王琦藝，夏麗昆，曾邦澤，趙德利，朱尤攀，陳若童，李 廣，王若男

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐昆明地區(qū)第一軍事代表室，云南 昆明 650030）

0 引言

紅外熱成像通過特殊的材料來感應紅外波，然后將紅外波轉換為電信號，再把電信號轉換為圖像信號。由于其具有隱蔽性高、抗干擾性強、目標識別能力強、全天候工作等特點，被廣泛應用于軍事偵察、監(jiān)視和制導等武器裝備領域[1-2]。熱像儀的可靠性水平會直接影響使用者任務成功率、維護成本及壽命周期，因此其可靠性設計工作越來越受到關注。目前，國外對紅外熱像儀的可靠性設計研究已趨于成熟[3-7]，但國內對該領域的研究報道少之又少。

結合目前科研情況，焦平面熱像儀在研制階段由于樣本量少，技術狀態(tài)沒有固化、可靠性要求高、研制周期短、技術復雜等因素，通常需先將通過正樣鑒定又作為狀態(tài)鑒定的樣機交付總體，而后隨總體繼續(xù)完成可靠性試驗，但該流程與目前的裝備研制相關程序并不相符。因此，后續(xù)的可靠性試驗與評估中，熱像儀應獨立完成，不應再隨系統(tǒng)進行。除此之外，目前用于正樣鑒定樣機的電子元器件多為手工焊接，與定型后批產的自動焊接模式相比，焊接質量受人員素質、焊接習慣等主觀因素影響較大，其質量一致性不如批量產品好。所以，在狀態(tài)鑒定階段用正樣機做可靠性鑒定試驗并不能真正反映熱像儀的小批量生產產品的可靠性水平。另外，據(jù)日本電子行業(yè)統(tǒng)計，電子類產品不可靠原因中制造工藝占5%。又據(jù)美國海軍電子實驗室統(tǒng)計，產品不可靠原因中制造占10%[8]。按照裝備試驗鑒定首批指導性文件的規(guī)定，裝備完成性能驗證試驗并通過正樣機鑒定審查后，技術狀態(tài)基本固化，轉入狀態(tài)鑒定階段。因此熱像儀在狀態(tài)鑒定的狀態(tài)應是小批量試生產產品的狀態(tài)，此時開展熱像儀的功能、性能、環(huán)境適應性和通用特性（含可靠性）試驗，并通過及時糾正出現(xiàn)的質量問題，可以進一步驗證工藝的有效性和質量一致性，降低制造引起的不可靠，有效實現(xiàn)熱像儀可靠性增長目標，保證小批量生產的熱像儀可靠性水平不降低。

鑒于上述綜合分析，本論文闡述了紅外熱像儀的故障，建立了紅外熱像儀的任務可靠性模型，提出了相應的改進措施后，采用可靠性增長的辦法來驗證所提措施的有效性。

1 對某型熱像儀的可靠性預計

以某型熱像儀為例，在正樣機研制階段，其可靠性要求平均無故障時間（mean time between failure，MTBF）≥2500 h，設計人員通常按如下做法來保證可靠性的實現(xiàn)，即：

①嚴格控制電子元器件質量，從合格供方名錄中采購滿足要求的電子元器件；

②對元器件按企標100%入所復驗和二次篩選；

③對電路板制定專用篩選要求進行板級篩選，盡可能剔除早期故障后才裝入整機；

④在熱像儀的設計上采用降額設計、簡化設計、耐環(huán)境設計，充分考慮了散熱、抗振、密封；

⑤對熱像儀的殼體制定加速時效方案，以促其盡量釋放應力，降低形變可能；

⑥在熱像儀的電路設計中增加電源保護和過流保護裝置。

以熱像儀設計為基礎，根據(jù)文獻[9]所述建立如圖1所示的熱像儀任務可靠性模型，采用故障率預計法，按照熱像儀的故障模式影響及危害度分析方法（failure mode effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA）約定當該型熱像儀不能完成搜索、探測、識別和瞄準功能或者操控失效的時候，判斷為故障。如圖1所示，該型熱像儀是一個串聯(lián)系統(tǒng)，即任何一個部件失效都會引起熱像儀故障。按圖1 的可靠性框圖建立相應的數(shù)學模型。

