平均無故障間隔時間可靠性試驗(MTBF)是研究產品壽命特征的方法,這種方法可在實驗室模擬各種使用條件來進行。它是將產品放在特定的試驗條件下考察其失效(損壞)隨時間變化規律。通常對于可修復(能修復、值得修復、有修復價值)的產品采用。可修復的產品在壽命周期內可以發生多次故障,每次故障修復后可繼續使用。電子設備是最典型的可修復產品,幾乎所有組成層級較高的產品和大系統均具有可修復性,因此,MTBF使用最為廣泛。
平均無故障時間中的“時間”如何理解?
平均無故障時間,這個時間指的是所有受試設備的累積相關試驗時間。時間可置換為距離、循環次數或其他適用于受試設備的量或單位。失效數是指試驗過程中出現的累積相關失效數。具體的可靠性試驗應對可以計入的相關試驗時間及相關失效數加以明確的規定。
經常看到很多重點研發計劃的任務書中要求項目申報過程中需要提供可靠性平均無故障間隔時間MTBF≥5000小時的第三方測試報告,受試產品的數量僅有1臺,要求需要提供帶CNAS和CMA資質的檢測報告。
在這種情況下,無論是用定時截尾或序貫截尾的試驗方案,都是不可取,為何呢?因為測試的周期太長,例如GB/T5080.7定時截尾5:4方案,需要實際測試5500小時,需要做半年多,測試成本也不菲,需要五六十萬,或許這臺產品本身的售價可能都沒這么多,顯然,這種方式是不經濟不實惠的。這種情況下,只有采用加速壽命的方法來實現,通過加大環境應力在短時間內激發產品存在的固有故障,采用標準GB/T34986-2017產品加速試驗方法進行測試。
簡要介紹一下高溫加速模型阿倫尼斯模型以及激活能Ea怎么選擇
1、高溫加速模型:阿倫尼斯Arrhenius模型
阿倫尼斯模型適用于單純考慮熱效應試驗的加速模型,當溫度是影響產品老化及使用壽命的絕對因素時,采用該加速模型來模擬整個壽命周期的可靠性表現。
其中公式中各個參數代表的含義解釋如下AT,i:加速因子,在所有的加速模型中都是表達一個含義,也就相當于加速系數,計算出他就能將整個壽命周期時間轉換成加速試驗的時間;
Ea:是析出故障的耗費能量,又稱激活能。不同產品的激活能是不一樣的。一般來說,激活能的值在0.3ev~1.2ev之間;
K:是玻爾茲曼常數,其值為8.617385×10-5 ev/K;
Ttest:測試條件下(加速狀態下)的溫度值。此處的溫度值是絕對溫度值,以K(開爾文)作單位;
Tfield:是使用條件下(非加速狀態下)的溫度值。此處的溫度值是絕對溫度值,以K(開爾文)作單位
從公式中可以看出,激活能越大,加速系數也越大,越容易被加速失效,加速試驗效果越明顯。如果,在激活能確定的情況下,溫度差越大,加速系數也越大。
但是,這里要特別注意,執行加速測試的前提時,增加應力產生相同的失效模式,如果加速應力超出產品、材料本身的極限溫度范圍,可以產生的新的失效模式,那么加速試驗得到的加速系數也就沒有意義了。
2、阿倫尼斯模型有下述特點:
(1)該模型反映的是產品某特性量與激活能和所施加應力的關系;
(2)阿倫尼斯模型使用的壽命與溫度的表達形式及加速因子都是基于退化量相同導出的。這就為加速壽命試驗提供了另外一條途徑,即利用某性能參數或特征量退化數據對產品的可靠性進行評定、推斷。
(3)從公式中可以看出,激活能越大,加速系數也越大,越容易被加速失效,加速試驗效果越明顯;(4)在激活能確定的情況下,溫度差越大,加速系數也越大;
3、激活能Ea及失效模式:
對于消費電子產品激活能Ea如何選擇?
推薦的取值范圍為0.5-0.8,建議取0.6或者0.7,當然0.65也沒問題,基本思路就是溫度上升10度,壽命降低一半,0.65算出來最接近,但是工程師通常取整,所以0.7出現的更多一些。
對于汽車產品激活能Ea如何選擇?汽車產品的安全性要求很高,所以通常都相對保守,一般取值為0.4-0.5,具體看企業的策略吧。
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