基于应力分析法的士兵系统电子器件 可靠性研究

司访，王新蕊，李鹏杰，李小奇，管小荣

（1.中国兵器装备集团兵器装备研究所，北京 102202；2.南京理工大学，南京 210094）

应力分析法是考虑电子产品中的每个元器件类型、工作应力、环境应力、质量等级的不同，根据经验详细计算每个元器件的故障率，再将组成产品的所有元器件的故障率累加，得到产品故障率。应力分析法适用于工程研制中后期电子产品的可靠性预计。此时，元器件的具体种类、数量、工作应力和环境、质量系数等已确定。

李培基等提出了一种利用有限元分析作为“数值实验”工具的新方法，通过模糊线性回归法，直接求出了结构应力的统计特性。基于本文提出的模糊应力-随机强度干涉模型，可以对机械结构的模糊可靠性进行评估。周元初等提出了一种更通用、稳健的方法，该方法能够准确评估并确定失效概率。张晓迎等研究了涉及相关非正态分布的可靠性分析，概率密度函数是从可靠性指数中获得的，并与蒙特卡罗模拟产生的可靠性值进行了比较。

目前，国内外很多专家学者开始了研究装备可靠性评估方法，但是使用应力分析法研究士兵系统电子器件可靠性的论文尚处于空白。因此，本文创新采用应力分析法，研究了士兵系统电子器件的可靠性设计方法，为士兵系统电子器件设计提供理论支撑。

1 应力法设计流程及使用规则

1.1 应力法设计流程

应力分析法可以快速确定产品设计是否满足规定的可靠性指标，一般实际产品很难达到规定的可靠性指标要求。在产品设计过程中，可以通过应力分析法，找出产品设计的薄弱环节，达到提高产品可靠性的目的。可靠性预计有多种方法，主要有评分法、相似产品法、元件计数法、应力分析法等。

采用应力分析法设计士兵系统的电子模块，首先分析元器件来源（生产国、用途、生产厂家所属行业、使用状态等），选择数据手册，对于那些根据手册无法进行可靠性预计的元器件，需要厂家提供元器件故障率。然后，确定元器件进行应力分析的模型，统计元器件相关信息，计算元器件故障率，依照所选数据手册，确定出每种元器件进行应力分析所需的模型和相关参数（工作应力、环境条件、质量等级等）。了解元器件的相关信息，由此查找数据手册，得到模型中的各类系数，代入该元器件的故障率模型，由此可计算得出元器件故障率。最后，综合计算产品可靠性，由可靠性建模得到的基本可靠性模型和任务可靠性模型，预计产品的基本可靠性和任务可靠性。

1.2 使用规则

士兵系统的电子元器件使用环境更加恶劣复杂，在应力分析法分析可靠性过程中，相应的可靠性预计标准、手册是非常宝贵的借鉴工具。这些标准、手册大多数是根据不同元器件、部件进行大量试验得出的参考数据，常用的预计标准有HDBK-217F和GJB 299C电子产品可靠性预计手册、RDF2000 法国电信设备可靠性预计手册、HRD5英国电子元器件可靠性数据手册、SR-332贝尔电信设备可靠性预计手册等。应力分析法使用规则：

1）数据手册选择直接关系到可靠性预计结果的准确性。切忌为简单省事，不按元器件生产国、用途（军用/民用）、生产厂家所属行业、使用状况（工作/非工作）选择最为合适的数据手册。

2）应力分析法预计，通常从每块电路板上元器件开始，然后逐级向上累加，最后计算出整机（或系统）的可靠性。

3）注意区分不同小类的元器件，避免参数选择错误。

4）电路板上一般有不同种类的元器件，故应在预计表上列出各种元器件可靠性有关的系数。

5）凡超出手册上规定参数范围的元器件，不能随意外推，而应当优先选用其他替代的数据手册或根据经验判定其故障率，并给出理由。该项工作需与订货方沟通，所采用方法和数据需得到订货方认可。

6）不同数据手册上对同一品种元器件提供的故障率计算模型可能并不相同，因此故障率模型和数据应采用同一手册上的内容，不可混用。

7）国产元器件中，如按电子行业企业军用标准或按国外相关军用标准生产的元器件，可按质量等级来取质量系数；如按上级规定的二次筛选要求（规范）进行筛选的元器件，可按质量等级中最低的等级来取质量系数。

8）对半导体器件、电阻器、电容器等的环境系数，虽然属同一种类，但如果是不同品种，一般其环境系数也不相同，选取系数时应认真查找有关的预计手册。

9）预计温度一般在产品环境温度最高值的基础上进行调整。对于有通风条件的，环境温度需要适当降低；对于局部环境有发热器件的，环境温度需要适当升高。在条件允许的情况下，应当进行实际测量以明确器件温度。

2 某士兵探测器可靠性设计

下面以某探测器为例，阐述应力分析法的应用。该探测器基本可靠性要求为平均故障间隔时间（Mean Time between Failures，MTBF）大于10 a。

