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2设计阶段的可靠性分析（导致系统故障的不可修复元素）
在复杂组件，设备和系统的设计和开发期间的可靠性分析对于尽早检测和消除可靠性弱点以及进行比较研究非常重要。这种调查包括故障率和故障模式分析，遵守设计指南的验证，以及在设计审查方面的合作。本章介绍复杂设备与系统故障率和故障模式分析的方法和手段，被认为是不可修复的系统故障（除了公式（2.48））。在简短介绍后，第2.2节讨论了串联 - 并联结构。在2.3节中进行了调查复杂结构，具有多个故障模式的元件和具有负载共享的并行模型。具有成本考虑的可靠性分配在第2.4节中讨论，应力/强度和漂移分析在第2.5节。第2.6节涉及失效模式和因果分析。第2.7节给出了设计评审中可靠性方面的清单。在第4章中讨论了可维护性，在第6章中研究了可修复的系统（包括不存在可靠性框图的复杂系统，不完全的交换，不完全覆盖，可重构系统，常见故障，以及网络可靠性， BDD，ET，动态FT，Petri网和计算机辅助分析）。设计指南在第5章，第3章的资格测试，第7和8章的可靠性测试。本章的理论基础在附录A6。
2.1 介绍
在设计和开发复杂设备和系统期间的可靠性分析的一个重要部分涉及故障率和故障模式调查，以及验证是否遵守适当的可靠性设计指南。 故障模式和因果影响分析在第2.6节中考虑，设计指南在第5章中给出。第2.2-2.5节用于故障率分析调查复杂设备或系统的故障率导致预测的可靠性的计算， 即，可以从项目的结构和其元素的可靠性计算的可靠性。 这种预测对于早期检测可靠性弱点，比较研究，关注可维护性和后勤支持的可用性调查以及对于设计者和分包商的定量可靠性目标的定义是必要的。然而，由于不同类型的不确定性， 预测的可靠性通常只能以有限的精度给出。 这些不确定性属于:
- 数学建模中的简化（独立元素，完全和突然故障，在设计和制造期间没有缺陷，没有损坏）
- 对由内部或外部干扰（开关，瞬态，EMC等）引起的故障缺乏足够的考虑，
- 用于计算组件故障率的数据不准确。
另一方面，一个项目的真实可靠性只能通过可靠性试验确定，在该原型的鉴定试验进行的时候，也就是 即，在设计和开发阶段的后期。 实际应用中还表明，与有经验的可靠性工程师，在设备或系统水平的预测故障率通常与现场数据吻合得很好（事实的2倍）。 此外，通过比较研究获得的相对值通常具有比绝对值高得多的精度。 所有这些原因支持设备和系统的设计与指定的可靠性目标过程中的可靠性预测的努力。
除了在以下部分中讨论的理论考虑之外，在设计可靠的设备和系统时必须考虑实践方面，例如关于操作条件和元件之间的相互影响（输入/输出，负载共享，故障的影响，
瞬态等）。 可靠性改进的具体可能性是
- 减少热，电和机械应力，
- 部件和材料的正确的连接，
- 设计和施工的简化，
- 使用质量上更好的组件和材料，
- 防范ESD 和EMC，
- 关键部件和组件的筛选，
- 使用冗余。
按照这个顺序， 设计指南（第5章）和设计评审（表A3.3,2.8,4.3和5.5，附录A4）是强制性的，以支持这种改进。 本章涉及不可修复（直到系统故障）设备系统。 可维护性在第4章中讨论。可修理设备和系统的可靠性和可用性在第6章中仔细考虑。
考虑到上述图中考虑，2.1显示了可靠性分析程序在装配级别的实际应用。根据图中的过程， 2.1是基于2.2.4节中讨论的部分应力法（零件计数法见第2.2.7节）。 还包括故障模式和影响分析（FMEA / FMECA），检查假定故障模式的有效性，以及在初步设计审查中验证是否遵守可靠性设计指南（第5.1节，附录A3.3.5＆ A4）。在出现冗余的情况下，假定故障模式的验证是强制性的，特别是由于可靠性框图中的串联元件（例如参见实例2.6，具有多于一个故障模式的元件的第2.3.6节和共同原因的6.8.7 故障，图2.8-2.9和6.17-6.18用于比较研究）。为了简化表示，在第2和6章中，可靠性将用于技术系统的预测可靠性和系统（即，对于具有理想的人为因素和后勤支持的系统）。
2.2预测具有简单结构的设备和系统的可靠性
简单结构是存在可靠性框图的那些结构，并且可以被简化为具有独立元件的串联/并联形式。 对于这样的项目，根据以下过程计算预测可靠性（图2.1）
- 所需功能及其相关任务剖面的定义。
- 推导出相应的可靠性框图（RBD即可靠性框图）。
- 确定RBD的每个元素的操作条件。
- 确定RBD的每个元素的故障率。
- 计算RBD每个元素的可靠性。
