电路板可靠性分析学位论文.doc

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1、济南大学毕业论文毕业论文题 目 电路板可靠性分析 学 院 机械工程学院 专 业 工业工程 班 级 工程0702 学 生 刘磊 学 号 20070407036 指导教师 曲一兵 二一 一 年 月 日- 1 -济南大学毕业论文- 43 -1 前言1.1 课题背景与研究意义1.1.1 电路板可靠性分析的提出背景生活中，人们在购买商品时会经常比较它们好用不好用，会不会频繁出故障，需不需要经常修理，这其实就是“可靠性”这一概念在生活中的反映。当可靠性问题尚未明确提出之前，人们虽没使用“可靠性”这一术语，但在很多时候都使用耐久性、寿命、稳定性等概念来表示产品的质量了。第二次世界大战时期，战争中武器系统频繁

2、出现各种故障，引起了人们对可靠性问题的研究。随着现代科学技术的巨大进步，各种电路系统的结构越来越复杂，功能也越来越庞大，因此，要完成既定的功能，其各部分工作时必须稳定可靠，否则系统就会失效，这就要求系统要具有极高的可靠性。近几十年来，各个国家都投入了大量的人力和物力进行可靠性方面的研究，也取得了不少成果。其中，电子产品的可靠性研究时间较长，也是应用比较广泛的一个方向。目前，我国深入开展可靠性工程的企业为数并不多，而电子产品在人们的实践活动中发挥着巨大作用，有着巨大的消费市场，其可靠性的高低将直接决定这些电子产品制造企业的命运。因此，对电子产品进行可靠性的研究具有重要的实用意义。而电路板又是电子

3、产品的基本组件，所以要对电子产品进行可靠性分析，应从分析基本的电路板电路的可靠性开始。本论文正是基于以上背景，提出了“电路板可靠性分析”这一课题。1.1.2 电路板可靠性分析的研究意义现代科技的巨大进步极大改变了人们的生活面貌，其中各种电子产品发挥了不可替代的作用。电子产品由于其广泛的使用市场，其质量的高低直接影响人们生活的方方面面，因而，提高电子产品的可靠性有重要的实用意义。本文通过对电路板可靠性的分析，归纳出电子产品可靠性分析的一般步骤，将对提高产品可靠性具有一定的指导意义。提高电路板的可靠性进而提高电子产品的可靠性有如下意义：（1）电子产品可靠性是其质量的一项重要指标产品的质量是衡量一个

4、国家工业发展技术水平的重要标准之一。质量是一个全面的概念，现代质量管理的发展方向也是全面的质量管理，即TQC。现代的质量观点认为，产品质量是产品满足使用要求的特性总和，即适用性。适用性包括：性能、可靠性、安全性、适应性、经济性和时间性110。可靠性是产品重要的质量指标之一，也是影响产品质量的活跃因素，已成为企业和军事部门之间竞争的关键点。因此，提高电路板的可靠性对于提高电子产品的质量具有重要作用。（2）现代电子产品结构的复杂化和使用环境的严酷化，使可靠性问题更加突出通常对于结构简单的产品来说，可靠性问题并不是很突出，但是随着现代科技的发展，电子产品的结构日趋庞大，可靠性问题也就更加严峻；另一方

5、面，由于人类社会实践范围的扩大，各种电子产品都需要在严酷的环境下可靠地工作。因此，为使各种电子产品适应严酷的环境，必须提高它们的可靠性。（3）电子产品全寿命周期费用的增长，迫切要求提高可靠性全寿命周期费用包括购买费用、使用费用和报废处理费用，其中使用费用中主要是维修保障费用。如果产品的可靠性差，就必须经常维修，必然会导致高额的维修保障费用，进而增加了产品的全寿命周期费用，这也必然会增加企业的负担，因此，提高产品的可靠性就显得尤为重要了112。（5）电子产品的可靠性关系到国家和企业的经济利益提高可靠性具有巨大的经济效益。微观方面，可以提高企业的经济效益。宏观方面，提高可靠性，有利于节约社会资源，