圖1 任務可靠性框圖Fig.1 Block diagram of mission reliability

熱像儀的可靠度：

式中：Rs為熱像儀的可靠度；Ri為組件的可靠度；失效均符合指數(shù)分布，即：

則熱像儀的可靠度：

熱像儀的故障率λS為各組件故障率λi之和：

式中：λS為熱像儀的故障率；λi為組件的故障率。

熱像儀的平均無故障時間：

其中，光學系統(tǒng)部分的可靠性預計主要來源于成熟的相似產品的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。探測器組件及調焦變倍組件的可靠性數(shù)據(jù)均由廠家提供。所有電子元器件在沒有電離、輻射的環(huán)境中工作，且元件壽命服從指數(shù)分布，其基本失效率數(shù)據(jù)和數(shù)學模型均取 GJB/Z299C-2006 和MIL-HDBK-217F。各部件的可靠性預計見表1。

表1 預計結果Table 1 Expected results

把上述數(shù)據(jù)分別代入公式(4)和公式(5)，熱像儀的可靠性預計結果MTBF＝3370.4 h，達到2500 h 以上要求。

紅外熱像儀作為一種集光機電于一體的高新觀瞄裝備，在研制過程中具有樣本量少、技術復雜、可靠性要求高等特點。在紅外熱像儀研制、生產及使用過程中，常常會出現(xiàn)多種不同故障。隨著科技發(fā)展，表貼元器件的出現(xiàn)使得熱像儀向小型化發(fā)展成為可能，但也給各功能電路板如成像電路板、伺服電路板的制造帶來一定難度。不同熱像儀的功能、外形尺寸和重量要求各不相同，因此電路板設計具有針對性和專用性。在實際制版過程中，對表貼元器件進行焊接時，由于電路板數(shù)量少、專用性強和技術狀態(tài)未固化等特點，操作者一般采用手工焊接代替回流焊[10]。只有當熱像儀的訂貨量達到一定數(shù)量、且技術狀態(tài)完全固化的情況下，研制單位才會采用回流焊對表貼元器件進行焊接。

基于該背景，本文擬研究這兩種焊接方法對熱像儀可靠性帶來的影響，并進行比較以嘗試找出解決問題的辦法。

2 可靠性試驗綜合評估

為了驗證可靠性預計的結果是否準確，從同一型號的科研樣機中任抽兩臺產品統(tǒng)計其自檢、正樣鑒定檢驗、隨系統(tǒng)自檢、隨系統(tǒng)出廠檢驗和在試驗基地試驗的時間共計5419 h，單臺產品的可靠性評估時間為2709 h。

根據(jù)GJB899A-2009[11]中可靠性鑒定和驗收試驗方案21 可知，規(guī)定使用方風險為30%，研制方風險為30%（屬于高風險試驗方案），此時試驗時間系數(shù)為1.1，如表2所示。若產品規(guī)范中對溫度、振動和相對濕度等環(huán)境條件無要求，則根據(jù)GJB899A-2009中具體要求執(zhí)行。根據(jù)上述參數(shù)，計算可得試驗累計臺時數(shù)最低為2500×1.1＝2750 h。因此，該可靠性試驗方案為：當試驗累計臺時數(shù)大于等于2750 h，則可接收故障數(shù)為0。

按表2 的條件，在試驗過程中，只有被試品無責任故障，才算本次可靠性試驗通過；若發(fā)生1 次或1次以上責任故障，則被試品判定為未通過本次可靠性試驗，并且應按照程序完成歸零程序后，申請重新進行鑒定試驗。

表2 可靠性試驗方案Table 2 Test scheme for reliability verification

兩臺產品的可靠性試驗時間理論上臺時數(shù)不小于2750 h。為了進一步驗證熱像儀可靠性是否滿足方案21 的要求，根據(jù)熱像儀檢驗試驗大綱中部分性能需隨總體進行試驗的檢驗要求，讓這兩臺產品繼續(xù)進行臺時數(shù)為至少770 h 的可靠性試驗。

3 可靠性驗證及分析

3.1 熱像儀可靠性驗證

對任意抽取的兩臺熱像儀根據(jù)檢驗試驗大綱繼續(xù)進行環(huán)境試驗，當累計工作時長超過臺時數(shù)690 h后，1#熱像儀在高溫工作區(qū)間待機6 h 時出現(xiàn)故障。工作人員檢查熱像儀功能時發(fā)現(xiàn)觀瞄界面切換至“熱像寬/窄視場”時，顯示圖像出現(xiàn)花屏和自檢報故現(xiàn)象，而疊加在視頻圖像的綠色字符信息顯示正常，如圖2所示，經(jīng)初步判斷本次故障是熱像儀故障。