- 计算项目（系统）可靠性函数。
- 执行初步设计审查。
- 消除可靠性薄弱环节，并根据需要返回步骤1或2。
本节讨论了一些长度的步骤1到6，参见例2.6来应用到一个简单的情况。 对于不存在可靠性框图的设备和系统的调查，请参见第6.8节。
2.2.1所需功能
所需的函数指定项目的（系统的）任务， 它的定义是指任何分析的起点，因为它定义了故障。 出于实际目的，参数应该用公差定义，而不仅仅是固定值。
除了所需的功能之外，还必须定义系统级的环境条件。 其中，环境温度（例如 40℃），储存温度（例如-20至 60℃），湿度（例如40至60％），灰尘，腐蚀性气氛，振动 (例如 0 5. gn, 从 2 t到 60 Hz )，冲击，噪声（例如40到70dB）和电源电压变化（例如plusmn;20％）。 从这些全球环境条件中，可以确定系统的构造特性和系统的每个元件的内部载荷，以及操作条件（实际应力）。
所需的功能和环境条件通常是时间相关的，导出任务剖面（软件的操作剖面）。 代表性的任务剖面和相应的可靠性目标应在系统规范中定义（最初作为粗略描述，然后逐步改进），参见第38页的注释以及分阶段任务系统的第6.8，6.2节 。
2.2.2可靠性框图
可靠性框图（RBD）是一个事件图。 它回答以下问题：正在考虑的项目的哪些元素对于满足所需功能是必需的，并且可以在不影响它的情况下失败？设置RBD首先涉及将项目。
划分为具有清楚定义的任务的元素。 所需功能所需的元件串联连接，而可对所需功能（冗余）没有影响的故障元件并联连接。 显然，可靠性框图中的串联元素的排序可以是任意的。 在已经验证（FMEA）它们的故障不影响所需功能中涉及的元件之后，将与考虑中的所需功能无关（或使用）的元件移除（放入参考列表中）。 这些考虑清楚地表明，对于给定的系统，每个需要的功能具有其自己的可靠性框图。
在设置可靠性框图时，必须注意每个元件只能考虑两种状态（良好或失效）和一种失效模式（例如断开或短路）的事实。 还必须特别注意正确识别以冗余形式串联出现的部件（参见第6.8节）。 对于大型设备和系统，可靠性框图从上到下导出，如图1所示。 2.2（以4级为例）。 在每个级别，相应的所需函数从下一个更高级别的函数导出。
设置可靠性框图的技术在实施例2.1至2.3中示出（也参见实施例2.6,2.13,2.14）。 人们认识到可靠性框图基本上不同于功能框图。从示例2.2,2.3,2.14还可以看出，一个或多个元素在可靠性框图中可以出现多于一次，而相应元素在所考虑的项目中物理地仅存在一次。为了指出由这一事实产生的强依赖性，必须对这些元素使用除了方形之外的框形式（在示例2.2中，如果E.2失败，则任务1和2的所需功能仅在E.1，E.3，E.5）。为了避免歧义，项目的每个物理上不同的元素应该具有其自己的数字。 可靠性框图的典型结构总结在表2.1中（对于不存在可靠性框图的情况，见第6.8节）。
2.2.3部件级操作条件，应力因素
可靠性框图中每个元素的操作条件影响项目的可靠性，必须加以考虑。这些工作条件是环境条件（第3.1.1节）和内部负载，在工作和休眠状态下的功能。表2.2概述了影响电子元件故障率的最重要的参数。
一个基本的假设是组件没有过度压力。在这种情况下，重要的是考虑许多电子部件的负载能力随着环境温度的增加而降低。这特别是对于功率，但通常也用于电压和电流。 作为示例， 图2.3示出了对于双极Si晶体管（具有恒定热电阻）的功率能力随环境温度theta;A的变化。 实线表示负载能力。 在断点的右侧，结点温度几乎等于175°C（最大规定工作温度）。 虚线给出了这种器件的典型降额曲线。 降额是设计（有意）不利用组件的全负载能力，目的是降低其故障率。应力因子（应力比，应力）S定义为
举个例子,图2.4 - 2.6显示了温度（环境theta;A，情况theta;C或结点theta;J）和应力因子S对一些电子元件（从IEC 61709 [2.22]）的故障率的影响。经验表明，对于良好的设计，经验表明，对于良好的设计，theta;Ale;40C，功率，电压和电流应为0.1 lt;s lt;0.6，扇出Sle;0.8，LIN.ICs中Sle;0.7（见表 5.1更详细）。 也应避免S lt;0.1。
2.2.4电子元件的故障率
