超越“降額” 值得現(xiàn)代工程師參考的可靠性概念

“可靠性”這個(gè)詞匯對(duì)于不同的人士來說可能有著不同意義，但廣泛來講，底線往往在于成本?？煽啃阅軌驖M足人的期望，它可能基于廣告宣傳、技術(shù)規(guī)格或合同，也可能與工程師以外的很多人士息息相關(guān)。例如在社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)的層面上，我們的生態(tài)系統(tǒng)以道德及倫理為基礎(chǔ)。雖然工程師必須遵守雇主定下的行為標(biāo)準(zhǔn)，但是從個(gè)人品德的立場(chǎng)而言，道德規(guī)范可能比經(jīng)濟(jì)效益更加重要。歷史常常告訴我們，任何文明都不能單憑經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)而持久。完整的可靠性概念才是關(guān)鍵所在。

隨著人們逐漸關(guān)注到產(chǎn)品制造和棄置對(duì)環(huán)境帶來的影響，消費(fèi)者的目光也由最低采購成本轉(zhuǎn)移到最低擁有成本。無金錢或環(huán)境處罰而頻繁更換低質(zhì)量產(chǎn)品的年代已經(jīng)一去不復(fù)返。相反，講求可靠性的設(shè)計(jì)在今天的價(jià)值生態(tài)系統(tǒng)中變得尤為重要。

故障模式與機(jī)制

要達(dá)到令人滿意的可靠性，便需要對(duì)故障模式與機(jī)制有充分的理解。故障模式說明了一個(gè)零件如何失效，也就是造成故障的“應(yīng)力”。故障機(jī)制反映了零件的強(qiáng)度如何在不同的應(yīng)力下被減弱。透過故障模式分析，我們可以歸納出故障的成因，從而改善產(chǎn)品的可靠性；明白了故障的機(jī)制后，我們又懂得選擇合適的鑒定試驗(yàn)去驗(yàn)證某項(xiàng)應(yīng)用的可靠性。

故障模式的分類如下：

* 電氣性

* 災(zāi)難性(破壞性)

* 功能性 – 元件不能夠提供正確的輸出數(shù)據(jù)或信號(hào)

* 參量性 – 電流或電壓超出允許誤差

* 編程 – 非揮發(fā)性記憶體元件不能夠做出正常響應(yīng)

* 時(shí)序 – 例如由于傳播延遲、讀/寫時(shí)間、升降時(shí)間及建立時(shí)間不符合規(guī)格而造成故障

* 機(jī)械性 – 例如引線受損、封裝破裂、污染

* 外觀 – 例如標(biāo)記難以辨認(rèn)

* 行政管理 – 例如產(chǎn)品、數(shù)量、封裝、方向、日期和代碼出現(xiàn)錯(cuò)誤

故障機(jī)制的分類如下：

* 物理故障

* 與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿

* 負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定

* 電子漂移

* 熱載流子注入

* 輻射故障 (反應(yīng)器、空間)

* 中子

* Beta粒子

* 伽馬

分析和預(yù)測(cè)

可用信息能夠估算出故障概率，卻無法提供實(shí)際故障數(shù)據(jù)，這是實(shí)施可靠性工程的一大挑戰(zhàn)。一般來說，用上幾千小時(shí)去測(cè)試一個(gè)裝置的做法是不切實(shí)際的，所以我們通常無法得到一個(gè)元件或系統(tǒng)在實(shí)際壽命中的測(cè)試數(shù)據(jù)。新產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)往往等于零，然而這并不代表有關(guān)產(chǎn)品永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)故障。雖然以更高溫度加快壽命測(cè)試或許能提供恰如其分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不過該實(shí)驗(yàn)前提包括了活化能量恒久不變的假設(shè)，而在實(shí)際情況下，它是電壓和溫度的一個(gè)函數(shù) (圖1)。這限制了加快的壽命測(cè)試在預(yù)測(cè)可靠性方面的準(zhǔn)確度。因此，現(xiàn)場(chǎng)故障的監(jiān)察及反饋對(duì)提高產(chǎn)品可靠性的預(yù)測(cè)能力十分重要。

圖1

圖2

圖2顯示了在某時(shí)段內(nèi)的累積故障。這個(gè)概念在常用的產(chǎn)品故障曲線 (又稱浴盆曲線) 中得到進(jìn)一步的展示 (圖3)。有關(guān)曲線包含3個(gè)清晰的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段都包含了若干有可能造成故障的因素，也牽涉某些人士。他們可以因?yàn)槟承┬袆?dòng)而影響了客戶對(duì)可靠性的理解。

