电子式电能表可靠性预计方法研究和应用(3-4章)

第三章电子式电能表可靠性预计方法分析第2.3节对可靠性预计方法进行了系统的分析和研究，给出了不同预计方法的特点和适用范围。同时，结合电子式电能表可靠性预计的特点和现阶段的主要需求，提出了适合于电子式电能表可靠性预计的方法——“应力—框图预计法”。本章针对应力—框图法的基础——元器件应力法和可靠性框图法，从理论和工程实用性等角度进行了深入的分析，昀后给出了应力—框图法预计电子式电能表可靠性的基本概念和一般步骤。3.1元器件应力法失效率预计模型元器件失效率模型是元器件失效率与影响失效率的因素之间的数学关系，应力法中元器件失效率有基本失效率和工作失效率之分。工作失效率是基本失效率和所有影响因素对应的调整系数（也称为应力因子、影响因子）的乘积，如式（3-1）所示。ibP（3-1）式中，P为元器件工作失效率，即元器件在实际应用环境下的失效率；b为元器件基本失效率，即元器件未计及实际的质量等级、环境应力、应用状态、性能额定值和种类、结构等影响因素时的失效率；i为上述影响因素对失效率的影响系数，称为失效率调整系数。不同的元器件有不同的预计模型，主要体现在因子的不同上。一般情况下预计模型中包括质量因子Q、环境因子E、温度因子T和电应力S等，但不同的元器件会有不同的因子，同一元器件在不同手册中也会对应不同的应力模型和因子。3.2元器件应力模型中各参量的确定方法由于大多数元器件的应力模型中都包括质量因子Q、环境因子E和温度因子T，所以元器件应力法预计模型也可由式（3-2）表示：elseTEQbp(3-2)式中else泛指元器件应力模型中所有其它应力因子的乘积。式（3-2）也只是计算元器件失效率的一般表达式，不同预计模型会对应不同的因子。本节主要分析元器件应力模型中基本失效率、质量等级、环境应力因子、温度应力因子等常见主要参量的确定方法。3.2.1基本失效率基本失效率是指元器件在手册指定的参考条件下的失效率，因此同一元器件在不同手册中会有不同的参考条件，对应不同的基本失效率。1.GJB/Z299C的基本失效率1GJB/Z299C对基本失效率的定义是：“元器件在电应力和温度应力作用下的失效率，是元器件未计及其质量控制等级、环境应力、应用状态、性能额定值和种类、结构等影响因素，仅计温度和电应力比（工作电应力/额定电应力）影响时的失效率”。GJB/Z299C中的基本失效率通常用温度（T）和电应力比（）对元器件失效率影响的关系模型来表示（如图3-1为合成电阻的基本失效率曲线）。S图3-1GJB/Z299C合成电阻基本失效率曲线因此，采用GJB/Z299C确定元器件的基本失效率时，一般只需确定元器件的工作温度和电应力比，即可通过查表或图3-1所示的T-关系模型获得。如本文2.3.1节合成电阻失效率预计示例中，通过已知的工作温度30℃，电应力比0.1，即可通过查表5.5.2-1获得其基本失效率；或者通过图5.5.2-1（本文图3-1）近似查得此基本失效率。Shb/102.19以下几点需要特别说明：1）并不是所有的元器件基本失效率都由温度和电应力比确定，如砷化镓场效应晶体管的基本失效率由其平均输出功率和工作频率决定；2）并不是所有的电应力比都是工作功率和额定功率的比值，如电容器的电应力比是工作电压和额定电压的比值。因此，具体的元器件失效率需要根据预计模型确定。2.TelcordiaSR-332Issue2的通用稳态失效率TelcordiaSR-332Issue2[69]（以下简写为SR-332-2）没有基本失效率的概念，它采用的是通用稳态失效率G（genericsteady-statefailurerate），二者虽然称谓不同，但实际上是两个等价的概念。SR-332-2通用稳态失效率是参考条件下（温度40℃，电应力50%）同类型各种元器件失效率的平均值。通用稳态失效率的确定只需考虑元器件的类型和技术参数，不考虑其工作温度和电应力比。例如，仍以本文2.3.1节合成电阻为例，只要依据“合成电阻”和“阻值为1K”两个条件，就可以通过查SR-332-2中表8-20获得其通用稳态失效率。