Bellcore可靠性预计法

Bellcore可靠性预计法

XXXX市XXXXXXX有限公司

1、 适用范围

这一方法得到的器件和单元的故障率预计值适用于商用电子产品，其设计、生产、安装和可靠性保障满足相应的贝尔（或等同的）术语规范和产品特殊要求。

这一方法无法直接用于预计一个非串联系统。然而，使用此方法得到的单元可靠性预计结果可以输入到系统可靠性模型中，以预计系统级的硬件可靠性指标。

2、 方法简介

Bellcore预计法包括三种常用的预计产品可靠性的方法，分别称为方法 I、II、III。 方法I：基于计数法的可靠性预计。这一方法可以用于器件或单元。 方法II：综合了方法I和从实验室得到的数据进行单元或器件级的可靠性预计。 方法III：在进行现场数据收集的基础上，进行在线服务的可靠性统计预计。 3 、 方法I：元器件计数法 （1）方法I 的三种情况

方法I 包括三种情况的温度和电应力情况：

情况1：单元/系统老化时间<=1小时，且无器件级老化的黑盒预计。器件假设工作在40℃的温度和50%的电应力下。

情况2：单元/系统老化时间>1小时，但没有器件级的老化的黑盒预计。器件假设工作在40 ℃的温度和50%的电应力下。

情况3：一般情况－所有其它的环境条件。这种情况用于供应商想要采用器件级老化的情况。这种情况也可用于当供应商或用户希望得到在除40 ℃和50%的电应力条件以外的情况下的可靠性预计结果时。以下称这些预计为“有限应力”预计。 （2）情况选择

这种方法用于第一年累积值和稳态可靠性预计计算中最简单的情况，即无老化、温度和电应力水平假设为40 ℃和50%。这样，上面所列的各种情况中情况1最简单。供应商之所以选择情况2的原因是情况2允许系统或单元通过老化减少早期阶段的故障率。情况3（一般情况）允许使用各种型式的老化来减少早期阶段的故障率。有限应力的情况，只能在情况3下处理，可以生成工作温度和电应力不等于40度和50%情况下更准确的预计结果。

一些供应商对成熟产品设计中的老化结果提出疑意，贝尔实验室通过一项研究，调研了成熟产品设计中相关的老化情况，其中包括三种类型的老化和无老化的情况。这一研究对生产周期的加快和如果消除老化，其它故障所带来的维护费用之间的权衡提供了参考。这一研究得出如下结论：对于一个成熟产品的设计，无需进行老化，而不进行老化在时间和材料上的节省将减少成熟产品的费用。

由于普遍认为进行有限应力预计和验证它的结果要花费更多的时间，所以当一个产品中只包含10个或更少的单元时，或当对可靠性预计的结果的准确度要求非常高时，更倾向于认为情况3是唯一的预计方法。 （3）方法I 的预计表格（见附表） 4、 方法II （1）一般要求

供应商必须提供所有的支持信息和元件计数法预计结果（见方法I）

除非表11－1中没有给出器件的一般故障率，方法II 只能用于质量等级为II和III的器件。对于表11－1中没有列出的质量等级为I 的器件，用户可以选择使用其它来源的故障率数据。 进行实验室试验的器件的质量等级必须是要进行预计的器件的典型的质量等级。 本章给出了确定需要多少器件和单元进行试验，器件和单元的试验时间，如何对器件进行试验等方法。在下面的原则中，实际时间是耗费的时钟时间，有效时间是实际时间乘以一个加速因子。其原则如下：

󰁹 器件或单元的实际试验时间至少为500小时，这样可以确保在一个合理的时间周期内观测到每一个项目－甚至对于高加速试验 󰁹 器件或单元有效试验时间至少为3000小时。

󰁹 选取合适的器件或单元数量，以便至少可以产生两个故障。另外，至少需要500个器件或50个单元。

󰁹 器件试验时需模拟实际现场工作环境，如湿度和压力等。

󰁹 应从大量产品中选取有代表性的样本进行试验，以确保试验结果的典型性。 用方法II 进行的器件统计预计法可以推广到以下的其它器件： 相同的类型/技术 相同的封装（如密封的） 同等的或更低的复杂度

在结构和设计上具有材料和技术的相似 （2）方法II预计法的几种情况

当采用方法II ，用试验室数据进行可靠性预计时，通常有四种情况： 󰁹 情况L1－器件进行试验室试验（器件未进行前期的老化）－表格9 󰁹 情况L2－单元经过试验室试验（单元/器件未进行前期的老化）－表10 󰁹 情况L3－器件试验室试验（器件进行了前期的老化）－表11 󰁹 情况L4－单元试验室试验（单元/器件进行过前期的老化），表12 （3）方法II 的表格（见附表）

5 、 方法III （1）方法III简介

Bellcore预计方法III主要是根据现场收集的可靠性数据对系统的故障率进行预计。根据所收集的数据类型的不同，它又包括三种不同的方法：方法IIIa、方法IIIb和方法IIIc。 方法IIIa：通过收集所要预计的产品（称为目标产品）的现场数据，直接对其故障率进行预计。 方法IIIb：通过收集相似产品（称为跟踪产品）的现场数据，对目标产品的器件、单元和子系统进行预计。

方法IIIc：通过收集跟踪目标产品的现场数据，对产品的单元和子系统进行预计（不包含器件） 跟踪产品与目标产品在设计、结构上应该是相似的，不同之处在于运行环境和条件不同。

