LED第一讲可靠性基础知识-李老师

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失效率和失效率密度函数的用法和区别
失效率密度函数f(t)是所有产品在时刻t之后的时间间 隔Δ t内的失效的概率，在试验中，通常是隔一定时间进 行测试，判断是否失效。测量直接得到的是f(t)。 失效率λ(t)是在t 时刻后，还在工作的那些产品的失 效概率。
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失效率和失效率密度函数的用法和区别
λ(t) = Δn(t)/Δt [N - n(t)]
Δn(t) 是失效数，n(t) 是此前的失效总和
注意，总数已经减少了。
重要的常用的指数分布特性，这个概率是常数。
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失效率密度函数

失效率密度函数 f(t) = Δ/Δt × N 在时间间隔Δt 的失效数Δ与样品总数N
之比
f (t) = dF(t)/dt = - dR(t)/dt ，它表示在t 时刻的单位时间内 发生故障的概率

不同的元器件根据其特性，有与其参数有关的可靠性 因子。对电容而言是其电容量。电容量系数与电容量
有关，最常用的0.1uF瓷介电容，电容量系数是1.3。

安装方式与可靠性也有关，有引线通孔式SMT 的表贴
系数是1.0。
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SMD 瓷介电容基本失效率

基本失效率
与使用时的电应力和工作环境温度有关，
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李 熹 霖
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前
言
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可靠性的重要性
产品的重要指标 关系到使用者的安全和利益 关系到企业的生存和壮大 是负责任和有眼光的企业家必须关注的重要问
题
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我国LED 显示和应用产业的可靠性现状
已经有长足进步，显示屏的可靠性取得很大的
串联模式

任何一个组件失效都会导致系统故障 框图
R1(t) R2(t)) R3(t))


表达式
Rs (t) = R1(t)×R2(t)×R3(t)×‥‥
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串联模式

指数特性时总失效率等于各组件失效率之和 λs =λ1+λ2+λ3+‥‥ 相同组件串联 λs= nλ
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单片数字IC 的失效率计算

（按299C附录 A推荐公式和数据）
以MBI5026 CMOS逻辑加恒流源输出为例。
计算公式

C1，C2，C3 复杂度系数，取决于电路的门数，小于 200门的C1=0.1504，C2=0.0053

C3 封装复杂度系数，引脚数24的非密封扁平封装 C3=0.1194
对于不同的元器件，其电应力的含义不同，对电容S = 工作电压/额定电压，通常S 应小于0.3 。确定电应力 S和 环境温度 后可查表得到基本失效率值。例如，额定16V 的瓷介电容工作电压为5V，S= 1/3，在环境温度40 度时
的基本失效率。

λb= 0.0548 E-06
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进口电子元器件的失效率

任务剖面说明与产品特定使用过程有关的事件和条件。
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设备的可靠性模式和框图

寿命剖面描述产品从接收到退出使用期的所有事件和环
境

确定产品可靠性框图：表示设备各单元的互相依赖关系


确定计算产品可靠性的概率表达式（数学模型）
常用的方法有普通概率法、布尔真值表法、蒙特卡罗模 拟法
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失效率F (t)和失效率函数λ(t)

失效率：设备在规定环境下使用了t时间后，出现故障 的概率累计值 F(t)
显然，F(t) = 1-P(t)
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失效率F (t)和失效率函数λ(t)

失效率函数：工作了t 时间后，尚在工作的产品，在时 刻t 以后的Δt 时间失效的概率

在GJB299C中给出的LED 失效率数据非常高，为0.0104，而
在217F 中的数值0.00023，相差两个数量级，这反映六七年
前299C编制时国产LED水平。经过几年的发展，我国LED 芯片制造和封装迅速提高，还大量采用境外芯片进行封装，
产品总体水平已经达到国际先进水平，再采用299C 的方法
MTTR：mean time to repair 平均修复时间

Live time：寿命
这些都是统计值
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浴盆曲线

通常，电子设备和元器件在其生命周期内的失效率随
时间的变化呈现三个阶段，两头高中间低的形状，称
为浴盆曲线 。

初期失效率高称为早期失效期。 中间一段，失效率低且基本是常数，属于偶发失效期 随后进入耗损期，失效率迅速上升，设备或元器件的 寿命周期即将结束
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第一讲
可靠性基础知识
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可靠性定义
设备在规定环境下完成规定任务的能力，是
表示产品的功能在时间上的稳定程度或性质。

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可靠度及其计算
设备在规定环境下使用了t时间后，还能完成规定任务
的概率。
R(t) = P (T > t) 这里，T 产品出故障的时间 （寿命） t 工作时间 （期望时间） P 不出故障的概率
失效率密度函数f(t)的分布规律对于计算产品的可靠
性非常重要。最常见的指数分布规律，具有没有记忆性
的特点。其失效率λ(t)是一个常数。
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可靠性特征量

MTTF：mean time to failure 平均无故障时间


MTBF：mean time between failures平均故障间隔时间

GJB 299C-2007 在附录中规定采用进口元器件时按进 口器件数据进行可靠性计算。

国外使用最多的是MIL-HDBK-217F 标准。显示屏产业
有源器件基本都是进口的，因此我们采用上述两个标 准的公式和数据。无源器件则采用国产标准的公式和 数据。

GJB 299C-2007 中没有带状电缆及连接器的数据，同 样采用进口标准公式和数据

贮备设备失效率和工作设备失效率相同的是热贮备，
贮备设备失效率为0的为冷贮备。
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贮备（冗余）模式

