金春華

（1.北京科技大學 東凌經(jīng)濟管理學院，北京 100192；2.北京信息科技大學 經(jīng)濟管理學院，北京 100192）

基于故障物理的可靠性體系

金春華1,2

（1.北京科技大學 東凌經(jīng)濟管理學院，北京 100192；2.北京信息科技大學 經(jīng)濟管理學院，北京 100192）

建立在數(shù)理統(tǒng)計基礎上的可靠性工程模式需要耗費較大的時間及經(jīng)濟成本，不利于可靠性工作的企業(yè)化應用及后續(xù)發(fā)展，基于故障物理的可靠性工程體系正是解決這一問題的最佳途徑。介紹了故障物理的基本原理，形成了以故障物理為中心的可靠性體系框架，理清了故障物理的分析過程，說明了基于故障物理的可靠性提升方式。為企業(yè)進一步提高產(chǎn)品可靠性提供了新的理論方向，實施方法和具體思路。

可靠性體系；故障物理分析；可靠性提升

0 引言

基于數(shù)理統(tǒng)計的可靠性工程體系從形成至今已有近60年的歷史，曾為產(chǎn)品可靠性提升提供系統(tǒng)的工作流程和模式[1]。然而隨著產(chǎn)品日趨復雜、應用范圍不斷擴大、使用環(huán)境條件日益多樣化，往往要求在有限的時間和成本下提升產(chǎn)品的可靠性，而通?？煽啃缘尿炞C試驗需要耗費較長的時間和較大的成本，使得企業(yè)在推行可靠性工程中遇到巨大阻力。另外一方面，基于數(shù)理統(tǒng)計的可靠性在宏觀趨勢分析以及產(chǎn)品的比較等方面上具有很大的優(yōu)勢，然而宏觀的數(shù)據(jù)分析并不能追究故障發(fā)生的具體原因，也無法提出產(chǎn)品可靠性提升的具體要求，因而不能為設計開發(fā)提供有效地輸入和指導，使得可靠性工作與設計開發(fā)脫節(jié)，為產(chǎn)品可靠性提升帶來困難。

故障物理可靠性是與數(shù)理統(tǒng)計同步發(fā)展的可靠性工程體系。故障物理的研究方法是從原子分析的角度出發(fā)，來解釋材料、元件、組件及產(chǎn)品的失效現(xiàn)象，以便為材料、元件、組件、產(chǎn)品的改良、分類、評價、使用以及產(chǎn)品的可靠性的設計、維修等提供依據(jù)，它是物理和工程學的基礎性技術，可以說故障物理是對可靠性工程起支撐作用的最基礎技術。

國內(nèi)目前絕大多數(shù)軍工、航天等產(chǎn)品大多以數(shù)理統(tǒng)計可靠性為主，然而隨著可靠性的民品化、以及可靠性要求的提升等，基于故障物理的可靠性工作將越來越受到重視。然而國內(nèi)目前關于故障物理的介紹不夠系統(tǒng)和全面，本文期望通過對故障物理的系統(tǒng)描述，為企業(yè)提升可靠性提供新的方法和思路的參考。

1 故障物理的基本原理

物質(zhì)的變化均由能量引起，而能量來自外界的能量和物質(zhì)自身的能量。外界的能量包括來自于物質(zhì)本身之外的機械能、熱能、化學能、核能、電磁能以及生物因素等，而內(nèi)部能量則來自于內(nèi)部分子原子等的相互作用力，以及在加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力等。通常產(chǎn)品出廠時，產(chǎn)品處于能量相對平衡的狀態(tài)，而隨著產(chǎn)品的使用過程，受到環(huán)境應力和工作應力。當這些應力經(jīng)過位移、時間等過程，將變成能量作用于產(chǎn)品之上，這些能量將使產(chǎn)品材料發(fā)生變化。固體材料的性質(zhì)通常有結構的鈍感性和敏感性兩類，導致故障、退化發(fā)生的主要因素來自后者。產(chǎn)品的失效由結構敏感性上最薄弱環(huán)節(jié)所決定當產(chǎn)品結構發(fā)生變化，導致強度（包括：機械強度、耐高溫性、耐腐蝕性、抗靜電、抗電強度、抗電磁強度等）變化，并形成不可逆過程時，將直接或間接對產(chǎn)品的參數(shù)產(chǎn)生影響，當參數(shù)的變化達到故障定義的狀態(tài)時，便產(chǎn)生了故障[2,3]。