（2）方法III 的步骤

步骤1、确定跟踪系统中的单元和器件的现场故障数(f)和全部工作时间(t)

T1和󰂆T2 步骤2、如果采用方法IIIb或IIIc，则要确定工作温度因子󰂆

步骤3、如果表11－1给出了利用方法I 预计单元可靠性所需的一般故障率数据，则按以下步骤

SS1 计算󰁒

SS1，除非用户有 （1）对于方法IIIa和IIIb：可以采用方法I中的情况1或情况3来计算󰁒

特殊要求。

SS1。 （2）对于方法IIIc：采用方法I中的情况3来计算󰁒

步骤4、当跟踪单元同目标单元不同时，并且表11－1给出了方法I 所需的一般故障率数据，则

SS2 计算󰁒

步骤5、计算修正值V：

1.0 方法IIIa V= 󰁒SS2󰁒SS1󰂆T2󰂆T1 方法IIIb 方法IIIc 步骤6、计算方法III 的故障率

󰁏SS3=

2󰁒SS1

2+f

+(V󰀈t󰀈10−9)

SS1，方法IIIa和方法IIIb的故障率预计值可以按下式计算： 如果无法获得󰁒

SS3= 󰁏

109󰀈U

t󰀈V

其中主要参数的含义和算法：

󰁒SS1－对于一个主单元，是指方法I 的稳态故障率预计值。对于一个主器件，是指方法I 的稳态

E。对于主系统： 故障率预计值乘以环境因子󰂆

SS1＝󰁒SS－对于一个主单元 󰁒

SS1＝󰁒SSi󰂆E－对于一个主器件 󰁒

󰁒SS2－对于一个被跟踪单元（当其与主单元不同时），是指采用方法I ，情况3预计的稳态故障

率：

SS2＝󰁒SS 󰁒

SS是采用方法I，情况3预计的被跟踪单元的稳态故障率。 其中󰁒

󰁏SSi－采用方法III 得到的第i个器件的故障率预计值 󰁏SS－采用方法III得到的单元故障率预计值

󰁏SS3－采用方法III得到的单元或器件级故障率预计值。

󰂆T1，󰂆T2－表11－7中的温度系数。对于器件，采用表11－1中的温度应力曲线；对于单元，采

用温度应力曲线7。（可差表获得）

U－观测到f个故障的情况下，置信度在95％以上的泊松分布变量。（可查表获得）

（注：以下表格下面的序号中，前面的序号为在本文中的编号，后面的序号是对应原文的编号。）

器件可靠性预计表

情况1或2--黑盒预计(50%应力,温度为40,无器件老化试验)

󰂆E= 器件 类型*

日期

器件编号

单元

电路符号

第 页共 页 生产厂家 质量因子

Qj) (󰂆

数量(Nj) 故障**率

Gj) (󰁒

整个器件

的故障率

Gj󰂆Qj) (Nj󰁒

合计

)(

)=

(f)

SS)=󰂆E󰀶Nj󰁒G󰂆Q=(总和=(󰁒

* 相似器件有着相同的故障率，基础器件数和质量因子可以综合并加入到一行中。器件描述应充分，以证实故障率的分配的正确性。

󰀉

󰁒** 故障率来自于表11－1。如果器件预计采用了方法II，就可以替代表9（Gj）中的故障率。

1表1 方法I－ 器件可靠性预计，情况1或2（表2）

单元可靠性预计表

情况1－黑盒预计（50%应力，温度为40℃，单元/系统的老化时间<1小时，无器件级老化）

单元名称

单元数量

日期 第 页共页 产品 Rev 生产厂家 维修级别 稳态故如单元

障率(见采用方表法II(见2)(FITs) 表10)

工厂级现场级其它 维修 维修

第一年

累积值

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

表2 方法I－单元可靠性预计,情况1(表3)

单元可靠性预计表

情况2--黑盒预计(50%应力，温度为40，无器件级老化，单元/系统级老化时间>1h)

日期 第 页共 页 产品 Rev 生产厂家

单元名称 单元数量 维修级别 工 厂级维修 现 场级维修 其 它

单元老化 温 度 Tb,u 加 速因子 Ab,u 时 间 tb,u 系统老化 温度 Tb,s 加速 因子 Ab,s 时间 tb,s 有效的老化 时间 te

te=Ab,utb,u+A第一年累积 值（表11－9） 󰂆FY

󰁒SS（表2）

󰁒SS 当单元采用

方法II时，由

SS 表12 󰁒

󰀉

注释

表3 方法I －单元可靠性预计，情况2（表4）

器件可靠性预计表

（一般情况3－包括有限应力）

器件类型 器件数量 电路符号

数量 Nj 通用故障率 󰁒Gj 质量因子 󰂆Qj 应力因子 󰂆Sj 温度因子 󰂆Tj 器件数量×器件故障率

(f)=(a)×(b)×(c)×(d)×(e) 器件老化 温度 Tb,d 加速因

日期 单元 (a) (b)

第 页共 页 生产厂家

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

子 Ab,d 时间 tb,d 单元老

化 温度 Tb,u 加速因子 Ab,u 时间 tb,u 系统老

化 温度 Tb,s 加速因子 Ab,s 时间 tb,s 早期寿命温度因子 Aop (o)=1000/[(d)×(e)]

