接處是最薄弱的，當(dāng)其受到外力作用時(shí)極易在此位置產(chǎn)生開裂。

圖5 電容內(nèi)部電極層形貌結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of internal electrode layer morphology of capacitor

圖6 電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.6 Internal structure diagram of capacitor

依據(jù)故障的機(jī)理，對該臺熱像儀的工藝執(zhí)行情況進(jìn)行排查，找到可能造成電容端頭出現(xiàn)裂紋的兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)：

①手工焊接表貼電容。從焊盤狀態(tài)可以判斷該熱像儀電路板除了單片機(jī)芯片外，其余元器件均為手工焊接完成。在手工焊接中，上錫過多或烙鐵頭直接與電容器陶瓷本體接觸均可產(chǎn)生不均勻的溫度應(yīng)力，很有可能產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，再通過后續(xù)的可靠性試驗(yàn)疊加的應(yīng)力極易使裂紋加劇電容失效；

②焊接后的電路板在后續(xù)搬運(yùn)過程中，如發(fā)生相互碰撞，比如電路板產(chǎn)生堆疊，也可能導(dǎo)致元器件損傷。

因此，針對這兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，本文制定了相應(yīng)措施：

①對全部表貼元件以成熟的回流焊工藝替代手工焊接；

②對焊接完成后的電路板采取保護(hù)措施，防止碰撞。

4 可靠性增長驗(yàn)證與分析

由于熱像儀故障難以復(fù)現(xiàn)，為驗(yàn)證上述措施的有效性，采用可靠性增長[13-14]的辦法來驗(yàn)證?？煽啃栽鲩L是指通過不斷地消除產(chǎn)品在設(shè)計(jì)或制造中的薄弱環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品可靠性隨時(shí)間而逐步提高的過程。

通常，可靠性增長的目標(biāo)情況可由合同（或研制任務(wù)書）的規(guī)定值來確定。為了能高概率地通過可靠性鑒定試驗(yàn)，可靠性增長的目標(biāo)值應(yīng)稍高于合同（或任務(wù)書）的規(guī)定值。記θ0為合同的規(guī)定值，θF為增長目標(biāo)值，則它們的關(guān)系應(yīng)如下式所示：

如果合同和研制任務(wù)書沒有具體規(guī)定，那么可綜合考慮同類產(chǎn)品國內(nèi)外水平、產(chǎn)品固有可靠性、產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)值以及產(chǎn)品增長潛力等各種因素來確定增長目標(biāo)。

本次可靠性增長試驗(yàn)采用的是完全落實(shí)了糾正措施的熱像儀，即這兩臺熱像儀的表貼元件均采用回流焊焊接，并在電路板流轉(zhuǎn)過程中加入了保護(hù)。這兩臺熱像儀經(jīng)歷了與前述兩臺樣機(jī)基本相同條件的檢驗(yàn)試驗(yàn)后，隨總體單位重新進(jìn)行770 h 的可靠性試驗(yàn)，該次試驗(yàn)未發(fā)生任何責(zé)任故障并一次通過試驗(yàn)，證明了糾正措施的可靠性。

此外，采用杜安模型[15]的理想增長曲線來評估此次試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到的可靠性增長目標(biāo)情況。杜安模型理想增長曲線如圖7所示，作為描述增長過程的總輪廓線，它根據(jù)所選增長模型及有關(guān)信息繪制而成。

圖7 杜安模型在線性坐標(biāo)系中的增長曲線Fig.7 Growth curve of Duane model in linear coordinate system

杜安模型的理想增長曲線公式為：

式中：θF為可靠性增長的總目標(biāo)；tF為達(dá)到總目標(biāo)時(shí)的總累積試驗(yàn)時(shí)間，又稱總試驗(yàn)時(shí)間；θI為可靠性增長的初始水平；tI為第一試驗(yàn)段的試驗(yàn)時(shí)間；m為可靠性增長率。

杜安模型的理想增長曲線表征了產(chǎn)品的可靠性增長速度，其結(jié)果大小取決于許多因素。最初，杜安模型依據(jù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓機(jī)械裝置的可靠性增長率約為0.5。后來，通過廣泛的可靠性增長試驗(yàn)實(shí)踐表明，對新研制的復(fù)雜產(chǎn)品，可靠性增長率通常在0.3～0.6 之間。當(dāng)其介于0.1～0.3 之間，表明失效糾正措施不太有力；當(dāng)其介于0.6～0.7 之間，表明在實(shí)施增長試驗(yàn)大綱過程中，采取了強(qiáng)有力的失效分析和糾正措施。在工程實(shí)踐中，可以采用下述各種途徑來確定可靠性增長率[15]：

①參考同類產(chǎn)品的可靠性增長經(jīng)驗(yàn)；

②產(chǎn)品研制的成熟程度；

③可靠性增長的過程可簡單描述為“試驗(yàn)-分析-再試驗(yàn)-再分析-…”，即TAAF（test analysis and fix）。因此，試驗(yàn)過程中，增長率與實(shí)驗(yàn)過程中付出的努力程度成正比；

④借鑒有關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

此處，我們根據(jù)項(xiàng)目試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)取m＝0.4。

根據(jù)該熱像儀要求，在正樣機(jī)研制階段，其可靠性要求MTBF（平均無故障時(shí)間）大于等于2500 h，因此取θF＝2500 h。

改進(jìn)前，熱像儀隨總體進(jìn)行690 h 后出現(xiàn)故障，取初始水平θI＝690 h，第一階段試驗(yàn)時(shí)間tI＝690 h。根據(jù)公式(7)可得達(dá)到總目標(biāo)時(shí)的總累積試驗(yàn)時(shí)間如下：

因此，為達(dá)到MTBF 2500 h 的增長目標(biāo)，還需進(jìn)行4807.9－690＝4117.9 h 的可靠性增長試驗(yàn)。

而改進(jìn)后，熱像儀隨總體進(jìn)行770 h 后無故障，取初始水平θI′＝770 h，第一階段試驗(yàn)時(shí)間tI′＝770 h。根據(jù)公式(7)可得達(dá)到總目標(biāo)時(shí)的總累積試驗(yàn)時(shí)間如下：

因此，為達(dá)到MTBF 2500 h 的增長目標(biāo)，還需進(jìn)行4078.4－770＝3308.4 h 的可靠性增長試驗(yàn)。對比改進(jìn)前后，達(dá)到增長目標(biāo)所需的可靠性增長試驗(yàn)時(shí)間縮短，這進(jìn)一步證明糾正措施是有效的，可使熱像儀的可靠性有顯著增長。

5 結(jié)論

本文針對貼片電容C93 失效引起的紅外熱像儀故障，通過分析失效原因及建立任務(wù)可靠性模型，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并采用基于杜安模型的可靠性增長辦法來驗(yàn)證所提措施的有效性。經(jīng)驗(yàn)證，本文所提改進(jìn)措施既滿足裝備試驗(yàn)鑒定要求，又實(shí)現(xiàn)了熱像儀的可靠性增長和批量產(chǎn)品可靠性不降低的目標(biāo)。雖然本文對熱像儀可靠性增長的研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但還仍需進(jìn)一步深入研究。在今后的工作中，可基于目前科研項(xiàng)目的可靠性情況，著重進(jìn)行研制階段樣機(jī)與小批量生產(chǎn)產(chǎn)品之間可靠性的分析和研究。