直升机机载综显模块电路板可靠性预计

王进才

（北京陆军航空兵学院机载设备系，北京 101123）

1 引言

可靠度估计的目的主要是为了了解产品在设计阶段的可靠性水平并对不同的设计提出可替代的方案。由此可知，能以最省时、省力的方式取得产品可靠性的定量程度是相当重要的，故对可靠性预计方法进行探讨就非常必要。

可靠性指标是客户关心的重要指标，是定量可靠性工作的基础，从产品设计到试验验证再到产品应用，必须有定量的可靠性分析为其提供数据依据。可靠性预计是电子设备可靠性从定性分析转入定量分析的关键。

产品的可靠度在设计完成时即已经赋予，正确的制造及严格的品质管理并不能提高其可靠度，只能维持其所赋予的可靠度。如果设计时所赋予的固有可靠度不能符合既定的目标，即使所有的产品均为合格品，也不可能满足用户的需求。因此，在发展阶段如何将可靠度设计于新产品中，在试产过程中设法使产品达到设计目标，并在正式生产前建立有效的抽样检验程序，以维持产品的可靠度水准，是本研究的主要目的。

2 研究方法

2.1 关于可靠度

现在有关产品可靠度的描述，一般多以1952年由美国国防部所成立的电子装备可靠度顾问小组（AGREE： Advisory Group on the Reliability of Electronic Equipment）针对电子装备可靠度问题进行研究所获得的结论为基础。这个小组所赋予的可靠度定义为：可靠度为产品于规定时间内，在特定的使用（环境）条件下，进行特定功能（或保持要求的性能），成功达到工作目标的概率。

由此定义可看出可靠度是由「功能」、「使用条件」、「时间」及「成功概率」等4个要素所组成。在这4个要素中，以成功概率为产品的整体指标[3]。

2.2 可靠度预计

可靠性预计用在设计阶段来定量预计产品的可靠性水平，寻找设计中可能存在的有关可靠性薄弱环节，进行适当的设计调整。可靠度预计方法包含零部件计数法、零部件应力法、类似装备法、类似复杂度法、类似功能法5种方法。本研究采用零部件计数法来进行可靠度预计。

本研究采用的可靠度预计标准分别参照GJB 299B，该标准用于可靠性预计，对应不同的质量系数，它反映了同类元器件不同质量等级的相对质量差异。主要用于国防电子设备和系统建立，其为一套持续且一致的可靠度预计方法，研究中采用此法推断出产品在设计阶段的可靠度。该标准运用下列3种方法进行电子产品可靠度预计，分别为零部件计数法 (方法一)、综合零部件计数法与试验数据 (方法二)、实际运转数据 (方法三)。本研究产品因不具备试验数据，且现阶段的实际使用数据也不充分，故决定以方法一来进行可靠度预计。

2.4 可靠度预计软件——Relex

随着产品研发水平的进步和对企业信息化要求的提高，当前独立的可靠性项目管理已经不能满足当前协同设计和并行作业的需要，传统依靠手工作业的可靠性分析更是制约了可靠性工作的深入开展和效率提高。因此，引进数字化技术，规范可靠性管理，构建可靠性设计、分析和管理平台势在必行，这是将可靠性工程推向现代设计模式的合理的技术途径。成立于1986年的美国RELEX公司，致力于产品可靠性理论和应用研究、工程咨询及可靠性软件的开发、维修保障及服务，是世界上最具盛名的可靠性软件公司，1987年推出第一代产品Relex217，被业界公认为可靠性工程平台，集成了最新的可靠性分析、维修性分析、保障性分析和可靠性信息管理技术，同时也提供了针对操作角色的授权管理、功能配置和操作界面等个性化设置，方便在统一平台下开展可靠性工作。

该软件功能强大，所挂接的软件包包括：可靠性预计（Reliability Prediction）、可靠性框图模型（Reliability Block Diagram）、 马尔可夫模型（Relex Markov）、故障模式影响分析（Relex FMEA）以及故障树分析（Relex FTA）等多种功能。利用Relex可以定量地预测设计方案可能达到的平均故障间隔时间、故障率和可靠度等参数值，支持MIL-HDBK-217、GJB/Z 299B、GJB/Z 299C和 Relex等多种可靠性预计标准。本文利用其可靠性预计方法用于设计阶段定量预计产品的可靠性水平，寻找方案中可能存在的可靠性薄弱环节。