(p)=(g)×(h)＋(i)×(j)＋(k)×(m) 有效老化时间:(p)/[(d)×(n)] (1) 当(q)󰂀(o) (r)=1 (2)当

(s)

(m)

(j)

(h)

(i)

(k)

(n)

(o)

(p)

(q)

(r) (q)󰁹(o)-8760 查表11-9中的(q)值 (r)=(s)/[(d)×(e)]

0.75

(r)

(t)

(3)否则，

查表11－9中的(p)值 (r)=[(t)-1]/[(d)×(e)]+1 (u)=(r)×(f)

(r) (u)

故障率由表11－9得到。当采用方法II时，采用表11的(p)

表4 方法I 器件可靠性预计一般情况

单元可靠性预计表

（一般情况－包括有限应力）

单元名称 单元数量 维修级别 工厂级维修

现场级维修 其它

由表5：(u)之和

由表5：(f)之和

日期

第 页共 页

产品 Rev 生产厂家

(u) (f) 环境因子 󰂆E 󰂆(f 󰁒E󰀈S 第一年累󰂆F 积值=(u)/(f)

󰀉如果单元󰁒S

采用了方法II，由表12得： 注释

表5 方法I－ 单元可靠性预计，一般情况（表6）

器件可靠性预计实验室数据表

器件类型 器件编 号 电路符 号 试验时(a) 间 Ta 实验室 试验 温度

(b) 加速因子 AL 有效试(c) 验时间 (c)＝(a)×(b) 日期 单元

情况L-1 器件实验室试验(无前期老化)

第 页共 页 生产厂家

Tl 试验的器件样本数 N0 出现的故障数 n

故障率 󰁒Gj 质量因子 󰂆Q

(d)

(e)

(f) (g)

10(1)(c)☯

,000

(h)=

4󰀈10−6󰀈(

(2)(c)>10,000

(h)=

3󰀈10−5+(i=[2/(f)](i) 基本故 障率 (j) (j)=[2+(e)]/(i) 󰀉󰁒G 备注

(h)

表6 方法II －器件可靠性预计,情况L-1(表9)

单元可靠性预计实验室数据表

情况L－2 单元实验室试验，无前期单元/器件老化

第 页共 页 生产厂家

器件类型 器件编号 维修级别

工厂级维修 现场级维修 其它 试验时间 Ta 实验室试验 温度

日期 单元

(a)

(b) 加速因子 AL 工作

温度

(c) 加速因子 有效试(e) 验时间 (e)＝(a)×(b) Tl (f) 出现的

故障数 n

(g) 稳态故

障率 󰁒SS (h) 环境因

子 󰂆E 故障率 (i) (i)=(g)/[(h)(c)] 󰁒G 单元试(j) 验样本数 N0 (1)(e)<10

,000

(k)

(k)=4󰀈(1

(2)(e)>10,000 (k)=3󰀈10(m)=[2/(i(m) 基本故 障率 (n) (p)=[2+(f)]/(m)

󰀉󰁒G 方法II的

(p) 稳态故

障率 (p)=(h)×(n)×(c) 󰀉󰁒SS 备注

表7 方法II－单元可靠性预计,情况L-2(表10)

器件可靠性预计实验室数据表

器件名称 器件编号 电路符号

故障率 󰁒Gj 质量因子 󰂆Q 器件老化

温度 Tb,d 加速因

日期 单元

情况L-3 器件实验室试验(器件已经过老化)

第 页共 页 生产厂家

(a) (b)

(c)

子 Ab,d (d) 时间 tb,d (e) 有效老

化时间 (c)×(d) te 实验室 试验 温度

(f) 加速因子

(g) 试验时间 工作 温度

(g) 加速因子

(h) 器件的

试验样本数 N0 出现的(i) 故障数 n

(j) 有效试

验时间 (j)＝(f)×(g) Tl (k)=(e)+((k) j)

重量因 子 W

(1)(k)☯10

,000 (m)

(m)=(k)0.2(2)(k)>10,000且(e)☯10,00

(m)=(k)/40(3)(e)>10,000

(m)=(j)/4

󰀈(h(n)

方法II的 稳态故(p) 障率 (p)=[2+(i)]/(n) 󰀉󰁒Gj 备注 (n)=[(2/

表8 方法II－器件可靠性预计,情况L-3(表11)

单元可靠性预计实验室数据表

器件名称 器件编号 维修级别: 工厂级维修 现场级维修 其它

日期 单元

情况L-4 器件实验室试验(器件已经过老化)

第 页共 页 生产厂家

单元老化 温度 Tb,u 加速因子 Ab,u 时间 tb,u 器件老化 󰀉Tb,d 有效老化时间

(a)

(a)=Ab,u

󰀉

tb,u+Tb,d te 实验室试验 温度 加速因子 AL 试验时间 Ta 有效试验时间 (d)=(b)×(c) Tl 出现的故障数 n

稳态故障率 󰁒SS 温度因子 环境因

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g) (h)