圖2 熱像視場故障Fig.2 Fault diagram of thermal image field of view

從試驗數(shù)據(jù)分析，故障熱像儀的單機試驗臺時數(shù)超過2750 h，表明熱像儀的設計可靠性能滿足指標所要求。但繼續(xù)完成臺時數(shù)為770 h 的可靠性試驗時，其中一臺出現(xiàn)了故障，故障率達到50%。因此，需對該現(xiàn)象進行故障分析，找出存在的隱患，以達到可靠性增長的目的。

3.2 故障分析

該型熱像儀主要由紅外光學系統(tǒng)和調焦變倍組件、機芯組件、綜合處理電路、光機平臺等組成。其中，機芯組件是把外界景物圖像的光信號轉變?yōu)殡娦盘柌⒆鞣糯筇幚淼难b置；綜合處理板主要是把探測器組件輸出的包含觀察目標特征參數(shù)的電信號進行放大處理后合成為視頻信號輸出給后端顯示用。按照該型熱像儀的失效模式及效應分析（failure mode and effect analysis，F(xiàn)MEA），建立如圖3所示的故障樹。按故障樹逐級排查故障原因，最終故障原因定位在熱像儀內部的綜合處理電路板上的濾波電容C93 短路，該電容接于VAA5V 電源芯片輸入端（＋12 V）與地線之間。若將其斷路，熱像儀仍能正常工作。但由于該電容能夠顯著提高熱像儀的可靠性、穩(wěn)定性以及抗干擾能力，因此濾波電容C93 短路后，會導致相關芯片不能正常工作，長時間的短路甚至還可能引起部分芯片的損傷。因此，解決電容C93 短路的問題是重中之重。

圖3 熱像儀視場故障樹圖Fig.3 Tree diagram of field of view fault of thermal imager

3.3 電容失效機理分析

經(jīng)故障排查，與電容C93 同批采購的電容，在裝配前均按照相關規(guī)定做了100%篩選，裝入綜合處理板后亦做了板級篩選。該短路電容從外觀上看似正常，但其電學性能已完全失效，具體參數(shù)見表3。

表3 失效電容C93 電性能測試數(shù)據(jù)表Table 3 Electrical performance test data sheet of failure capacitor C93

對該電容進一步做破壞性物理分析（DPA，destructive physical analysis）[12]，采取邊磨邊看的分析手法，觀察其內部形貌結構。磨至瓷體內部時沒有出現(xiàn)異常情況，如圖4所示。但磨至電極層時發(fā)現(xiàn)瓷體左下角處出現(xiàn)一個裂紋，其裂紋清晰可見，裂紋呈斷續(xù)45°角形貌，如圖5 中的矩形框內形貌所示。

圖4 電容磨至瓷體表面形貌結構圖Fig.4 Structure diagram of ceramic surface morphology after capacitive grinding

從圖5 的裂紋模式分析判斷，此種裂紋模式為典型的引入缺陷，即電容受外部機械應力導致失效。這是由于C93 屬于貼片電容，電容的內部結構如圖6所示，其主要成份是“電子陶瓷”，這是一種非常脆性的材料，尤其在電容的端頭連接處是最薄弱的，當其受到外力作用時極易在此位置產生開裂。

圖5 電容內部電極層形貌結構圖Fig.5 Structure diagram of internal electrode layer morphology of capacitor

圖6 電容內部結構Fig.6 Internal structure diagram of capacitor

依據(jù)故障的機理，對該臺熱像儀的工藝執(zhí)行情況進行排查，找到可能造成電容端頭出現(xiàn)裂紋的兩個薄弱環(huán)節(jié)：

①手工焊接表貼電容。從焊盤狀態(tài)可以判斷該熱像儀電路板除了單片機芯片外，其余元器件均為手工焊接完成。在手工焊接中，上錫過多或烙鐵頭直接與電容器陶瓷本體接觸均可產生不均勻的溫度應力，很有可能產生內部裂紋，再通過后續(xù)的可靠性試驗疊加的應力極易使裂紋加劇電容失效；

②焊接后的電路板在后續(xù)搬運過程中，如發(fā)生相互碰撞，比如電路板產生堆疊，也可能導致元器件損傷。

因此，針對這兩個薄弱環(huán)節(jié)，本文制定了相應措施：

①對全部表貼元件以成熟的回流焊工藝替代手工焊接；

②對焊接完成后的電路板采取保護措施，防止碰撞。

4 可靠性增長驗證與分析

由于熱像儀故障難以復現(xiàn)，為驗證上述措施的有效性，采用可靠性增長[13-14]的辦法來驗證?？煽啃栽鲩L是指通過不斷地消除產品在設計或制造中的薄弱環(huán)節(jié)，使產品可靠性隨時間而逐步提高的過程。