6、有利于提高企业的市场竞争力，有利于保障社会效益和公众效益113。此外，产品可靠性的提高，可以防止重大事故的发生；还可以减少停机时间，提高产品的可用性,从而来避免不必要的经济损失。 1.2 可靠性研究的发展及现状1.2.1 国外可靠性研究的发展及现状（1）20世纪40年代是可靠性工程的萌芽阶段。第二次世界大战时期，由于德国V-1、V-2火箭的不可靠及美国运往远东的航空无线电设备有60不能工作，引起了人们对可靠性问题的认识。美国研究发现主要原因是电子管的可靠性太差，于是在1943年成立了电子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题。这标志着可靠性研究的起步15。（2）20世纪50年代是可靠性的兴起

7、和形成阶段。朝鲜战争期间，由于美国的舰船设备只有33能有效工作，美国军方及工业界开始了系统的可靠性研究。1952年，美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的“电子设备可靠性顾问委员会”（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment, AGREE）。AGREE于1957年发表了“军用电子设备的可靠性”报告，该报告从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，成为可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已成为一门独立的学科。前苏联从20世纪40 年代后期，日本、原联邦德国从50年代后期也开始了可靠性的研究16。（3）20世纪

8、60年代是可靠性全面发展的阶段。美国在这一阶段迅速发展了可靠性设计和实验方法，并取得了很大成就，1965年颁布的MIL-STD-785军用标准就是其中之一。在此期间，世界各国也普遍成立了可靠性机构，制定了可靠性标准。英国在1961年成立了“可靠性与质量全国委员会”；日本从美国引进并发展了可靠性技术，并取得了世界领先的地位16。（4）20世纪70年代以后是可靠性的深入发展阶段。由于军事装备的使用观念发生了转变，从单纯要求高可靠性到要求可靠性、维修性等综合指标，并将可靠性、维修性作为减少全寿命周期费用的有力工具，因此可靠性分析、综合环境、可靠性增长及可靠性管理均得到了很大的发展。其中最具代表性的成

9、果就是1980年美国国防部指令DODD5000.40“可靠性及维修性”和修订的MIL-STD-785B标准16。目前，国外可靠性的研究处于领先水平。已由手工定性的可靠性分析设计发展到了计算机辅助的可靠性分析设计，提高了分析设计精度，缩短了分析设计时间；由重视可靠性统计试验到强调可靠性工程试验，通过可靠性增长试验来显现产品的缺陷，进而来提高产品的可靠性；由单个可靠性参数指标发展到了多个参数和指标，已经建立了完善的可靠性参数和指标体系。Dhillon B S 在“Mining Equipment Reliability, Maintainability and Safety”较系统地介绍了采矿设备

10、的可靠性，维修性和安全性的概念2；Poong Hyun Seong在“Reliability and Risk Issues in Large Scale Safety-critical Digital Control Systems”介绍了电子系统的可靠性分析3；Ajit Kumar Verma，Ajit Srividya，Durga Rao Karanki在编著的“Reliability and Safety Engineering”一书中介绍了可靠性与安全性工程的方法与概念4。1.2.2 国内可靠性研究的发展及现状我国的可靠性工作开始于1956年成立的“环境实验所”，1965年原七机部建

11、立了“可靠性质量管理研究所”，进行了奠基性的工作。1978年代开展了电子元器件“七专”（专人、专机、专料、专批、专检、专技、专卡）活动，1979年中国电子学会成立了“可靠性与质量管理专业学会”，1981年又成立了“中国电子元器件质量认证委员会”，1982年国家标准局成立了“全国电工电子产品可靠性与维修性标准化技术委员会”，这些机构对我国可靠性工程的发展起了积极的促进作用，并制定了一系列的国家标准16。从20世纪80年代中期至今，我国电子产品可靠性研究在电力电子、电机、变压器等领域做了很多工作，通过理论分析和大量试验数据统计分析了产品的失效机理，研制出了一些可靠性试验的装置，提出了这些产品的可靠