子 󰂆E 故障率 (i) (i)=(f)/[(g)×(h)] 󰁒G 单元试(j) 验的样本数 N0 (k) 输入

4󰀈10－6 (i)=(a)+((l) d) (1)(i)<10, 000 (m)=(i)0.25 (2)(i)>10,(m) 000且

(a)☯10,00

(m)=(i)/40(3)(a)>10,000

(m)=(d)/4

(n)=2/(i)(n) +(j)×(k)×(m) 基本故 障率 (o) (p)=[2+(e)]/(a) 󰀉󰁒G 方法II (p) 的稳态故障率 (q)=(h)×(p)×(g) 󰀉󰁒SS 备注

表9 方法II－器件可靠性预计,情况L-4(表12)

BELLCORE预计法附表

表11－1 器件故障率（1/16）

微处理器的等级和相应复杂度

微处理器 内部总线位宽 复杂度

（4004） 4-Bit 2,300 晶体管数 （8085） （8086） 29,000 晶体管数 （8088） 16-Bit 29,000 晶体管数 （80186） （80286） 16-Bit 134,000 晶体管数 （80386） 32-Bit 275,000 晶体管数 （80486） 32-Bit 1.2󰀈10 晶体管数 （Pentium 32-Bit 晶体管数 3.1󰀈10 ）

A级

B级 C级 D级 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级

表11-1 器件故障率(2/16)

器件类型

双极型 NMOS CMOS 故障率 温度应力

(表11-7)

21 6

22 6

23 6

29 6

33 6

39 6

42 6

故障率 温度应力

(表11-7)

27 8

29 8

30 8

39 8

45 8

52 8

58 8

故障率 温度应力

(表11-7)

15 8

15 8

15 8

17 8

18 8

19 8

20 8

数字集成电路 规模 标称值

1-20门 15

21-50 40

51-100 80

101-500 400

501-1000 800

1001-2000 1600

2001-3000

2500

3001-5000 4000

5001-7500 6500

7501-10000 9000

10001-15000 3000 15001-20000 8000 20001-30000 5000 30001-50000 40000

微处理器 规模 标称值

1-20门 15

21-50 40

51-100 80

101-500 400

501-1000 800

1001-2000 1600

2001-3000 2500

3001-5000 4000

5001-7500 6500

7501-10000 9000

10001-15000 13000 15001-20000 18000 20001-30000 25000 30001-50000 40000

47 6

52 6

56 6

61 6

65 6

70 6

77 6

10 6

11 6

11 6

14 6

16 6

19 6

21 6

24 6

26 6

28 6

31 6

33 6

36 6

40 6 65 21 8 8

73 22 8 8

79 23 8 8

86 24 8 8

93 25 8 8

100 26 8 8

110 27 8 8

31 15

8 8

33 15

8 8

35 15

8 8

50 17

8 8

60 18

8 8

75 19

8 8

86 20

8 8

100 21

8 8

117 22

8 8

130 23

8 8

147 24

8 8

1 25

8 8

183 26

8 8

213 27 8 8

1. 表11-1中所有的集成电路的故障率是在质量等级为II 级下的值,为区分密封和非密封两种情况,应采用不同的质量因子(见表11-4). 表11-1中给出的基本故障率适用于传统(过孔)和表面贴技术(见6.6章)

2. 故障率单位为10小时.

3. 门数为器件电路图中的逻辑门数 4. 微处理器包括与其相关的外围电路

9

表11-1 器件故障率(3/16)

故障率(表11-7)

模拟集成电路 规模

19 标称值

1-32 晶体管 20晶体管 9

33-90 33 9 70

91-170 46 9 150

171-260 52 9 200

261-360 62 300 9

74 361-470

9 450

471-590 81 550 9

90 591-720

9 700

721-860 95 800 9 器件类型

混合微电路 见表11-2

1. 表11-1中的故障率都是在质量等级II级(见11-4)下的值. 表11-1中给出的基本故障率适用于传统的(过孔)和表面贴工艺(见6.6章)

2. 故障率单位为10小时.

9

表11-1 器件故障率(4/16)

器件类型

双极型 NMOS CMOS 故障率 温度应力 (表11-7)

故障率 温度应力 (表11-7)

故障率 温度应力 (表11-7)

RAM

规模 标称值

1-320比特 256比特 静态

19 7

22 静态

15 9

17 静态

13 9

15

9 9 321-576 7

27 20 17 512

9 9 577-1120 7

34 24 20 1K

9 9 1121-2240 7

43 30 24 2K

9 9 2241-5000 6

55 37 29 4K

9 9 5001-11000 6

71 45 35 8K

9 9 11001-17000 6

92 57 42 16K

9 9 17001-38000 6

119 71 50 32K

9 8 38001-74000 6

155 88 61 K

8 8 74001-150,000 6

201 110 73 128K

8 8 150,001-300,000 6

261 138 88 256K

8 8 300,001-600,000 6

339 172 106 512K

8 8 600,001-1,200,000 6

441 215 128 1024K

8 8 1,200,001-2,400,000 6

573 268 155 2048K

8 8 2,400,001-4,800,000 6

4096K

规模 动态 动态

14 14 标称值

9 9 1-320比特

256比特 14 14

9 9 321-576 15 15 512

9 9 577-1120 16 16 1K

9 9 1121-2240 17 17 2K

9 9 2241-5000 19 19 4K

9 9 5001-11000 20 20 8K

9 9 11001-17000 22 22 16K

9 9 17001-38000 23 23 32K

8 8 38001-74000 25 25 K

74001-150,000 128K

150,001-300,000 256K

300,001-600,000 512K

600,001-1,200,000 1024K

1,200,001-2,400,000 2048K

2,400,001-4,800,000 4096K

4,800,001-9,600,000 8192K

9,600,001-19,200,000 16383K

19,200,001-38,400,000 32768K

8

27 8

30 8

32 8

34 8

37 8

40 8

43 8

47 8

8

27 8

30 8

32 8

34 8

37 8

40 8

43 8

47 8

注:1. 表11-1中所有的集成电路的故障率是在质量等级为II级情况下的值. 对于密封的和非 密封的其质量因子应取不同的值(见表11-4) 2. 故障率的单位为10小时

