你将学习:
- 优化平均故障间隔时间(MTBF)的关键因素是什么?
- 制定最佳的MTBF策略。
- 在MTBF测试研究中应该寻找什么。
对于为我们最关键的应用和设备提供动力的工程电子设计师来说，可靠性是一个共同的目标。与此同时，设计工程师或采购经理必须有能力量化所选部件的可靠性——性能和可靠性之间的微妙平衡——以优化总拥有成本。在这种情况下，更好地理解平均故障间隔时间(MTBF)可以得到改善这两个可靠性和成本。
这些组织的采购专业人员都非常熟悉预算和相关选择和采购所需的步骤。尽管如此，他们可能对如何评估可靠性报告，如何确保来源和选项之间统计上的相似比较，以及这些因素如何影响他们的产品设计和开发有有限的见解。商用现货(COTS)部件是否足够，还是需要s级(空间级)?供应商之间指定的所有零件是否都是相同的?MTBF数据是否从研究到研究，从供应商到供应商都以相似的方式进行报告?
这些问题和其他问题代表了对MTBF如何影响产品设计、性能和寿命的更深入的了解。通过澄清可靠性数据是如何获得、测量、计算和解释的，采购人员可以更一致和成功地评估选项。
定义MTBF中的关键考虑因素
通用的跨行业可靠性术语，通常表示为MTBF，表示第一次故障前和所有后续故障之间的预计运行小时数。FIT(失效时间)是指在10亿小时内预计发生的失效次数。FIT只是报告MTBF = 1E9/(FIT)的另一种方法。
为了优化MTBF及其对整体设计的影响，组件选择过程应回答以下问题:
- 对我的申请来说，最佳的筛选水平和成本是多少?例如，使用指定为标准COTS、军用(TX、TXV等级)、太空(S等级)或这些标准产品的定制版本的部件，是否可以实现理想的性能?
- 对选定的部分进行哪些压力测试以排除“婴儿死亡”病例?
- 目标MTBF/FIT值是多少?
买方必须要求所有潜在供应商提供可靠性报告，不仅要比较MTBF/FIT值，还要比较总运行时间，这是基于测试条件(加速因素)和每个研究中使用的机组数量。
MTBF策略具有一系列的可靠性选项
对价格和市场时间竞争特别敏感的工业和商业电子产品倾向于支持COTS组件。这是因为与高可靠性(HiRel)的替代产品相比，它们的价格更低，交货周期也更短。出于同样的原因，在军事、航空航天、更具体地说，航天等市场，买家偶尔会选择商用而不是HiRel部件。
尽管由于这些市场中应用程序的性能关键特性，HiRel更受欢迎，但仍然可以选择商业组件。MIL-PRF-38535和MIL-PRF-19500规范概述了筛选要求，并规定验证测试必须分别应用于微电子电路(ic)和分立元件。
因此，MIL-PRF-19500将指导led、vcsel、光电二极管、光电晶体管和光达林顿的筛选测试，而光学传感器、光学编码器和霍尔效应ic将使用MIL-PRF-38535规范进行筛选。MIL-STD-883规范规定了" B "级和" S "级(空间)部件所需的实际测试条件(图1)．
环境筛选(burn-in, temperature cycle)的目的是为了加速浴缸曲线“婴儿死亡”阶段潜在缺陷的失效，在虚弱部件出货组装成产品之前对其进行筛选。失效分析(FA)对每个失效单元进行识别与设计、工艺或材料缺陷相关的根本原因。所有这些活动的目标是将dppm(百万分之一缺陷部件)水平尽可能地降低到零。
一旦筛选出“婴儿死亡率”病例，预计人口中剩余的单位将在其有效寿命内发挥作用，并最终由于寿命末期的磨损而失效。有用的“正常”生命周期的特征是最低的(尽管非零)率和相对恒定的故障率(图2)．
在预期应用中运行的所有部件都可以被视为正在进行的MTBF/FIT研究。显然，让所有制造的部件无限期地运行以观察是不现实的实际满足率。但是，在具有统计学意义的样本(通常超过100个零件)上施加加速应力条件(热、湿度、温度循环、振动、负荷等)，可以大大缩短实验时间，方便地获得MTBF/FIT值。
在不了解实际研究条件的情况下，比较来自不同供应商的类似部件的MTBF/FIT值可能会产生误导。从统计学的本质上讲，MTBF/FIT值随使用的样本数量和这些部件运行时间的长短而变化很大。
为了达到这个目标，制造商必须在设计他们的MTBF研究之前了解客户要求的最小MTBF值。在所有其他参数(包括应力测试条件和失效次数)相等的情况下，研究样本量越大，运行时间越长，MTBF值越高。为了提供一个“苹果对苹果”的比较，可靠性报告必须包括在特定测试条件下的机组数量和运行小时数;这些可以统一为一个术语:“总设备小时数”．”
总设备小时数就是MTBF/FIT研究中使用的部件数量乘以它们的数量操作时间:
总设备小时=研究中的单元数*运行时间(小时)
在不同的工况下，MTBF值会发生变化。但是，我们可以简单地替换实际操作时间，而不是对每个应力水平(如不同的温度)进行单独的MTBF研究同等工作时间，基于众所周知的不同应力条件下的寿命加速因子的计算(图3)．
例如，可靠性研究TT电子OPB350(用于包括血液透析在内的医疗应用的管状液体传感器)使用了300个设备在70°C下工作1008小时，导致总共302400个设备小时(图4)．
从载于图5，当设备在70°C的可靠性为90%时，MTBF的最坏情况为208,019小时或23.7年。
90%的自信意味着虚拟的确定性，而60%则意味着较低的确定性和较高的不确定性。建议在90%置信度下对MTBF进行评估，因为90%置信度和60%置信度下的两个MTBF值之间的差异可以对部署的性能时间范围进行评估。
对于MTBF = 208,019，我们可以计算出FIT = 1E9/MTBF = 10亿小时内发生4,807次故障。
加速寿命测试在70°C(158°F)的实际工作时间为1008小时，对应于较低温度下更长的等效工作时间，导致在这些温度下的MTBF值显著增大。使用Arrhenius关系来确定20°C(68°F)下的等效运行时间，具有90%可信度的MTBF值为2,786,368或318年(高达797年，具有60%可信度)，这远远超出了设备的预期运行寿命。
在设计和采购之间创造协同效应
MTBF/FIT研究提供了一个确定组件级可靠性的框架，但不是所有的组件制造商都提供这个数据。为了确保您的设计是基于可靠的、能够长期运行的部件，获取并理解每个采购部件的MTBF/FIT研究是至关重要的。从分立元件和开槽开关到反射传感器和霍尔效应ic，可靠性研究为您提供了优势和竞争优势。
了解您的应用所需的最佳筛选级别和成本是第一步——标准COTS、军事COTS、太空COTS或这些选项之一的定制版本。第二步包括确定进行哪些压力测试以消除婴儿死亡病例;确保这是通过加速测试在统计上有意义的样本。最后，通过要求所有潜在供应商提供可靠性报告，您可以很容易地比较MTBF/FIT和总运行时间;请记住，这些可以是不同的，必须支持洞察力的实际学习条件。
有了这些有价值的数据，设计工程师和采购经理在为性能和寿命选择合适的组件时可以保持一致。