故障物理的研究任務包含兩方面的內(nèi)容：

1） 故障物理的理化模型。主要研究材料在應力（能量）、時間的作用下發(fā)生物理、化學變化的規(guī)律；

2）故障物理的數(shù)理統(tǒng)計模型。加載在產(chǎn)品上的應力或者能量是服從一定的分布規(guī)律的，同時由微觀物理因素導致的故障在時間和空間上都是隨機發(fā)生的，因此故障物理的另一個任務是研究故障物理的數(shù)理統(tǒng)計模型。

失效的發(fā)生是微觀的過程，又是總體上宏觀變化的過程。因此，故障物理的理化模型和數(shù)理統(tǒng)計模型二者相輔相成。

2 故障物理分析過程及應用

可靠性本質(zhì)上是通故障作斗爭的學科，因此其核心問題是如何降低產(chǎn)品的故障。對企業(yè)而言，故障的改進通常從已發(fā)生的故障著手，通過故障分析得到故障的理化模型和統(tǒng)計模型，并將這些模型應用于可靠性的設計和驗證等工作。通過上述工作，企業(yè)可建立材料庫、結構庫以及應力庫，作為產(chǎn)品在壽命周期可靠性保障的基礎信息。如同質(zhì)量體系的PDCA循環(huán)具有自發(fā)的持續(xù)改進過程一樣，一旦建立與故障做斗爭的正確理念和方法，產(chǎn)品的可靠性同樣可以再發(fā)的持續(xù)提升。

以故障物理為中心的可靠性體系如圖1所示。

2.1 故障物理分析輸入

故障物理分析的輸入是產(chǎn)品生命周期各階段所產(chǎn)生的故障。故障分析，首先應有故障品。沒有故障品，故障物理的研究失去了研究對象，研究過程和研究結果就無從談起，因此保護好故障品極為重要。對于電子產(chǎn)品，如器件損壞，考慮電路板整體所受應力，則應連同損壞的器件的電路板及其輸入輸出的接口部分一同定義為故障品。連同故障品一同作為故障分析輸入的內(nèi)容還有故障履歷，包括：故障發(fā)生的時間、地點、環(huán)境條件、工作狀態(tài)、故障表現(xiàn)、故障部件和故障嚴重程度等，故障履歷信息將為分析產(chǎn)品的強度、應力以及分析相應的退化過程提供重要的信息輸入。于此同時，還應記錄故障統(tǒng)計信息，包括故障發(fā)生率、故障分布和母本大小等信息。統(tǒng)計信息將有助于企業(yè)集中精力解決重點故障，同時可建立故障的數(shù)理統(tǒng)計模型。

2.2 故障物理分析過程

故障物理的分析過程通常是故障點的定位，故障現(xiàn)象和故障模式的分析，對故障機理的探究，從而找到故障原因，進行改進。

2.2.1 故障點定位

故障物理的分析首先從故障點的定位開始，其難易程度隨產(chǎn)品形態(tài)的不同有很大的差異。對于機械產(chǎn)品某些帶有自監(jiān)測功能的產(chǎn)品通常故障點定位相對容易。而對于電子產(chǎn)品故障點的定位有時需要借助一定的測試方法，尤其是在集成電路中，對故障點的定位需要用到聲學掃描、X-ray掃描、開封、染色等多種手段結合進行定位。對故障點的定位越精確，越容易揭示其失效的過程。

2.2.2 故障模式分析

故障模式即故障的表現(xiàn)形式。更確切地說，故障模式一般是對產(chǎn)品所發(fā)生的、能被觀察或測量到的故障現(xiàn)象的規(guī)范描述。通常機械及電子行業(yè)對發(fā)生頻率較高的試下模式均已有規(guī)范化的描述。如：機械產(chǎn)品中常見的：磨損、斷裂、變形和腐蝕等。當發(fā)生故障時，應首先判斷其是否歸納到已有的故障模式中，如是新的故障模式，則應謹慎規(guī)范地定義其故障模式。

某些機械的故障模式是比較容易檢測到的，但是某些電子產(chǎn)品失效模式則可能需要通過破壞性物理分析（DPA）才能夠發(fā)現(xiàn)。隨著新產(chǎn)品、新技術的不斷出現(xiàn)，產(chǎn)品的失效模式的確認方法、檢測技術和檢測設備正在以更快的速度發(fā)展[4]。

