司訪，王新蕊，李鵬杰，李小奇，管小榮

（1.中國兵器裝備集團兵器裝備研究所，北京 102202；2.南京理工大學，南京 210094）

應力分析法是考慮電子產品中的每個元器件類型、工作應力、環(huán)境應力、質量等級的不同，根據經驗詳細計算每個元器件的故障率，再將組成產品的所有元器件的故障率累加，得到產品故障率。應力分析法適用于工程研制中后期電子產品的可靠性預計。此時，元器件的具體種類、數量、工作應力和環(huán)境、質量系數等已確定。

李培基等提出了一種利用有限元分析作為“數值實驗”工具的新方法，通過模糊線性回歸法，直接求出了結構應力的統計特性?；诒疚奶岢龅哪：龖?隨機強度干涉模型，可以對機械結構的模糊可靠性進行評估。周元初等提出了一種更通用、穩(wěn)健的方法，該方法能夠準確評估并確定失效概率。張曉迎等研究了涉及相關非正態(tài)分布的可靠性分析，概率密度函數是從可靠性指數中獲得的，并與蒙特卡羅模擬產生的可靠性值進行了比較。

目前，國內外很多專家學者開始了研究裝備可靠性評估方法，但是使用應力分析法研究士兵系統電子器件可靠性的論文尚處于空白。因此，本文創(chuàng)新采用應力分析法，研究了士兵系統電子器件的可靠性設計方法，為士兵系統電子器件設計提供理論支撐。

1 應力法設計流程及使用規(guī)則

1.1 應力法設計流程

應力分析法可以快速確定產品設計是否滿足規(guī)定的可靠性指標，一般實際產品很難達到規(guī)定的可靠性指標要求。在產品設計過程中，可以通過應力分析法，找出產品設計的薄弱環(huán)節(jié)，達到提高產品可靠性的目的。可靠性預計有多種方法，主要有評分法、相似產品法、元件計數法、應力分析法等。

采用應力分析法設計士兵系統的電子模塊，首先分析元器件來源（生產國、用途、生產廠家所屬行業(yè)、使用狀態(tài)等），選擇數據手冊，對于那些根據手冊無法進行可靠性預計的元器件，需要廠家提供元器件故障率。然后，確定元器件進行應力分析的模型，統計元器件相關信息，計算元器件故障率，依照所選數據手冊，確定出每種元器件進行應力分析所需的模型和相關參數（工作應力、環(huán)境條件、質量等級等）。了解元器件的相關信息，由此查找數據手冊，得到模型中的各類系數，代入該元器件的故障率模型，由此可計算得出元器件故障率。最后，綜合計算產品可靠性，由可靠性建模得到的基本可靠性模型和任務可靠性模型，預計產品的基本可靠性和任務可靠性。

1.2 使用規(guī)則

士兵系統的電子元器件使用環(huán)境更加惡劣復雜，在應力分析法分析可靠性過程中，相應的可靠性預計標準、手冊是非常寶貴的借鑒工具。這些標準、手冊大多數是根據不同元器件、部件進行大量試驗得出的參考數據，常用的預計標準有HDBK-217F和GJB 299C電子產品可靠性預計手冊、RDF2000 法國電信設備可靠性預計手冊、HRD5英國電子元器件可靠性數據手冊、SR-332貝爾電信設備可靠性預計手冊等。應力分析法使用規(guī)則：

1）數據手冊選擇直接關系到可靠性預計結果的準確性。切忌為簡單省事，不按元器件生產國、用途（軍用/民用）、生產廠家所屬行業(yè)、使用狀況（工作/非工作）選擇最為合適的數據手冊。

2）應力分析法預計，通常從每塊電路板上元器件開始，然后逐級向上累加，最后計算出整機（或系統）的可靠性。

3）注意區(qū)分不同小類的元器件，避免參數選擇錯誤。

4）電路板上一般有不同種類的元器件，故應在預計表上列出各種元器件可靠性有關的系數。

5）凡超出手冊上規(guī)定參數范圍的元器件，不能隨意外推，而應當優(yōu)先選用其他替代的數據手冊或根據經驗判定其故障率，并給出理由。該項工作需與訂貨方溝通，所采用方法和數據需得到訂貨方認可。

6）不同數據手冊上對同一品種元器件提供的故障率計算模型可能并不相同，因此故障率模型和數據應采用同一手冊上的內容，不可混用。

7）國產元器件中，如按電子行業(yè)企業(yè)軍用標準或按國外相關軍用標準生產的元器件，可按質量等級來取質量系數；如按上級規(guī)定的二次篩選要求（規(guī)范）進行篩選的元器件，可按質量等級中最低的等級來取質量系數。

8）對半導體器件、電阻器、電容器等的環(huán)境系數，雖然屬同一種類，但如果是不同品種，一般其環(huán)境系數也不相同，選取系數時應認真查找有關的預計手冊。

9）預計溫度一般在產品環(huán)境溫度最高值的基礎上進行調整。對于有通風條件的，環(huán)境溫度需要適當降低；對于局部環(huán)境有發(fā)熱器件的，環(huán)境溫度需要適當升高。在條件允許的情況下，應當進行實際測量以明確器件溫度。

2 某士兵探測器可靠性設計

下面以某探測器為例，闡述應力分析法的應用。該探測器基本可靠性要求為平均故障間隔時間（Mean Time between Failures，MTBF）大于10 a。