在转换开关完全可靠的条件下，热贮备系统的数学模
型与并联系统相同。

在转换开关完全可靠的条件下，双机冷贮备系统的数 学模型为：
Ps(t)= (1+λt)e-λt
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关于软件的可靠性
用生产筛选的七专产品）、符合国标或部标生产的产
品、低档产品三类，如瓷介电容凡符合GB/T的产品， 质量系数均为1。凡不了解其生产厂的标准或未经认可 的产品均为低档产品，质量系数为6，甚至更大。

因此正规厂家生产的质量系数都定为1. 不能使用零星采 购的低档和山寨产品。
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SMD 瓷介电容 ----电容量系数和表面贴装系数
MBI5026其它应力系数

πQ 质量系数，进口器件工业级产品质量系数为1.0 πE 环境系数，F1 类为1.0


πL成熟度系数，凡符合标准，稳定生产的为1.0
πV电压应力系数，MOS 电路当3V≤VDD≤18V,
VSS≤8V 时 πV = 1.0
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LED 失效率 按MIL-HDBK-217F公式和数据计算
和数据显然不能反映当今大量使用的LED 的可靠性水平。为 此我们采用217F 的方法和基础数据。

鉴于LED可靠性对于LED应用的极端重要性，将在下一讲专
门讨论LED和LED显示应用产品的可靠性问题。
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浴盆曲线
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浴盆曲线

交付给用户的产品应该是处于偶发失效期的开始阶段， 并且提供该产品的偶发失效率或MTBF。

未经筛选的产品或筛选不充分的产品，必然增加维修费
用。

过分筛选也会影响使用寿命。 多数电子元器件在早期失效期和耗损失效期失效率是韦 伯分布，在偶发失效期是指数分布特性（泊松分布）。
提高
LED
显示屏迄今还没有让社会公认的可靠性
不仅我国LED显示屏企业，包括国外知名企业，
在一些重要的可靠性理论和数学模型方面，研
究也不够到位。还没有达到应有的水平。
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产品不能满足可靠性要求的原因
研制过程早期缺乏可靠性设计 不充分的较低层次试验 依靠预计而不是进行工程设计分析 缺乏对现成产品的工程分析 缺乏对提高可靠性的鼓励
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寿 命

可靠寿命是指产品的可靠度下降到指定程度的时间
R(t) = r

中位寿命是可靠度下降到50%的时间R(t)=0.5 平均寿命MTTF 或 MTBF是产品寿命的统计平均值 MTTF = [ΣT(i)N(i)]/M T(i) 失效时间，N(i) 失效样品数，M 样品总数
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并联模式

采用相同组件构成备份，只要有一个正常工作，系统就 能工作。
R(t))


表达式
Rs(t)= R (t) R (t) ‥‥ 指数特性时总失效率 λs = λ/N
R(t))
R(t))
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表决模式

N中取k表决系统，在各单元可靠性R相同，表决器完
全可靠的条件下，数学模型是：

SMD 瓷介电容
常用的是独石瓷介电容，用于IC 退耦
应用失效率是： 这里， 基本失效率 环境系数
质量系数
表面贴装系数
电容量系数
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SMD 瓷介电容 ----环境系数

环境系数我们遇到的环境条件包括 B 地面良好环境，有温度湿度调节，如机房
F1 一般地面固定安装
产品使用t时间后，发生失效的累计概率F(t)
显然 F(t) =1-P(t) F(t) 称为失效分布函数
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可靠度及其计算
概率R(t)和F(t)都是时间的函数，可通过失效数计算可靠
度函数。
R(t) = [N-n (t)]/N N 是样品总数，N足够大 n(t) 是到时刻 t 的失效总数
F2 地面固定安装，恶劣环境，如有高温高湿腐蚀气体等 Fm 地面平稳移动环境如公路上行进的车辆 不同的元器件不同条件下的πE不同，瓷介电容如下：
B F1 F2 Fm
1.0
2.4
4.8
4.85
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SMD 瓷介电容 ----质量系数

GJB299C-2007 规定的质量系数分为军品（包括专为军
寿 命

特征寿命是可靠度下降到e-1的时间 指数特性时，特征寿命=平均寿命MTBF=1/λ
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设备的可靠性模式和框图
GJB813-90及其附录规定了可靠性框图和模式的表示
方法标准规定。建立可靠性模型的步骤是：

定义产品：规定性能和失效判据，规定条件即环境和应
力条件，规定任务时间，定义可靠性变量。
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MBI5026温度应力系数πT

其值取决于电路的工艺和结温
Tj = Tc + Rθ(j-c)P
Rθ(j-c) 热阻，非密封扁平封装芯片热阻45º C/W P 功耗， Tc 管壳温度， 5026 包含恒流驱动电路，功耗较大。 查表，可得πT
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显示屏允许一定数量的盲点，严格的数学表示是这种模 式，但是实际上仅是允许万分之3~7，实际上可靠性的 提高很少。
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贮备（冗余）模式

一台设备处于工作状态，同时有n-1 台设备处于贮备状 态，用转换开关检测工作设备的失效，并能在工作设
备发生失效的瞬间，自动转向备用设备的系统为冗余
（贮备）系统。

软件的可靠性问题都是来自于软件设计的不够完善

大型软件是不可能全面周到无懈可击的。显示屏的软
件属于相对比较简单的，但也难免存在bug。

一些开机后加载到箱体或模组的软件，如果受到某种 干扰，引起误码或丢码，就会造成严重的系统故障， 甚至无法运行。

软件故障通常表现为低概率事件。
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常用电子元器件的应用失效率举例