圖1 以故障物理為中心的可靠性體系框架

2.2.3 故障機理分析

故障機理即導致故障的物理、化學以及其他的過程。因此失效機理注重的是對過程的研究，這是故障物理的核心和難點。

出廠為合格的產(chǎn)品，經(jīng)過儲運、使用的過程最終產(chǎn)生故障，原理上均是由于能量作用導致材料變化的結果。因此，故障物理的研究應首先明確作用在產(chǎn)品上的能量。要完整分析這些能量的來源，首先應分析產(chǎn)品的壽命剖面及任務剖面所有經(jīng)過的環(huán)境和時序，以及在這些剖面下環(huán)境應力和工作應力。

產(chǎn)品在壽命剖面和任務剖面所受的環(huán)境應力和工作應力，在形式上將變現(xiàn)為機械能、熱能、化學能、生物能、核能和電磁能六種能量作用于產(chǎn)品中。能量以不同的方式加載在產(chǎn)品的材料上，將對材料不同的影響，因此需要考慮能量的速度、能量的大小、能量的變化規(guī)律和能量的作用點等。能量的大小將決定產(chǎn)品破壞的程度、能量的速度和變化規(guī)律將決定破壞的形式，如：快速的能量作用，可能將引發(fā)材料瞬間過應力，典型的例子是過電應力；能量的作用點將決定材料破壞的起始點，故障點的定位將與此互相印證。

能量的上述因素對材料的影響大致可分為兩類：一類為可逆的變化，一類為不可逆的變化。產(chǎn)品材料、結構的不可逆變化，在宏觀上將表現(xiàn)為產(chǎn)品性能變化，而性能變化到不能達到規(guī)定的功能時，換而言之就是越過了故障定義產(chǎn)生各種故障的變現(xiàn)形式，即故障模式。

2.2.4 故障原因分析

故障原因是觸發(fā)故障機理產(chǎn)生的因素。從產(chǎn)品的壽命剖面中明確其發(fā)生的階段，找尋出發(fā)故障機理的各類因素。原則上說，故障機理的發(fā)生是正向過程，而尋找故障原因則是逆向過程，即從產(chǎn)品發(fā)生的故障推測其發(fā)生的過程，進一步推測出發(fā)這些過程的因素，并對其進行驗證。確認故障原因后，對產(chǎn)品的改進可以有兩種途徑：一種途徑是阻隔失效發(fā)生的原因，另一種途徑是改變產(chǎn)品的失效機理，即需改變產(chǎn)品的材料、結構、進而改變產(chǎn)品的強度。由于后者會有產(chǎn)生新的失效的風險，因此通常在企業(yè)會選擇阻隔失效發(fā)生的原因，如：該進設計、該進工藝及檢驗手段、人員培訓、該進儲運環(huán)境、增加環(huán)境防護設計、增加保護電路、作業(yè)標準化、使用過程簡易化等。

2.2.5 可靠性數(shù)據(jù)平臺

產(chǎn)品故障分析過程是企業(yè)積累材料、結構、應力、時間等關系的過程，是企業(yè)寶貴的資產(chǎn)，企業(yè)有必要將這些分析結果數(shù)據(jù)平臺化。各企業(yè)建立的平臺的模式可不盡相同，應包含故障相關的基礎數(shù)據(jù)庫即：材料庫、結構庫、應力庫、故障模式庫（包含故障模型）等，以為企業(yè)的可靠工作持續(xù)提升提供基礎保障。

3 基于故障物理的可靠性提升

1）提出可靠性要求

在沒有故障物理基礎的情況下，制定可靠性要求通常有兩個途徑：一是基于相似產(chǎn)品的可靠性指標；二是基于客戶或定制方（如：軍方）提出的要求；但由于新技術、新材料、產(chǎn)品的新應用等日新月異，有可能還未得到歷史產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，新的產(chǎn)品又要投入了，因此基于相似產(chǎn)品提出可靠性指標已越來越困難，客戶端提出可靠性指標也面臨著同樣的問題。故障物理技術為確定可靠性指標或要求提供了新的依據(jù)和方法：即通過對產(chǎn)品在壽命剖面和任務剖面上所受的環(huán)境應力和工作應力，應力的作用方式和作用點的分析，以及產(chǎn)品在應力作用下所產(chǎn)生的失效方式及失效機理，同時通過數(shù)理統(tǒng)計，明確產(chǎn)品失效的概率，從而確定可靠性的指標和要求。