1）定义产品。该探测器执行任务时，所有元器件在任务剖面内均处于工作状态。探测器的工作环境一般在普通建筑物内，为一般地面环境。

2）选择可靠性预计方法。由于该设备正处于工程研制中后期，且元器件的具体种类、数量、工作应力和环境、质量等级等已确定，因此采用应力分析法进行系统可靠性预计。

3）按照预计步骤进行预计。

a）分析元器件来源，选择数据手册。所有元器件中，除振荡器G1是进口的美国军用元器件，铝电解电容C4是进口的美国民用元器件外，其他元器件均是国产元器件。执行任务时，所有元器件均处于工作状态。因此，振荡器G1应选用振荡器型号MIL-STD-217F，铝电解电容C4应选用Telcordia SR-332，其他元器件应选用GJB/Z 299C。

b）确定元器件进行应力分析的模型，统计元器件相关信息，计算元器件故障率。根据不同预计手册，明确进行应力分析的模型和数据，计算出元器件的故障率。

对于电容C1，通过查找GJB/Z 299C，确定其属于1类瓷介电容器，工作故障率计算公式为：

式中：为通用故障率；为基本故障率；为环境系数；为质量系数；为电容量系数；为表面帖装系数。

①确定环境系数。由于探测器的工作环境为一般地面环境，即。根据GJB/Z 299C表5.7.5-2“环境系数”可知，电容C1的环境系数为2.4。

②确定质量系数。由于电容C1属于低档产品，根据GJB/Z 299C表5.7.5-3“质量等级与质量系数”可知，电容C1的质量系数为5。

③确定电容量系数。由于电容C1的电容为（82±4.1%）pF，根据GJB/Z 299C表5.7.5-4“电容量系数”可知，电容C1的电容量系数为0.75。

④确定表面贴装系数。由于电容C1是1类瓷介，片式，根据GJB/Z 299C表5.7.1-1“表面贴装系数”可知，电容C1的表面贴装系数为1.5。

⑤确定基本故障率。由于电容C1的工作电压与额定电压之比为0.1，工作环境温度为40 ℃，根据GJB/Z 299C表5.7.5-1“基本失效率”可知，电容C1基本故障率为0.001 9×10h。

⑥由此可知，电容C1的工作故障率为：

对于振荡器 G1，通过查找振荡器型号MIL-STD-217F，确定其属于石英谐振器，工作故障率计算公式为：

在MIL-STD-217F 19-1节中，根据该石英谐振器的频率为10 MHz，查找到振荡器G1的基本故障率为0.022×10h。由于振荡器G1工作环境为一般地面环境，即G，根据MIL-STD-217F 19-1节“环境系数”表可知，振荡器G1的环境系数为3.0。由于振荡器G1属于低档产品，根据MIL-STD-217F 19-1节“质量系数”表可知，振荡器G1的质量系数为2.1。由此可知，振荡器G1的工作故障率为：

对于铝电解电容C4，通过查找电子设备可靠性预测程序（Telcordia SR-332），确定其属于铝电解电容，其故障率计算公式为：

式中：为黑箱稳态故障率；为平均通用稳态故障率；为电应力系数；为温度系数。

由于铝电解电容C4为410 μF，根据电子设备可靠性预测程序（Telcordia SR-332）表8-1“电容故障率参数”可知，平均通用稳态故障率为0.014×10h。根据电子设备可靠性预测程序（Telcordia SR-332）表9-4“元器件质量等级和质量系数”，铝电解电容C4的质量等级属于Ⅰ级，可知质量系数为3。由于铝电解电容C4的工作电压与额定电压之比为0.5，根据电子设备可靠性预测程序（Telcordia SR-332）表9-2“电应力系数”，可知电应力系数为1.0。由于铝电解电容C4的工作环境温度为40 ℃，根据Telcordia SR-332表9-1“温度系数”可知，温度系数为1.0。由此可知，铝电解电容C4的黑箱稳态故障率为：

c）综合计算产品可靠性。根据基本可靠性模型，该探测器故障率为：

该探测器的MTBF值为：

根据探测器任务可靠性模型，可知其任务可靠度为：

4）得出可靠性预计结论。该探测器的MTBF值为90 345.56 h，达到了该设备基本可靠性要求（＞87 600 h）；当产品工作到2 a时，探测器任务可靠度为0.833，达到了该设备任务可靠性的要求。其中，薄弱环节存在于集成电路D1和D2，其故障率分别都为整个探测器故障率占27%。建议提高集成电路D1和D2的质量等级，或采取降额设计法，加强筛选，改变设计方案，以达到提高产品可靠性的目的。

3 结语

现代电子装备的复杂程度和集成度日益提高，士兵系统电子器件通常在恶劣的自然环境和电磁环境中工作，对于电子器件可靠性要求较高。本文针对士兵电子器件采用应力分析法进行了可靠性设计，通过查阅相关数据手册，分析了电容、振荡器等电子器件的可靠性，并以某士兵探测器为例，开展了可靠性设计。本文的研究结果，可为士兵系统电子器件可靠性设计，提供理论指导。