1）定義產品。該探測器執(zhí)行任務時，所有元器件在任務剖面內均處于工作狀態(tài)。探測器的工作環(huán)境一般在普通建筑物內，為一般地面環(huán)境。

2）選擇可靠性預計方法。由于該設備正處于工程研制中后期，且元器件的具體種類、數量、工作應力和環(huán)境、質量等級等已確定，因此采用應力分析法進行系統可靠性預計。

3）按照預計步驟進行預計。

a）分析元器件來源，選擇數據手冊。所有元器件中，除振蕩器G1是進口的美國軍用元器件，鋁電解電容C4是進口的美國民用元器件外，其他元器件均是國產元器件。執(zhí)行任務時，所有元器件均處于工作狀態(tài)。因此，振蕩器G1應選用振蕩器型號MIL-STD-217F，鋁電解電容C4應選用Telcordia SR-332，其他元器件應選用GJB/Z 299C。

b）確定元器件進行應力分析的模型，統計元器件相關信息，計算元器件故障率。根據不同預計手冊，明確進行應力分析的模型和數據，計算出元器件的故障率。

對于電容C1，通過查找GJB/Z 299C，確定其屬于1類瓷介電容器，工作故障率計算公式為：

式中：為通用故障率；為基本故障率；為環(huán)境系數；為質量系數；為電容量系數；為表面帖裝系數。

①確定環(huán)境系數。由于探測器的工作環(huán)境為一般地面環(huán)境，即。根據GJB/Z 299C表5.7.5-2“環(huán)境系數”可知，電容C1的環(huán)境系數為2.4。

②確定質量系數。由于電容C1屬于低檔產品，根據GJB/Z 299C表5.7.5-3“質量等級與質量系數”可知，電容C1的質量系數為5。

③確定電容量系數。由于電容C1的電容為（82±4.1%）pF，根據GJB/Z 299C表5.7.5-4“電容量系數”可知，電容C1的電容量系數為0.75。

④確定表面貼裝系數。由于電容C1是1類瓷介，片式，根據GJB/Z 299C表5.7.1-1“表面貼裝系數”可知，電容C1的表面貼裝系數為1.5。

⑤確定基本故障率。由于電容C1的工作電壓與額定電壓之比為0.1，工作環(huán)境溫度為40 ℃，根據GJB/Z 299C表5.7.5-1“基本失效率”可知，電容C1基本故障率為0.001 9×10h。

⑥由此可知，電容C1的工作故障率為：

對于振蕩器 G1，通過查找振蕩器型號MIL-STD-217F，確定其屬于石英諧振器，工作故障率計算公式為：

在MIL-STD-217F 19-1節(jié)中，根據該石英諧振器的頻率為10 MHz，查找到振蕩器G1的基本故障率為0.022×10h。由于振蕩器G1工作環(huán)境為一般地面環(huán)境，即G，根據MIL-STD-217F 19-1節(jié)“環(huán)境系數”表可知，振蕩器G1的環(huán)境系數為3.0。由于振蕩器G1屬于低檔產品，根據MIL-STD-217F 19-1節(jié)“質量系數”表可知，振蕩器G1的質量系數為2.1。由此可知，振蕩器G1的工作故障率為：

對于鋁電解電容C4，通過查找電子設備可靠性預測程序（Telcordia SR-332），確定其屬于鋁電解電容，其故障率計算公式為：

式中：為黑箱穩(wěn)態(tài)故障率；為平均通用穩(wěn)態(tài)故障率；為電應力系數；為溫度系數。

由于鋁電解電容C4為410 μF，根據電子設備可靠性預測程序（Telcordia SR-332）表8-1“電容故障率參數”可知，平均通用穩(wěn)態(tài)故障率為0.014×10h。根據電子設備可靠性預測程序（Telcordia SR-332）表9-4“元器件質量等級和質量系數”，鋁電解電容C4的質量等級屬于Ⅰ級，可知質量系數為3。由于鋁電解電容C4的工作電壓與額定電壓之比為0.5，根據電子設備可靠性預測程序（Telcordia SR-332）表9-2“電應力系數”，可知電應力系數為1.0。由于鋁電解電容C4的工作環(huán)境溫度為40 ℃，根據Telcordia SR-332表9-1“溫度系數”可知，溫度系數為1.0。由此可知，鋁電解電容C4的黑箱穩(wěn)態(tài)故障率為：

c）綜合計算產品可靠性。根據基本可靠性模型，該探測器故障率為：

該探測器的MTBF值為：

根據探測器任務可靠性模型，可知其任務可靠度為：

4）得出可靠性預計結論。該探測器的MTBF值為90 345.56 h，達到了該設備基本可靠性要求（＞87 600 h）；當產品工作到2 a時，探測器任務可靠度為0.833，達到了該設備任務可靠性的要求。其中，薄弱環(huán)節(jié)存在于集成電路D1和D2，其故障率分別都為整個探測器故障率占27%。建議提高集成電路D1和D2的質量等級，或采取降額設計法，加強篩選，改變設計方案，以達到提高產品可靠性的目的。

3 結語

現代電子裝備的復雜程度和集成度日益提高，士兵系統電子器件通常在惡劣的自然環(huán)境和電磁環(huán)境中工作，對于電子器件可靠性要求較高。本文針對士兵電子器件采用應力分析法進行了可靠性設計，通過查閱相關數據手冊，分析了電容、振蕩器等電子器件的可靠性，并以某士兵探測器為例，開展了可靠性設計。本文的研究結果，可為士兵系統電子器件可靠性設計，提供理論指導。