通常，可靠性增長的目標情況可由合同（或研制任務書）的規(guī)定值來確定。為了能高概率地通過可靠性鑒定試驗，可靠性增長的目標值應稍高于合同（或任務書）的規(guī)定值。記θ0為合同的規(guī)定值，θF為增長目標值，則它們的關系應如下式所示：

如果合同和研制任務書沒有具體規(guī)定，那么可綜合考慮同類產品國內外水平、產品固有可靠性、產品可靠性預計值以及產品增長潛力等各種因素來確定增長目標。

本次可靠性增長試驗采用的是完全落實了糾正措施的熱像儀，即這兩臺熱像儀的表貼元件均采用回流焊焊接，并在電路板流轉過程中加入了保護。這兩臺熱像儀經(jīng)歷了與前述兩臺樣機基本相同條件的檢驗試驗后，隨總體單位重新進行770 h 的可靠性試驗，該次試驗未發(fā)生任何責任故障并一次通過試驗，證明了糾正措施的可靠性。

此外，采用杜安模型[15]的理想增長曲線來評估此次試驗能達到的可靠性增長目標情況。杜安模型理想增長曲線如圖7所示，作為描述增長過程的總輪廓線，它根據(jù)所選增長模型及有關信息繪制而成。

圖7 杜安模型在線性坐標系中的增長曲線Fig.7 Growth curve of Duane model in linear coordinate system

杜安模型的理想增長曲線公式為：

式中：θF為可靠性增長的總目標；tF為達到總目標時的總累積試驗時間，又稱總試驗時間；θI為可靠性增長的初始水平；tI為第一試驗段的試驗時間；m為可靠性增長率。

杜安模型的理想增長曲線表征了產品的可靠性增長速度，其結果大小取決于許多因素。最初，杜安模型依據(jù)的航空發(fā)動機和液壓機械裝置的可靠性增長率約為0.5。后來，通過廣泛的可靠性增長試驗實踐表明，對新研制的復雜產品，可靠性增長率通常在0.3～0.6 之間。當其介于0.1～0.3 之間，表明失效糾正措施不太有力；當其介于0.6～0.7 之間，表明在實施增長試驗大綱過程中，采取了強有力的失效分析和糾正措施。在工程實踐中，可以采用下述各種途徑來確定可靠性增長率[15]：

①參考同類產品的可靠性增長經(jīng)驗；

②產品研制的成熟程度；

③可靠性增長的過程可簡單描述為“試驗-分析-再試驗-再分析-…”，即TAAF（test analysis and fix）。因此，試驗過程中，增長率與實驗過程中付出的努力程度成正比；

④借鑒有關經(jīng)驗。

此處，我們根據(jù)項目試驗經(jīng)驗取m＝0.4。

根據(jù)該熱像儀要求，在正樣機研制階段，其可靠性要求MTBF（平均無故障時間）大于等于2500 h，因此取θF＝2500 h。

改進前，熱像儀隨總體進行690 h 后出現(xiàn)故障，取初始水平θI＝690 h，第一階段試驗時間tI＝690 h。根據(jù)公式(7)可得達到總目標時的總累積試驗時間如下：

因此，為達到MTBF 2500 h 的增長目標，還需進行4807.9－690＝4117.9 h 的可靠性增長試驗。

而改進后，熱像儀隨總體進行770 h 后無故障，取初始水平θI′＝770 h，第一階段試驗時間tI′＝770 h。根據(jù)公式(7)可得達到總目標時的總累積試驗時間如下：

因此，為達到MTBF 2500 h 的增長目標，還需進行4078.4－770＝3308.4 h 的可靠性增長試驗。對比改進前后，達到增長目標所需的可靠性增長試驗時間縮短，這進一步證明糾正措施是有效的，可使熱像儀的可靠性有顯著增長。

5 結論

本文針對貼片電容C93 失效引起的紅外熱像儀故障，通過分析失效原因及建立任務可靠性模型，提出了相應的改進措施，并采用基于杜安模型的可靠性增長辦法來驗證所提措施的有效性。經(jīng)驗證，本文所提改進措施既滿足裝備試驗鑒定要求，又實現(xiàn)了熱像儀的可靠性增長和批量產品可靠性不降低的目標。雖然本文對熱像儀可靠性增長的研究具有一定的實際應用價值，但還仍需進一步深入研究。在今后的工作中，可基于目前科研項目的可靠性情況，著重進行研制階段樣機與小批量生產產品之間可靠性的分析和研究。