第1個(gè)區(qū)段描述了裝置的失敗率。只要在生產(chǎn)裝置中進(jìn)行若干測(cè)試，就可以把故障率降低到一個(gè)在實(shí)際運(yùn)行中可以接受的水平。第2個(gè)區(qū)段描述了實(shí)際工作壽命中有可能出現(xiàn)的隨機(jī)故障。它們與時(shí)間無關(guān)，有關(guān)裝置也不會(huì)預(yù)先替換，一般都會(huì)在發(fā)生故障時(shí)才會(huì)被替換。第3個(gè)區(qū)段顯示了裝置的壽命接近終結(jié)而開始出現(xiàn)損耗。假如不加以替換，有一半產(chǎn)品都會(huì)在壽命中期開始失效。

圖3

可靠性組合

故障率 (可靠性的一種指標(biāo)) 已不單單與電氣或熱應(yīng)力有關(guān)，同時(shí)也與硬件、軟件/邏輯及傳輸媒體相互影響。降額是指在制造廠商針對(duì)環(huán)境或使用情況而定出的最大限制下對(duì)元件施加應(yīng)力的做法，而該做法已不再是加強(qiáng)可靠性的良方妙法。它只是在最廣泛的程度上有條不紊控制產(chǎn)品質(zhì)量的一種要素。

這方面的最大挑戰(zhàn)，是只能夠在同一段時(shí)間內(nèi)一個(gè)元件降額；而且由于制造廠商的數(shù)據(jù)冊(cè)逐漸變成了只提供“最低定義”的責(zé)任文件，設(shè)計(jì)員必須在元件中內(nèi)置額外的緩沖 – 這不但增加了成本，還有可能降低產(chǎn)品的性能表現(xiàn)。

高可靠性產(chǎn)品 (軍事及宇航) 一般都會(huì)使用獨(dú)立鑒定的零件。不過，這樣不但增加了成本，也拖長了產(chǎn)品推出市場(chǎng)的時(shí)間。假如基于可靠性和質(zhì)量來設(shè)計(jì)產(chǎn)品，無疑是更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法。針對(duì)可靠性的設(shè)計(jì)必須對(duì)故障模式有充分了解，同時(shí)選擇成本最少的硬件冗余、軟件控制及傳輸媒體組合，從而達(dá)到甚至超越可靠性目標(biāo)。產(chǎn)品鑒定包括了解故障機(jī)制，并且設(shè)計(jì)出一套完善的鑒定計(jì)劃，務(wù)求在限定的成本和時(shí)間內(nèi)，對(duì)有關(guān)可靠性的預(yù)測(cè)作出精確的驗(yàn)證。

針對(duì)可靠性的設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)是指通過平衡硬件、固件和軟件分配，務(wù)求以最低成本實(shí)現(xiàn)理想的可靠性表現(xiàn)。工程師應(yīng)該緊記，硬件的可靠性是在元件壽命終結(jié)時(shí)的一個(gè)時(shí)間函數(shù)，軟件的可靠性則是一個(gè)成本函數(shù)。軟件一般都沒有耗損機(jī)制。

假如要以最少成本、在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的可靠性目標(biāo)，就必須充分利用設(shè)計(jì)分析、故障模擬和工程判斷的重要資料。強(qiáng)大的設(shè)計(jì)技術(shù)包括為易受損元件提供冗余，同時(shí)意識(shí)到每個(gè)元件的可靠性都與整體可靠性密不可分。合適的話，可以利用硬件或軟件把監(jiān)察與控制功能加入元件設(shè)計(jì)中，為元件提供周全的應(yīng)力保護(hù)。

靈巧的工程設(shè)計(jì)還會(huì)考慮到終端應(yīng)用環(huán)境的設(shè)計(jì)決定。比方說，一枚導(dǎo)彈與一臺(tái)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)需求顯然有著天壤之別。導(dǎo)彈要在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮強(qiáng)大的性能；相反，洗衣機(jī)卻需要針對(duì)數(shù)以百計(jì)的運(yùn)行周期提供最完美的耐久性。兩者的需求在根本上截然不同。

可靠性的增長

圖4

如圖4所示，每個(gè)產(chǎn)品壽命周期都包含不同階段的轉(zhuǎn)變，由原型到開發(fā)，再由開發(fā)到生產(chǎn)，過程中的可靠性會(huì)不斷增長。換句話說，每項(xiàng)設(shè)計(jì)在其壽命周期中，可靠性都會(huì)增加，而成本則會(huì)下降。這反映了可靠性的增長不單是設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任而已。

事實(shí)上，隨著可靠性在價(jià)值生態(tài)系統(tǒng)中的角色日趨重要，不論是從事技術(shù)、管理、物流或面向客戶的人員，都有責(zé)任讓可靠性持續(xù)增長 (圖5)。

圖5