12、性指标及评价方法。迄今为止，我国已制订了国家标准GBT15510控制用电磁继电器可靠性试验通则，国家军用标准GBl0962机床电器可靠性通则，国家军用标准GJB65B99有可靠性指标的电磁继电器总规范等一些可靠性方面的规范与标准16。目前，我国的可靠性研究范围也更加广泛，已从电子产品已扩大到了非电子产品。经过不懈的努力，我国的可靠性研究工作已取得了显著成果。但是，由于我国的可靠性研究起步晚于西方国家，与国际先进水平尚有差距：我国的电子产品设计人员普遍缺乏可靠性设计的理论知识与工程实践经验；可靠性分析软件大多注重元件与子系统的可靠性分析，对整个系统的可靠性分析较少，并且通用性也较差。此外，可靠性

13、工作由于耗时长，费用高，整体上还处于初级阶段，很多企业对可靠性的意识还比较淡薄。因此，我国如果要赶上西方发达国家还有很长的一段路要走。可靠性研究主要有以下成果：（1）长沙航空职业技术学院的欧阳斌在电路系统的可靠性计算中论述了电子元器件与电路系统可靠性的计算方法5；（2）湖南工程学院的刘美俊在电子产品的可靠性设计中论述了常用的电子产品可靠性设计的三种方法：热设计、降额设计和电磁兼容设计6；（3）陕西凌云电器总公司的张生延可靠性分配中的问题及对策中详细论述了可靠性分配的工程加权因子分配法，对其应用有一定指导意义7；（4）程凯、王晓丹等在监控系统硬件电路板可靠性计算中总结出了计算印刷电路板可靠性指标

14、的方法和步骤8。1.3 本文的研究内容及目标1.3.1 研究的内容本论文主要研究的是多功能教学开发与控制板电路的可靠性分析与设计。第一部分是前言，主要论述了可靠性在国内外的产生与发展历程，可靠性工作的新进展和成就，以及目前我国可靠性工作面临的问题。除此之外，还对选题的背景与意义进行了简要的论述。第二部分主要论述了可靠性的基本理论。介绍了可靠性的基本概念，可靠性的衡量指标,常用的寿命分布以及可靠性模型。第三部分主要论述了可靠性设计的内容。介绍了可靠性的分配方法，即工程加权分配法；简单枚举归纳推理可靠性快速预计法及元器件计数预计法这两种可靠性的预计方法。第四部分主要以多功能的教学开发与控制板电路为

15、例介绍了电路可靠性的分析与设计的全过程。第五部分是结论部分，主要对多功能教学开发与控制板电路的可靠性分析与设计的全过程进行了总结，并介绍了可靠性工程其他的一些知识。1.3.2 研究的目标 本文主要研究电路板的可靠性问题，需要达到以下几个目标：（1）找到适合衡量电路板可靠性的指标。（2）通过分析电路板的功能，建立可靠性框图，进而预计电路板的可靠性。（3）对电路板可靠性的指标进行分配，得到各子系统的可靠性指标。（4）根据各系统的可靠性指标，选择元器件，对电路板进行可靠性设计。（5）通过对电路板的可靠性进行分析与设计，最终提高电路板的可靠性，满足用户对电路板质量指标的要求。2 可靠性的基本理论2.1

16、 可靠性的基本概念2.1.1 可靠性可靠性是产品质量的一项重要指标，是质量的重要组成部分。可靠性就是指产品在规定的条件下，规定的时间内，能够完成规定功能的能力11。对定义中的概念有：（1）产品，是指可以单独研究、分别试验的任何部件、组件、设备或系统。它可以由硬件、软件或兼有二者组成。根据产品的性质可分为可修产品和不可修产品11。（2）规定的条件，是指产品使用时的应力条件（载荷条件）、环境条件以及存储条件等11。规定的条件不同，产品的可靠性也不相同。比如，温度、湿度等不同的环境条件，对产品的可靠性都有很大影响，一个温度测量设备在室外和室内的使用条件下的可靠性肯定是不同的。因此，谈某一产品的可靠性