9

表11-1 器件故障率(5/16)

门阵列,可编程逻辑阵列(PAL)

1. 确定电路的数字部分所用的门数 2. 确定电路的模拟部分所用的晶体管数

3. 根据前两步确定的门数和晶体管数查数字IC和线性器件的故障率 4. 将第三步中确定的故障率求和

温度应力曲线: 一个数字IC的温度曲线是根据在第一步中确定的门数定的.

表11-1 器件故障率(6/16)

器件类型

双极型 NMOS CMOS 故障率 温度应力 (表11-7)

12 9

13 9

14 9

17 9

19 9

23 9

27 9

31 9

37 10

43 10

51 10

60 10

71 10

84 10

99 10

故障率 温度应力 故障率 温度应力 (表11-7) (表

11-7) ROMS,PROMS,EP

ROMS

规模 5 10 标称值 9 6

1-320比特 6 11 256比特 9 6

321-576 7 12

9 6 512

577-1120 10 14

9 6 1K

1121-2240 15 16

9 6 2K

2241-5000 24 19

9 6 4K

5001-11000 41 23

6 9 8K

11001-17000 69 27

9 6 16K

17001-38000 119 32

10 6 32K

38001-74000 207 38

6 10 K

74001-150,000 360 45

10 6 128K

150,001-300,000 628 53

10 6 256K

300,001-600,000 1096 63

10 6 512K

600,001-1,200,000 1912 75

10 6 1024K

1,200,001-2,400,000 3338

10 6 2048K

2,400,001-4,800,000 4096K

表11- 1 器件故障率(7/16)

器件类型

数字IC

模型 󰁒=7.45(G+100)0.221 =8.56(G+100)0.243 󰁒

=8.96(G+100)0.105 󰁒 󰁒=3.33(G+100)0.235 =6.32(G+100)0.332 󰁒

=8.96(G+100)0.105 󰁒 󰁒=24.68(B+100)0.378 󰁒=18.58(B+100)0.321 󰁒=16.27(B+0.25)0.271

=14.79(B+0.25)0.111 󰁒󰁒=14.79(B+0.25)0.111 󰁒=4.16(B+1)0.804 =11.35(B+0.25)0.248 󰁒

=13.75(B+0.25)0.237 󰁒󰁒=5.03(T)0.44 双极型

NMOS CMOS 微处理器 双极型 NMOS CMOS 静态RAM 双极型 NMOS CMOS 动态RAM NMOS CMOS

ROM/PROM/EPROM 双极型 NMOS CMOS 模拟IC

其中: -故障率 G-门数

B-千比特数 T-晶体管数

一个微控制器的故障率是通过微处理器及其包含的RAM的故障率的累加来得到的.

表11-1 器件故障率(8/16)

器件类型

光电器件 光纤激光模块 非受控环境 受控环境 光纤指示灯模块 非受控环境 受控环境 光纤检测模块 非受控环境 受控环境 光纤联结器 非受控环境 受控环境 WDM

非受控环境 受控环境 光隔离器 光过滤器 其它光器件

LED/LCD显示 光感电晶体 光电二极管 单一隔离器

光电二极管检测器

故障率 4500 4500 1100 240 1400 500 1100 180 1500 550 300 4500 3 60 15 10 15

温度应力(表11-7) 7 7 8 8 10 10 5 5 5 5 10 5 10 10 10 10 10

备注

见下面的说明 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上

光感电晶体检测器

光敏电阻

20 10 说明:本标准中,模块的定义为:一个包括光二极管/LED检测器和简易的电连接和光联结的小的电路单元.只有质量等级为III的光电器件才能用于主要的网络中.只有密封的光纤器件才能用于主要网络产品中的激光模块,LED模块和检测器模块.质量等级III 的影响已经包含在这里的故障率

E=2.0.非密封的和低质量的器件比采用表11-4中的器件质量因中.非受控环境的环境因子应取󰂆

子预计的器件具有更高的故障率.如果模块包含有其它电子器件或混合器件(如激光模块中的激光驱动和检测器模块中的放大器件),在此可以采用其它来源的故障率数据.另外,不同的供应商,其器件的故障率会显著不同.贝尔简易预计这些器件的可靠性时,采用现场和试验室数据作为补充.