SR-332-2确定元器件通用稳态失效率仅需元器件类型和技术参数两个条件，这是与GJB/Z299C的不同之处。h/-9G100.512确定通用稳态失效率时，不同的元器件考虑不同的技术参数。例如，确定电容器件G时的技术参数是电容值；半导体闸流管的技术参数是电流值；稳压二极管的技术参数是功率；数字集成电路的技术参数是门数。还有一些元器件只需知道其具体类型就可以确定通用稳态失效率，而不用考虑其技术参数，如胆电解电容、微波二极管、继电器等。3.基本失效率（或通用稳态失效率）的来源GJB/Z299C的元器件基本失效率和SR-332-2的元器件通用稳态失效率都是建立在元器件现场使用失效率统计分析基础上的。如文献[23]和文献[26]指出：“GJB/Z299的编制中，要从大量的现役设备中通过收集设备元器件的工作环境、故障时间、工作时间、故障原因、现象等数据，进而统计分析出元器件的失效率”；“只有那些由于元器件本身失效引起的故障才参与计算；那些由于误操作或设计不当造成的故障或元器件失效是不计入的，并且在数据的代表性上依据统计数学有严格的判别取舍依据”。文献[69]第8章指出：SR-332-2通用稳态失效率是基于供应商提供的数据，供应商的失效率数据主要来自于现场失效数据的跟踪和统计。可见，现场失效数据收集是确定基本失效率或通用失效率的基础。某类型、某批次元器件的现场失效率统计值可按照式（3-3）计算。phtn/（3-3）式中，为该批元器件的统计失效率；n为观测时间内失效元器件的数目；为产品小时数（producthours），是观测时间内所有元器件无失效运行时间的总和，由式（3-4）计算。phtTnNTTFtniiph1（3-4）式中，表示该批产品投运总数；NT表示观测时间，单位：小时；表示第i个失效元器件的失效前工作时间（TimetoFailure），单位：小时。iTTF元器件一般不单独投入使用，而且本节中的元器件是指昀终投入使用的成品的部件，元器件生命周期流程图见图3-2。dtutftRt3图3-2元器件生命周期流程图元器件TTF是成品投入使用时刻到元器件失效导致成品失效的时间区间，但供应商一般只知道发货日期和失效报告时间，因此需要根据经验由和推测和，如文献[42]指出和的典型时差是90~150天，、、和关系见图3-3。另外，在运输、存储和成品制造过程中必然存在元器件损失，因此元器件发货数量和昀终跟随成品投入使用的数量也不相同，显然大于，二者关系见图3-3。utftdtdtRtRt0NutftdtutNdtNRtutft0NN0NdtutfitRitiNiTTF图3-3第个元器件失效时的及其相关参数示例iiTTF图中，表示第个元器件的失效时刻；表示第个元器件的失效报告时刻。fitiRiti由以上分析和图3-3可知可由式（3-5）近似表示，可由式（3-7）近似表示，iTTFN24dRiittTTF（3-5）fiRidutttt（3-6）0kNN10k（3-7）式中，为元器件投入使用延迟时间与失效报告延迟时间之和，实际应用中取值是根据实际情况估算出来的；、、、的单位是“天”，的单位是“小时”；k是一个经验系数，表征了该批元器件的有效使用率。dtRtfitRitiTTF另外，现场失效不一定会被发现并报告，由于其它元器件失效导致成品被更换的情况也需要加以考虑。而且，由现场失效统计分析计算基本失效率还需要综合利用复杂的统计数学方法和数据筛选、数据挖掘等数据处理技术，这是可靠性预计手册制定过程中要考虑的事情，本文不再做详细讨论。3.2.2质量等级因子质量水平是影响元器件可靠性的主要因素之一，元器件应力法采用质量因子（质量系数）Q表征质量水平对元器件失效率的影响。质量等级是对质量水平的定性描述，它按照元器件材料、制造、检验及筛选过程等因素将不同的质量水平分成若干等级。质量因子4是对质量水平的定量描述，从根本上说，质量水平决定了质量因子；从实际应用看，质量等级是确定质量因子的依据。