2）可靠性設計

基于故障物理的理化模型和數(shù)理統(tǒng)計模型由于比較客觀的反應了事物的發(fā)展的宏觀和微觀的規(guī)律，因此能夠為可靠性設計提供極具價值的設計輸入信息。如：類似產(chǎn)品的失效形式（過應力、累計損傷），可明確產(chǎn)品提高可靠性的途徑是需要提升產(chǎn)品的強度還是要減緩其退化的過程；通過最弱環(huán)模型可以明確產(chǎn)品應提升可靠性的具體單元、零件、直至材料；同時通過應力分析，可以提出對產(chǎn)品的材料在強度和在環(huán)境應力和工作應力下的退化要求，從而為新材料、新技術的研究和應用提供方向。

3）可靠性預計

可靠性預計是對產(chǎn)品可靠性特征參數(shù)進行預先估計的一種工作?？煽啃灶A計為今后的產(chǎn)品的備品備件、保障服務等工作提供必要的信息。傳統(tǒng)的可靠性預計方法來源于美軍標MIL-HDBK-217及其衍生手冊，這些手冊基本來源于軍用產(chǎn)品的使用環(huán)境，并給出相應的修正系數(shù)，然而由于很多產(chǎn)品與軍品在環(huán)境上有很大差異，而且隨著技術發(fā)展，很多修正系數(shù)等已不再適用，這些因素導致預計結果與產(chǎn)品的實際運行情況相差巨大，成為產(chǎn)品售后保障的障礙。而根據(jù)故障物理模型所開展預計可通過可靠性建模和仿真[5,6]，比價準確的預計產(chǎn)品的可靠性狀況，一方面為產(chǎn)品改進提供有力的依據(jù)，另一方面也為產(chǎn)品的售后保障提供準確信息，確保資源的合理使用。

4）可靠性驗證

可靠性驗證按照施加應力的原則分為模擬實驗與激發(fā)試驗。模擬實驗又稱為正常應力試驗，激發(fā)試驗又分為加速應力試驗、加速壽命試驗和加速退化試驗等。模擬試驗是盡可能地模擬任務剖面的真實條件進行試驗，以評估產(chǎn)品的可靠性。用此種方式評估要求單臺產(chǎn)品的試驗時間至少是4.3倍MTBF。隨著可靠性的越來越來高，產(chǎn)品的試驗所需耗費的時間和成本也越來越大。因此激發(fā)試驗的應用越來越廣泛，通常加速試驗是用更高的應力來換取時間，因此需要在應力—時間——故障機理上建立模型，來確保產(chǎn)品在不改變失效機理的前提下能夠用更短的時間更有效的進行可靠性試驗和可靠性評估。同時由于故障物理模型是在充分考慮產(chǎn)品的壽命剖面和任務剖面上的應力及產(chǎn)品的強度變化的過程上的，因此在可靠性性驗證過程中，可進行仿真建模，并利用計算機進行隨機試驗[7～9]，得到相應的數(shù)理統(tǒng)計模型，從而能夠在不易進行試驗的情況下，可獲得相對比較準確的驗證結果。

4 結束語

目前我國的制造業(yè)急需從做大到做強的轉(zhuǎn)型，可靠性作為產(chǎn)品的核心競爭力已毋庸置疑。而基于數(shù)理統(tǒng)計的可靠性工程正日益面臨著時間、成本與效果的挑戰(zhàn)?？煽啃员举|(zhì)上是與故障做斗爭的學科，而故障物理從本源上揭示故障的發(fā)展規(guī)律，使企業(yè)能夠?qū)⒂邢薜馁Y源投入到產(chǎn)品的可靠性分析和預防中，而非耗費巨大時間和成本的可靠性試驗中。本文為企業(yè)如何開展故障物理的可靠性工作提供了有價值的參考。同時，故障物理可靠性的開展必然在產(chǎn)業(yè)鏈中形成對新材料、新技術的強力推動，從而建立穩(wěn)固、上升的產(chǎn)業(yè)鏈，為我國的制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供良好的土壤。

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Reliability system based on physics of failure method

JIN Chun-hua1,2

TB114.3

：A

：1009-0134(2017)05-0153-04

2017-04-28

金春華（1974 -），男，江蘇蘇州人，博士研究生，研究方向為質(zhì)量與可靠性工作。