表11-1 器件故障率(9/16)

器件类型

双重隔离器

光电二极管检测器

光电晶体管检测器

光敏电阻 数码管 󰁈

故障率

20 30 40 20 30 30 40 40 50 45 50 50 55 60 65 70

温度应力(表11-7) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

备注

1位字符 1位字符w/逻辑

2位字符 2位字符w/逻辑

3位字符 3位字符w/逻辑

4位字符 5位字符 6位字符

7位字符 8位字符 9位字符 10位字符

表11-1 器件故障率(10/16)

器件类型 晶体管 硅

NPN ☯0.6W

0.6-6W

>6W

PNP ☯0.6W

0.6-6W

>6W 锗

NPN ☯0.6W

0.6-6W

>6W

PNP ☯0.6W

0.6-6W

>6W

场效应 硅 线性

开关

高频

GaAs 低噪声

故障率

温度应力(表

11-7)

电应力(表11-6)

备注

4 6 10 4 6 10 60 90 150 20 30 55 40 20 170 100 700 180 1100 2200

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 7 7

E,E

cE,E cE,E

c

cE,E cE,E cE,E

cE,E cE,E cE,E

E E E E E E E E E E E

(☯100mW) 驱动器(☯100mW) 单结 微波

脉冲放大

连续波形

第一个曲线为工作功率/额定功率,第二个曲线为工作电压/额定电压.当同时采用这两个应力曲线时,也要相应考虑两个应力因子.例如,如果一个硅晶体管(NPN,0.6-6.0W)工作时功率P=40%,电压V=60%,电应力则为:0.8×13=1.04。

表11-1 器件故障率(11/16)

器件类型 二极管 硅

一般功能

<1 AMP

1-20 AMP

>20 AMP

微波检测

微波混频 锗

一般功能 <1

故障率

温度应力(表11-7) 4 4 4 3 3 8 8 8 8 8 3

电应力(表11-6)

备注

3 6 9 100 150 12 30 120 270 500 3

F,K F,K F,K F F F,K F,K

ccccc

AMP

1-20 AMP

>20AMP

微波检测

微波混频

电压整流 ☯0.5W 0.6-1.5W >1.5W 晶闸管 ☯1AMP >1AMP 变容,阶跃,隧道

变容,硅桥 变容,金属氧化物

6 9 12 25 20 10 10 3 3 4 4 3 3 3

F,K F F E E E F F H C C

c

第一个曲线为工作电流/额定电流,第二个曲线为工作电压/额定电压.当采用两个曲线时,也要相应考虑两个应力因子.

表11-1 器件故障率(12/16)

器件类型 电热调节器(热敏电阻器)

Bead-垫片式

Disk-圆盘式

Rod-棒式 Polymetric PositiveTemp.Coefficient(PPTC) Device

-多正极温度系数器件

固定电阻器(包括SMT)

合成电阻器:

故障率

温度应力(表11-7) 7 7 7 7 6 4 3 3 1 1 2 2 3 3

电应力(表11-6)

备注

☯1兆欧 >1兆欧 薄膜电阻器(碳,氧化物,金属) ☯1兆欧 >1兆欧 薄膜,电源电阻器(>1W) ☯1兆欧 >1兆欧 线绕 ,精密电阻器 ☯1兆欧 >1兆欧 线绕,电源,引线安装电阻器

4 10 15 10 1 4 0.5 3 3 7 16 41 10 10 D D C C A A C C D D

线绕,电源,底盘安装电阻器

表11-1 器件故障率(13/16)

器件类型 可变电阻器 非线绕 薄膜

故障率 25 40

☯200K OHM

>200K 35

50 OHM

低精密,碳

25

40

温度应力 3 3 4 4 4 4

电应力 B B B B A A

备注

☯200K OHM >200K OHM

精密 ☯200K OHM >200K OHM

Trimmer ☯200K OHM >200K OHM 线绕 高能 ☯5K OHM

>5K OHM

Leadscrew 精密 ☯100K OHM >100K OHM

半精密 ☯5K OHM

>5K OHM

电阻,网络,分立器件

电阻,网络,厚膜或薄膜

25 40 170 240 25 200 350 85 120 1 0.5 2 2 3 3 3 3 3 4 4 6 6

A A B B C A A C C

每个电阻 每个电阻

表11-1 器件故障率(14/16)

器件类型 电容器,分立器

件 固定 纸介 纸/塑料 塑料 云母 玻璃 陶瓷 固体密封胆电解

固体非密封胆电解

非固体胆电解

轴式铝电解

<400uf

400uf-12000uf >12000uf

有底盘的铝电解

故障率

温度应力(表11-7) 2 2 3 7 7 1 3 3 3 7 7 7 7 7 7 5 3 5 2

电应力(表11-6)

备注

10 10 1 1 1 1 1 5 7 15 25 40 40 75 105 10 8 3 25 J J J G G H G G G E E E E E E H J H I

<400uf

400uf-12000uf >12000uf

可变电容器 空气, 陶瓷

活塞,玻璃 真空 电容器网络

各电容器故障率之和

表11-1 器件故障率(15/16)

器件类型 感性元件 变压器 小功率脉冲

故障率 4 19

温度应力 3 3

电应力(表11-6)

备注

大功率脉冲

音频

电源(>1W) 射频 线圈

负载线圈 电源过滤器

固定射频 可变射频 连接器

一般功能,电源

同轴,电 同轴,光 多管脚 印制电路板

矩形 IC 插座 开关

按钮式 拨动或滑动式

旋转式 继电器

一般功能继电器

电流接触器

闩锁继电器

簧片继电器

双金属热继电器

水银温度继电器

固态继电器

转动设备 鼓风机设备

鼓风机马达

风扇设备(直径<6'')

7 19 30 7 19 0.5 1 5 0.5 100 0.2 0.2 0.2 0.2 10 10 15 70 270 70 50 50 50 25 2000 500 100 50