因此，质量水平是产品的固有属性，是一种客观存在，不以人的意志为转移；质量等级是人对质量水平的定性认识和描述，是人的主观认识；质量因子是人对质量水平的定量认识，它建立在质量等级之上，也是人的主观认识。需要特别注意的是，元器件质量等级有两个体系：1）用于元器件生产控制、选择和采购的质量等级；2）用于电子产品可靠性预计的质量等级。对元器件的质量水平进行控制需要建立一系列标准规范，并通过标准来规范影响元器件质量水平的材料选购、制造、检验、筛选过程等各种因素。因此，各种标准和规范的要求规定了质量控制的严格程度，决定了元器件质量水平的高低。生产商按照这些标准和规范进行生产制造，采购商按照这些标准和规范对元器件进行有选择的采购。这就是用于元器件生产控制、选择和采购的生产保证质量等级体系，它定性规范了元器件的质量水平和生产销售的依据。电子元器件可靠性预计的直接目的是确定其失效率，不同质量水平的元器件其失效率水平不尽相同。为定量反映不同质量水平对元器件失效率的影响，可靠性预计手册中普遍引入了元器件质量等级和质量因子的概念，不同质量等级对应不同的质量因子。这种用于确定元器件可靠性预计模型中质量因子的质量等级体系称为可靠性预计质量体系。1.GJB/Z299C的质量等级和质量因子国内生产保证质量等级体系只包括军用元器件，可靠性预计质量等级体系则包括了所有用途和质量水平的元器件。生产保证质量等级、未列入生产保证质量等级的质量标准和可靠性预计质量等级可以由下面的映射表示（图3-4），即可靠性预计质量体系是前二者的一组映射。1Q2Q3Q图3-4生产保证质量等级、其它质量标准、可靠性预计质量等级和质量因子的关系仍以合成电阻为例，GJB/Z299C中表5.5.1-1和表5.5.2-3给出了合成电阻的可靠性预计质量等级和生产保证质量等级、质量因子Q的对应关系。表3-1是对表5.5.1-1和表5.5.2-3进行综合处理后的结果。5表3-1合成电阻可靠性预计质量等级和质量因子质量等级质量要求（生产保证质量等级和其它质量标准）质量要求补充说明质量因子QA1M符合GJB244A、GJB1432A，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的M级产品；符合GJB1862-1994，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的W级产品；符合GJB601A、GJB920A、GJB1782-1998、GJB1929-1994、GJB2828-1997、GJB3017-1997、GJB4154-2001，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的产品；符合企业军用标准，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的产品符合GJB244-1987，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的W级产品；符合GJB920-1990，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的W级产品0.1AA2符合GB/T5729、GB/T6663、GB/T7153、GB/T10193、GB/T13189、GB/T15654，且经中国电子元器件质量认证委员会认证合格的产品按QZJ840629、QZJ840630、QZJ840631“七专”技术条件组织生产的产品0.3B1按军用标准的筛选要求进行筛选的B2质量等级的产品按“七九○五”七专质量控制技术协议组织生产的产品0.6BB2符合GB/T5729、GB/T6663、GB/T7153、GB/T10193、GB/T13189、GB/T15654、SJ1156、SJ1553、SJ1557、SJ1559、SJ2028、SJ2307、SJ2309、SJ2742的产品符合*SJ75、*SJ904、*SJ1329、