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如何测试MTBF?

2023-10-20
1366 作者: NTEK北测检测集团
本文关键词:
什么是MTBF?
MTBF:即平均无故障寿命时间
英文全称:Mean Time Between Failure
测试目的:衡量一个产品(尤其是电器产品)的可靠性指标

单位:通常以小时为单位,如:Ec. 5000000 hours


如何测试MTBF?


MTBF测试方法
MTBF预测法
MTBF预测法是通过在模拟测试软件PCT中输入各种影响因素参数,以笔记本电脑(主板)举例,输入测试条件:计算标准(Calculate standard),计算方法(Calculate Method),温度(Temperature),环境(Environment ),部件质量(Component Quality)等,由软件根据查询数据库中产品各参数进行模拟建模并计算出MTBF值,这是一个预估值。
可靠性预测法参考标准:
MIL-HDBK-217 《电子设备可靠性预计手册》
说明:美国国防部可靠性分析中心及Rome实验室提出并成为行业标准
GJB/Z 299B 《电子设备可靠性预计手册》
说明:我国军用标准
Bellcore SR-332 《电子设备可靠性预计程序》

说明:AT&TBell实验室提出并成为商用电子产品MTBF值计算的行业标准


MTBF实验法
MTBF实验法分为三种:
1、全寿命试验:全寿命试验要求所有样品都在试验中最终都失效,只需要采用简单的算术平均值就可以计算出MTBF;
2、截尾贯序试验:在试验期间,对受试设备进行连续地或短间隔地监测并将累积的相关试验时间和相关失效数与确定是否接收、拒收或继续试验的判据进行比较;
3、定时或定数截尾试验:在试验期间对受试设备进行连续地或短间隔地监测,累积相关试验时间直至或超过预定的相关试验时间(接收)或发生了预定的相关失效数(拒收)。

注:在实际中,所有待测样品在测试过程中都会失效,特别是对可靠性水平高的产品,测试时间可能是几年、十年甚至几百年,所以这种方法只能用于使用寿命较短的产品。


MTBF测试


可靠性试验法的标准参考:
GB/T 5080.7-1986 《设备可靠性试验 恒定失效率假设的有效性检验》
GB/T 9813.1-2016 5.9 《计算机通用规范 第1部分:台式微型计算机 可靠性试验》
GB/T 9813.2-2016 5.9 《计算机通用规范 第2部分:便携式微型计算机 可靠性试验》
GB/T 14081-2010 5.9 《信息处理用键盘通用规范 可靠性试验》

GB/T 18220-2012 5.17 《信息技术手持式信息处理设备通用规范可靠性及寿命试验》


MTBF加速法
在企业生产制造过程中,出厂前需要了解产品的可靠性,评估产品的售后风险,这种情况用我们传统的MTBF计算方式显然不行,因为等我们产品实际MTBF测试值出来后,产品差不多已经到淘汰或者更新换代了,得到的测试数值已经意义不大,这时候就需要我们用其他方法模拟并计算出产品MTBF值,如:MTBF加速法
MTBF加速法是在实验室中以加速寿命试验的方法,在可接受的试验时间里,不破坏产品原有设计特性的情况下评估产品的MTBF值,影响电子产品的加速因子主要包括:温度、湿度、电阻、电压等。
加速法测试标准参考:

GB/T 34986-2017 《产品加速试验方法》


MTBF加速法案例
以上海某医疗器械公司某监测仪为例,介绍加速寿命试验的开展过程。
Step1.根据产品特点确定评价路径
功能单一,选择整机验证。
Step 2.确定样品数量
整机3台。
Step 3.给定预期使用期限和置信度
预期使用期限10年,置信度99%。产品预期使用期限10年,计划用平均无故障时间来模拟产品的预期使用寿命,即MTBF=10年=87600h
Step 4.确定临床使用模式
某监测仪使用阶段有三种模式,分别为贮存模式、待机模式和工作模式。
Step 5.确定临床使用应力剖面
考虑到某监测仪用于手术前对患者的监测,临床使用应力主要为温度和湿度。产品的使用温湿度为25℃,60%RH;
Step 6.确定应力大小
产品的最高耐受温湿度为:
贮存模式最高耐受温湿度:60℃  93%RH
待机模式最高耐受温湿度:55℃  85%RH
工作模式最高耐受温湿度:45℃  85%RH
为避免产品在过高温度下损坏,且避免因温度变化引入更多的变量,计划采用恒定45℃,85%RH为试验温湿度。
Step 7.选择失效模型
根据临床使用应力剖面,参考D.S.Peck提出的温度和湿度应力的加速模型:Peck模型
Step 8.根据文献资料确定模型中系数数值
查阅Telcordia SR-332 2016版电子产品可靠性预计标准,确定系数Ea取1.0eV,n取2.66。

Step 9.计算加速因子

加速模型:

其中,n取2.66,Ea取1.0eV
计算加速系数AF=2.525*11.607=29.3
Step 10.确定加速试验时间
置信度为99%,查正态分布表得Z=2.58
累计试验时间Ttot=MTBF*Z/AF=87600*2.58/29.3=7714h;
设置10%的裕度,则总测试时间为Ttot=8485h。
提供3台样机进行试验,假设样品未出现故障,每台设备都完成了整个试验周期,则每台样机需要测试时间T=8485/3=2828h=117.8天。
Step 11.应力施加
产品实际使用中,每周使用7天,每天使用5小时,待机3小时,其余时间为贮存时间;
为模拟产品实际使用情况,以24h为周期对产品施加工作应力,每24h循环中先连续工作5h,然后待机3h,最后贮存16h。
Step 12.结论

3台样机在45℃,85%RH环境下以第5节中规定的方式施加工作应力,若持续试验117.8天无故障,则认为产品的MTBF値下限为10年(其中裕度10%)。


MTBF测试


由以上各方法总结出,定时截尾试验、序贯试验等方法虽然非常有用,但试验时间太过漫长,尤其是在产品可靠性水平特别高的情况下。
在实际生产中,为了缩短产品上市时间,降低产品成本,满足人们对经济高效加速试验方法的需求,加速试验方法更为有效的解决了问题。该方法通过提高产品试验的应力水平或者增大交变应力施加的频度而缩短试验时间,并发现和减少产品的失效模式,以便快速评估产品的可靠性水平并使其得到增长。

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