17、时，必须指明规定的条件。（3）规定的时间，是指产品的工作时间，任何一种产品经过一段时间的稳定性工作后，随着时间的延长，可靠性就会下降，故障发生的次数显著增加，最终直至报废11。规定时间的单位可用分、秒、小时、年、月、次数、里程等表示。在不同的时间段内，产品的可靠性是不同的，所以在讨论可靠性时不能脱离规定的时间。（4）规定的功能，是指产品应具有的技术指标11。不同的产品有不同的功能，研究可靠性时是针对某一规定功能的，而不是对产品的所有功能。对于这个规定的功能指标必须是明确而清晰的，只有这样才能准确判断产品是否处于正常的工作状态，才能明确其可靠性。2.1.2 可靠性的分类（1）狭义可靠性与广义可靠

18、性狭义可靠性是指产品在规定的条件下，规定的时间内，能够完成规定功能的能力。它表示产品在某一规定时间内发生故障的难易程度12。广义可靠性是指产品整个寿命周期内完成规定功能的能力。它包括了狭义可靠性与维修性。维修性是产品设计和装配的一种特性，是指产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力12。广义可靠性实质就是指产品的有效性。有效性定义为：可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。它表示产品正常工作的能力，将可维修产品的可靠性和维修性有机地结合了起来12。一般情况下，可靠性通常指广义可靠性，而做定量计算时多指狭义的可靠性。（2）固有可靠性

19、与使用可靠性根据可靠性的形成过程，可将其分为固有可靠性与使用可靠性。固有可靠性是指由设计决定、制造实现和保证的可靠性，记作RI。它所关心的主要是狭义可靠性。固有可靠性是产品的固有属性，是使用可靠性的基础。设计阶段对可靠性的影响最大，制造只能保证设计可靠性的实现，使用则是维持其可靠性，尽量减少其降低12。使用可靠性是指产品在使用过程中，因受环境条件、维修方式及人为因素的影响所能达到的可靠性，记作RU12。它所关心的主要是广义可靠性。一般，有RUt (i=1,2,n)，累积失效率为F(t)。假设各单元寿命的随机变量相互独立，在t=0时刻，各单元同时开始工作。此时，系统的寿命X为X=minX1,X2

20、, Xn t时刻系统的失效概率F(t)为F(t)=PXt=1PXt=1PX1t,X2t, Xnt =1 （2.31） 系统的可靠度R(t)为R(t)= PXt= PX1t,X2t,Xnt= （2.32） 系统的失效率函数f(t)为 （2.33） 系统的失效率函数(t)为 （2.34）即系统的失效率等于各单元的失效率之和。 由系统的失效率函数(t)便可求出其他的可靠性特征量。2.3.4 并联系统的可靠性模型设系统由n个单元组成，若只有当所有单元都发生故障时，系统才会出现故障，这样的系统称为并联系统159。其可靠性框图如图2.3所示。12n图2.3 并联系统可靠性框图设第i个单元的寿命为Xi，可靠

21、度Ri(t)=PXit (i=1,2,n)，累积失效率为F(t)。假设各单元寿命的随机变量相互独立，在t=0时刻，各单元同时开始工作。此时，系统的寿命X为X=maxX1,X2, Xnt时刻系统的失效概率F(t)为F(t)=PX t=PX1t,X2t, Xn t = （2.35）系统的失效率函数f(t)为 （2.36）系统的可靠度R(t)为R(t)= PXt=1PX t=1PX1 t,X2 t, Xn t=1 （2.37）根据可靠性各指标之间的关系，可以得出其他的可靠性特征量。2.3.5 混联系统的可靠性模型 所谓的混联系统就是结构中既有串联部分又有并联部分的系统。要建立混联系统的可靠性模型，必