3 3 3 3 3 3 3 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 3 3 3 3 3 3 3

C C C C C C C C C C

每个管脚

每个管脚 每个管脚 每个管脚 每个管脚 每个管脚

每对加5 每对加5 每对加5

风扇马达<1/3 HP

开关的接触对数等于n×m，其中n等于电极数，m等于发射极数。例如，一个单一电极，双发射极（SPDT）有1×2＝2个接触对。

表11－1 器件故障率（16/16）

器件类型

可变器件

回旋装置 振动器 60Hz 120Hz 400Hz 陶瓷共振器 石英晶体 晶振

石英控制的 电压控制的 断路器

保护用断路器 电源开关用断路器 保险丝

☯30A >30A 灯

氖灯 白炽灯

5V DC 12V DC 48V DC 计量器

加热器（水晶炉） 微波器件 同轴波导 负载 衰减器

固定的 可变的 固定器件

方向连接器 固定Stubs Cavities 可变器件

故障率

50,000

15,000 20,000 40,000 25 25 60 60 170 1700 5 10 200

1400 4200 4300 300 1000 15 10 10 10 10 10

备注

调谐Stubs 调谐Cavities ferrite器件（传输） ferrite器件（接收） 热－电冷却器（<2W） 延迟线 电池

镍镉电池 锂电池 100 100 200 100 500 100 100 150

加热器的值来源于MIL－HDBK－217B 晶振是温度补偿型的。

表11-3 器件质量等级划分

质量等级0

这一级别是指那些经返工、修改、抢修的商用器件，在生产过程中没有进行质量认证、控制，主要的设备生产厂家或其设计或生产承包商没有建立一个有效的反馈和纠正措施系统。然而，为确保器件满足设计应用而采取了相应的步骤。

质量等级I：

这一级别是指商用的器件，其获得和使用没有经过设备生产厂家全面的器件质量认证和控制。但是,(a)为确保器件满足设计应用和生产过程而采取了相应的步骤，(b)建立了一个有效的信息反馈和纠正措施系统以快速的定位和解决生产和现场中的问题。

质量等级II：

这一级别的器件需满足等级I中的(a)和(b)，以及下面的要求：(c) 销售说明书中必须明确地说明器件主要特性（电特性、机械特性、热特性以及环境特性等）和可接受的质量等级（如：AQLs,DPMs等）(d) 器件或器件生产商必须是在优选器件或生产商清单上的(器件认证必须包括寿命和使用期限试验)(e) 质量控制：设备供应商或器件供应商必须进行了充分的AQLs/DPMs以确保持续的质量水平。

质量等级III：

这一级别的器件是指满足质量等级I和II中从(a)到(e)以及如下的要求的器件：(f) 器件系列必须要有周期性的重新质量认证(g),质量控制必须包括寿命周期早期的100％的筛选（温度循环或老化）可靠性控制，(h)必须进行老化筛选，且要明确可接受的缺陷数，并且不能超过2％，(i)器件或设备供应商必须进行持续的可靠性增长

aQ) 表11-4 器件质量因子(󰂆

质量等级 半导体器件(分立器件或集成电路) 所有其它器件 密封的 非密封的

0 6 6 6 I 3 3 3 II 1 1 1 III 0.9 0.9 0.9

S可以定为1.0. 表11-1描述了每一种器件适用的曲线,当没有给出曲线时,因子󰂆

应力百分比等于使用电压与额定电压之比乘以100.电流和功率的计算过程同此类似.不

同类型的单元的比率可以如下计算:

电容--- 使用的直流电压与交流峰值电压之和/额定电压 固定电阻--- 使用功率/额定功率 可变电阻--- Vin/全部阻值/额定功率

连接器,开关--- 接触电流/额定电流(根据不同的负载确定,如阻性,感性以及指示灯)

一般功用的晶闸管- 平均前向电流/额定前向电流

齐纳二极管-- 实际齐纳电流或功率/额定齐纳电流或功率 变容、阶跃、－ 实际耗散功率/额定功率 隧道二极管

晶体管－ 耗散功率/额定功率

表11－6中给出的应力因子是电应力对不同类型器件的影响和在任何特殊条件下的应力值的函数。当器件工作在一般工作条件下时，应力值是变化的，则采用应力的平均值。当器件的工作应力为两个时，则要考虑两个应力因子。

注：这里所说的“额定值”是指生产厂家在进行任何温度降额后的最大或最小值。

2

表11-5 应力等级的确定

S) 表11-6 应力因子(󰂆

应力

电子应力曲线 % ABCDEFGHIJK

10 0.8

0.7 0.6 0.5

0.4 0.3 0.2 0.2 0.2 0.1 1 20 0.8

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.3 0.3 0.2 1 30 0.9

0.8 0.8 0.7 0.6 0.6 0.5 0.4 0.4 0.3 1 40 0.9

0.9 0.9 0.8 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 1 50 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 60 1.1

1.1 1.1 1.2 1.3 1.3 1.4 1.5 1.6 1.8 1.1 70 1.1

1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2 2.3 2.5 3.3 1.1 80 1.2

1.3 1.5 1.8 2.1 2.4 2.9 3.4 4 5.9 1.2 90 1.3

1.4 1.7 2.1 2.6 3.2 4.1 5.2 6.3 10.6 1.3

注: 应力因子󰂆

S由下式给出: 󰂆S=em(p1

−p0)

其中:

P1----使用应力百分比 P0----参考应力(50%) m----调整参数

曲线 A B C D E F G I J K

M 0.006 0.009 0.013 0.019 0.024 0.029 0.035 0.041 0.046 0.059 0.006

对于曲线K,当p1<50%时,󰂆

S=1

表11-7 温度因子󰂆

T(1/2) 对于长期的故障率,请参见表11-1以确定适当的温度应力曲线.