3 研究內容

本研究以某型综显系统显示模块电路板为对象，如图1所示，进行可靠度预计。

3.1 研究程序

本研究预计该电子产品产品可靠度，实施程序如下，见图2。

3.1.1 文件准备

a）材料用量清单表（BOM－Bill Of Material）

它表示产品各层次的结构，可提供制造品所需的材料与数量（如表1所示）。经读取该产品的BOM表，获得每一个零部件特性、需求数量与在PCB上位置等信息。

b）零部件规格书

为制造该零部件的必备文件，说明零部件的品称、规格与其应用，制造零部件各部分所需的材料规格、尺寸、完成品的电特性、外观尺寸、包装要求与需符合的品质规范。

表1 特定型号电子产品BOM表（部分清单）

3.1.2 收集产品相关特性

除了针对本研究对象的电子产品，收集产品型号、规格和使用环境等特性外，还要分析该产品的用料清单，以获得该产品元件种类、元件编码和元件在印刷版电路的位置与元件数量等信息，以利后续可靠度预计的进行。

3.1.3 标准的运用

在实施军工产品可靠度预计时，一般要依据国军标，进口元器件质量等级有时要参照美军标如MIL-HDBK-217F。由于本论文探讨的是军用航空电子产品的可靠度预计，故选按GJB/Z 299《电子设备可靠性预计手册》进行电子设备可靠性预计，在该标准中列出了各类电子器件质量保证等级及失效率等级。

3.1.4收集输入参数

确定要选用的可靠度预计标准后，接着就要收集产品参数，研究中电子产品由连接器、电容、电阻、二极管、调节器以及控制器等元件组成，BOM表中各零部件所对应的规格数据即用于计算λb（基本失效率）、 ΠQ（品质因子）、 ΠE（环境因子）等重要预计参数值，以输入到可靠度预计软件内。包括品质系数、环境条件、温度、电性应力等参数。

3.1.5 构建Relex资料库

根据上述两点，可靠度预计的运用与收集输入参数，可在Relex软件内，构建可靠度资料库，以运算产品的失效率。

3.1.6 决定失效率与平均故障间隔时间

在Relex内构建产品的资料库后，便可根据软件的内建公式来运算产品的失效率，并经由失效率与平均故障间隔时间（MTBF）的关系式来计算MTBF。

3.2 Relex零部件计数法

零部件计数法（方法一），需要有关元器件数量、质量等级和使用环境等信息。因为它比元器件应力分析法需要更少的信息，所以经常在早期设计阶段和投标论述阶段使用它。元器件计数法定义整体设备的故障率为：

其中：n——零件种类数；

Ni——第i个零件的数量=第i个零件的故障率=第i个零件的质量因子。

如果设备由在不止一个环境下工作的元器件组成，则对于某一环境下工作的每一部分都使用方程进行计算。所有环境中的故障率的总和即为整体设备的故障率。

对于合作厂家所提供的电子产品产品而言，根据相关数据收集与合作厂家查询后，了解该产品预烧小于一个小时且没有零部件预烧，以情况1最为适当。首先将产品的BOM表输入电脑系统中的零部件表（Part Table），如图3所示。输入资料包括零部件编号（Part Number）、 零部件类别（Category）、零部件副类别（Subcategory）、 零部件位置（Referece Designator）及零部件数量（Quantity）。的元件。

重复上述步骤，将所有的元件输入Relex资料库中，即可计算产品失效率为每109 h发生24 030.12次失效，MTBF为41 614 h，换算使用寿命周期为4年8个月。

4 结束语

其次，在系统的计算资料（Calculation Data）中，如图4所示，键入计算模组、计算方法、操作环境、静止环境及操作温度。在此计算方法1以及使用零部件计数法情况1（Method 1 Case 1），由于该产品属地面移动（GM-Ground），并于地面（Ground）上操作使用，操作温度30℃为设定值。故计算资料中各项目的相对应输入值分别为Relex Issue 6、 Method 1 Case 1、 GM-Ground、 Ground 及30.0℃。

各元件所需键入的值则因特性不同而异。以电阻为例，其所需输入的一般资料（General Data）有零部件编号、零部件类别、零部件副种类、零部件位置及零部件数量，如图4所示。

在预计资料（Prediction Data）中，则需输入品质系数、单位、电阻及类型。其所相对应的输入值分别为Level II、100、ohm，见图5。上述品质系数Level II系指制造商采购或使用符合一定等级

综合上述对某型装备电路板产品的可靠度进行了预计分析，可提出结论如下：

a）利用Relex零部件计数法所求出电子产品的MTBF为41 614 h，换算产品使用寿命周期为4年8个月，超过对设计指标要求使用年限为3年，此验证表明该产品具备竞争力。

b）在资料收集中发现，在产品设计阶段，要以试验数据与使用环境数据求出零部件失效率很困难。故在以上研究中使用Relex专业软件并根据军标要求，利用元件特性，以零部件计数法，计算出失效率，此结果更显客观且迅速。

[1]GJB 299B-1998，电子设备可靠性预计手册 [S].

[2]MIL-HDBK-217E-1986，Reliability prediction of electronic equipment[S].

[3]李海泉，李刚.系统可靠性分析与设计 [M].北京：科学出版社，2005.