系统的故障率是在区间中的故障的的条件概率，假定该项在t = 0时是新的并且在区间中没有故障, 见方程 （1.5），（2.10），（A1.1），（A6.25）。对于大量的统计上相同和独立的项目，展示经常三个连续的阶段：一是早期故障，一个是具有恒定（或接近）故障率，一个则涉及由于磨损故障（图1.2）。早期故障应通过筛选消除（第8章）。 对于一些电子部件（电解电容器，电源和光电子器件，ULSI-IC）以及机械和机电部件，可以预期出现损坏故障。 必须根据具体情况考虑制定预防性维护策略（第4.6和6.8.2节）。
为了简化计算，通常通过在使用寿命期间假设恒定（时间无关）故障率来执行可靠性预测。
这种近似极大地简化了计算，因为常数（时间无关）故障率lambda;导致由具有强度lambda;的均匀泊松过程描述的故障流（具有无记忆性的过程，参见等式（2.14），（A6.29） （A6.87），以及附录A7.2.5）。
组件的故障率可以通过加速可靠性测试或现场数据（如果工作条件已经充分了解）进行实验评估，并进行适当的数据分析（第7章）。对于已建立的电子和机电部件，lambda;的模型和数字通常在故障率手册中给出[2.20 - 2.30,3.66,3.67]。其中，FIDES指南2009（2010）[2.21]，IEC 61709（1996，Ed.2 2011）[2.22]，IEC TR 62380（2004）[2.23]，IRPH 2003 [2.24]，MIL HDBK-217G 草案，准备中的Ed.H）[2.25]，RDF-96 [2.28]，RIAC-HDBK-217 Plus（2008）[2.29]，Telcordia SR-332（Rev 3，2011）[2.30]。 IEC 61709给出了故障率对不同应力（温度，电压等）的依赖性的定律，并且必须是标准工业环境（40°C环境温度theta;A，GB按照表2.3）的一组参考故障率支持 ，和在现场的稳态条件）。IRPH 2003基于IEC 61709，并提供参考故障率。 在IEC TR 62380和RIAC-HDBK-217Plus中考虑了热循环，休眠状态和ESD的影响。精确模型在FIDESGuide2009A中。MILHDBK-217最多修订F（Not。2，1995），是最常见的参考，可能从修订H开始，它将取代这个位置。对于混合部件，ESA Q-30-08，NSWC-11和NPRD-2011可以使用[2.20,2.26,2.27]。应该找到关于实际应用中设备和系统级可靠性预测的故障率模型的国际协议，也是为了简化比较调查（见[1.2（1996）]和第38页的注释）。
故障率取自上述手册之一或从自己的现场数据中计算预测的可靠性。 这些手册中的模型通常具有简单的结构，形式如下：
用，经常进一步简化为
由于假定的标准工业环境（theta;A=°40℃，GB按照表2.3和现场的稳态条件）和标准质量水平取。 指示性数字在表2.3,2.4，A10.1和实施例2.4中。
lambda;位于无源部件的和超大规模集成电路的之间。单位是由FIT（每个的故障时间或故障）表示。
对于许多电子元件，lambda;随温度呈指数增长，增加10至20℃时增加一倍。这通过因子来考虑，对于该因子经常使用 阿伦尼斯模型，得出在温度T2，T1（对于一个主导故障机理的情况，等式（7.56））的因子的比率，
因此，A是加速因子，k是玻尔兹曼常数,
T是开尔文度的温度（半导体器件的结），是以eV为单位的活化能。如图2.4 - 2.6所示,经验表明，对于Si器件，的全局值通常介于0 3. eV和0 6. eV之间。半导体器件的5.1节中给出的设计准则theta;Jle;°100 C，如果可能theta;Jle;°80 C，是基于这一考虑（见图2.5的线性标度中的pi;T）。然而，必须指出的是，每个故障机制都有自己的激活能量（见表3.5）， 阿伦尼斯模型不适用于所有电子设备和任何温度范围（例如对于IC限制在约0°C - 150°）。
IEC 61709中的模型假设pi;T具有激活能E a 1和E a 2的两个主要失效机制（对于E a 1为0.3Ev，对于E a 2约0 .6eV）。在这种情况下，pi;T的相应方程式如下：
式中：0le;ale;1,
FIDES指南2009A [2.21,3.32]中还考虑到多种故障机制。
可以注意到，对于公式（2.5）= Delta;T会产生 （图7.10中的直线）。假设Delta;T正常分布（在运行期间），从例A6.18的情况（i）可以看出，加速因子A是对数正态分布的; 这可以用于改进具有可变操作温度的任务的故障率计算，参见[3.57（2005），3.61]和
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