22、须先把混联系统的可靠性框图等效简化为基本的串联或并联系统，然后再根据基本的串联或并联系统的数学模型建立其数学模型。其他的处理方法与串联或并联系统类似。3 系统的可靠性设计3.1 可靠性设计概述 系统的可靠性设计是指在遵循系统工程规范的基础上，在系统设计过程中，采用一些专门的技术，把可靠性“设计”到系统中去，以满足系统的可靠性要求1176。本节主要讲述可靠性设计的一些内容。3.1.1 可靠性设计的重要性 可靠性设计是系统总体工程设计的重要组成部分，是为了保证系统的可靠性而进行的一系列分析和设计的技术。产品的可靠性首先是设计出来的，决定着产品的固有可靠性。产品设计并完成制造后，其固有可靠性就确定了

23、。因而，如果产品的设计不合理，可靠性不高，以后阶段的可靠性当然也会因先天不足而不会有较高水平1176。 在设计阶段进行可靠性设计，可以减少产品的开发周期，保证较高的可靠性，从而提高产品的竞争力。此外，在设计阶段考虑可靠性，也是耗资最少，效果最佳的阶段。总之，对产品进行可靠性设计具有重要的意义。3.1.2 可靠性设计的目的和任务 可靠性设计的目的就是在综合考虑产品的性能、可靠性、费用和时间等因素的基础上，通过采用相应的可靠性设计技术，使产品在寿命周期内符合所规定的可靠性要求。可靠性设计的主要任务是：通过设计，基本实现系统的固有可靠性。一般有两种情况：一是按照给定的可靠性要求进行设计，通常进行设计

24、，通常用于新产品的研发；二是对定型产品的薄弱环节，应用可靠性的设计方法进行改进和提高，从而提高产品的可靠性1178。3.1.3 可靠性要求 可靠性要求是进行可靠性设计、分析、制造、试验和验收的依据。可靠性要求可分为定量要求和定性要求两种。 （1）可靠性的定量要求是指选择和确定产品的可靠性参数、指标以及验证时机和方法，以便在设计、生产、试验验证和使用过程中用量化的方法来评价或验证产品的可靠性水平。在实际设计中，应根据实际情况合理的选择定量描述系统可靠性的参数和指标1178。（2）可靠性的定性要求是指一种非量化的形式来设计、评价，以保证产品的可靠性。可靠性的定性要求可分为定性设计要求和定性分析要求

25、1179。定性设计要求是指为满足产品的可靠性要求而采取的一组可靠性设计措施，主要是一些可靠性设计准则。定性分析要求主要是指产品研制过程中采取的一些可靠性分析方法，如故障模式和影响分析，故障树分析等。 可靠性指标是定量设计的尺度依据，建模、预计和分配等是可靠性定量设计的工具和手段。可靠性设计准则是定性设计的重要依据，故障模式和影响分析是有效的分析方法。3.1.4 可靠性设计的主要内容 可靠性设计是为了在设计过程中确定隐患，并采取设计预防措施，以消除隐患进而提高可靠性。在可靠性设计中定量计算和定性分析主要是评价产品现有的可靠性水平和确定薄弱环节，而要提高产品的固有可靠性，必须通过具体的可靠性设计方

26、法来实现。可靠性设计的内容主要有三个方面1181： （1）建立可靠性模型，进行可靠性指标的预计与分配。 （2）进行各种可靠性分析。通过故障模式和影响分析、故障树分析等确定薄弱环节，通过改进设计予以消除。 （3）采取各种有效的设计方法。如降额设计、冗余设计、简化设计等设计方法。3.2 系统可靠性的预计3.2.1 可靠性预计的作用和步骤 可靠性预计就是根据系统的组成，由元器件的可靠性推到子系统的可靠性进而推得整个系统的可靠性的过程，是一个由部分到整体，自下而上的综合过程9135。 可靠性预计的作用有：预计系统的可靠性水平，检查是否达到了规定的可靠性要求；评估系统的可靠性，进而选择可靠性最优的方案；

27、在产品设计阶段，通过可靠性预计，发现薄弱环节，加以改进，进而提高可靠性；为系统可靠性分配提高依据。 可靠性预计的步骤9136：（1）明确系统可靠性结构的定义，包括系统结构组成，系统功能等。（2）明确系统的是否失效的判据。（3）画出可靠性框图，建立系统可靠性数学模型。（4）预计各单元的可靠性。（5）按系统可靠性数学模型预计系统的可靠性 （6）系统可靠性预计结果作为可靠性分配的依据。3.2.2 可靠性预计的方法 （1）元器件计数法元器件计数法是根据电子设备中各种元器件的数量，该种元器件的基本失效率、元器件的质量等级，以及设备的应用环境类别来估算产品可靠性的一种方法1189。这种方法适用于电子设备的

28、方案论证及初步设计阶段。它的计算步骤是：先计算设备中各种型号和类型的元器件的数目，然后再乘以相应类型元器件的基本失效率，最后把各乘积累加起来，即可得部件或子系统的失效率。这种方法的优点就是只使用现有的信息，不需要详细知道每个元器件的应力与它们之间的逻辑关系。 系统失效率s的失效率的数学表达式为 （3.1）式中，Gi第i种元器件的失效率； Qi第i种元器件的质量系数； Ni第i种元器件的数量； n系统所用元器件种类的数量。由上式可以看出使用元器件计数法时，需要以下三方面信息： 1）系统所用元器件的种类及每种元器件的数量。所用种类是按照国家军用标准GJB/Z299A-91（电子设备可靠性预计手册）

29、手册上来划分的。预计时，要统计清楚系统所用元器件的种类及其数量。 2）各类元器件的质量等级。质量等级就是元器件使用前，在制造、检验及筛选过程中其质量的控制等级，不同质量等级的元器件的失效率的差别用质量系数Q来表示。 3）系统使用的环境类别。元器件的使用环境不同，其失效率也就不同，因此在确定通用失效率时，要明确其环境类别。 应该注意，式（3.1）只适用于在同一环境类别使用的系统的失效率计算。如果设备所包含的n个单元在不同的环境下工作，则应该按不同的环境考虑，然后将这些“环境单元”的失效率相加，即得系统的失效率。以上各参数的确定可以查阅国家军用标准GJB/Z299A-9112。（2）简单枚举归纳推

30、理可靠性快速预计法 在产品研制的早期阶段，由于无法知道系统所使用元器件的规格、质量等级及其数量，更不知道每一个元器件所承受的应力，也就无法应用元器件计数法和应力分析法来预计系统的可靠性，而简单枚举归纳推理可靠性快速预计法则可以在这一阶段使用。该方法是20世纪80年代初由我国的王锡吉在对30多种电子设备的现场可靠性进行调查分析的基础上，根据逻辑学的简单枚举归纳推理法提出的，目前在国内电子行业中已普遍应用。实践证明，该方法具有“三性”，即方法科学性，工程实践性，预计快速准确性1199。1）该方法进行可靠性预计的公式为 （3.2）式中，s设备失效率；0电子元器件平均基本失效率；N系统所含元器件数量；

31、K1降额设计效果因子；K2环境应力筛选效果因子；K3环境影响因子；K4机械结构影响因子；K5制造工艺影响因子； 设备平均故障间隔时间为MTBFS=1/s从上述可靠性预计的公式可以看出，该方法的特点是：系统的失效率不仅与电应力、温度应力和使用环境有关，而且还考虑了环境应力筛选、机械结构以及制造工艺等因素的影响。2）影响系统可靠性指标的因素及其取值 元器件的基本失效率0元器件基本失效率就是指在额定电应力和环境应力下测得的失效率。不同类型和不同质量等级的元器件，其基本失效率是不同的。在进行可靠性预计时，一般取其平均估计值。在对具体产品进行概略估计时，0可以根据系统所用的元器件质量等级来确定。对于按原电子工业部颁布的标准来生产的元器件，0可取510-6h-1。 降额设计效