工作温度应力曲线 环境温度

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 30

1 0.9 0.9 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.4 31

1 0.9 0.9 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 32

1 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.6 0.6 0.6 0.5 33

1 0.9 0.9 0.9 0.8 0.7 0.7 0.7 0.6 0.6 34

1 0.9 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.7 0.6 35

1 1 0.9 0.9 0.9 0.8 0.8 0.8 0.7 0.7 36

1 1 0.9 0.9 0.9 0.8 0.8 0.8 0.8 0.7 37

1 1 1 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.8 0.8 38

1 1 1 1 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.8 39

1 1 1 1 1 1 1 0.9 0.9 0.9 40 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 H 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 55 56 57 58 59 60 61 62 63 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1 1 1 1 1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1 1 1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.4 1.4 1 1 1.1 1.1 1.1 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.3 1.3 1.3 1.4 1.4 1.4 1.4 1.5 1.5 1.5 1.6 1.6 1.6 1.7 1 1.1 1.1 1.1 1.2 1.2 1.3 1.3 1.3 1.4 1.4 1.5 1.5 1.6 1.6 1.7 1.7 1.8 1.8 1.9 1.9 2 2 2.1 1 1.1 1.1 1.2 1.2 1.3 1.3 1.4 1.4 1.5 1.6 1.6 1.7 1.7 1.8 1.9 2 2 2.1 2.2 2.3 2.3 2.4 2.5 1 1.1 1.2 1.2 1.3 1.3 1.4 1.4 1.5 1.6 1.7 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.2 2.3 2.4 2.5 2.7 2.8 2.9 1.1 1.1 1.2 1.2 1.3 1.4 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.9 2 2.1 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.9 3 3.1 3.3 1.1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.2 2.3 2.4 2.6 2.8 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9 4.2 4.4 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.8 1.9 2.1 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.3 3.5 3.8 4.1 4.4 4.8 5.1 5.5 5.9 6.4

T(2/2) 表11-7 温度因子󰂆

工作温度应力曲线

环境温度

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1.1 1.2 1.4 1.7 2.2 2.6 3 3.4 4.7 6.8 65

3.7 70

4.5 75

5.4 80

6.5 85

7.7 90

9.2 95

11 100

13 105

15 110

18 115

21 120

24 125

28 130

32 135

37 140

42 145

48 150

当器件的工作环境温度变化不是很大时,一个温度读数就足够了.这种情况下,器件和包含这些器件的单元的工作环境温度就是在单元上的1/2英寸处空气探针的温度值.当器件工作环境温度变化范围很大时,就需要采用本文以外的方法,此时,就需要进行一次可靠性分析.

T由下式得到: 注: 温度因子󰂆

Es

k

[T10−1T1

]

T=e 󰂆

E) 表11-8 环境条件和累积因子(󰂆

环境类型

受控的地面固定

环境类型符号 GB

󰂆E 1

不受控的地面固定

GF

2

典型环境条件

环境应力接近为0的最佳工作和维护环境.典型的应用包括中心办公室,环境条件受控的地下室,环境条件受控的远端掩蔽所,以及环境条件受控的用户指定场所.

具有一些环境应力,有限的维护.典型的应用有: 远程终端,用户指定的有一定振动,冲击,温度或大气变化的场所 比GF条件更严酷,更多的冲击和振动.更多的维护且对操纵者易造成不良影响,典型的应用有:车载电话,便携式操作设备和试验设备.

车载地面(包括车载和便携)

GM

6

商业空运

AC

10

环境条件比GF更加恶劣,更严重的压力,

温度,冲击和振动.此外,相对GF对维护有更多的.典型的应用有:商业飞机中的旅客客舱

低的地球轨道,条件如AC,但没有任何的维护.典型的应用有商业通讯卫星.

商业空间

SC

15

FY) 表11-9 第一年累积值(󰂆

时间(小时) 累积值 时间(小时)

600-799 4 0-1

800-999 3.9 2

1000-1199 3.8 3-4

1200-1399 3.7 5-9

1400-1599 3.6 10-14

1600-1999 3.5 15-24

2000-2499 3.4 25-34

2500-2999 3.3 35-49

3000-3499 3.2 50-69

3500-3999 3.1 70-99

4000-4900 3 100-149

5000-5999 2.8 150-199

6000-6999 2.7 200-149

7000-10000 2.6 150-349

2.5 350-399

2.4 400-499

2.3 500-599

对于情况2:

单元/系统的黑盒选项,老化时间>1小时,无器件级老化.

累积值 2.2 2.1 2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.2 1.1 1

表11-10 计算机相关系统和子系统的典型故障率

设备 故障率(FITS)

时钟 5,900 显示器

141,000 彩显

81,000 单色

驱动器 CD-ROM 71,000 软驱 55,000

71,000 硬盘

107,000 磁带驱动器

以太网 24,000 IEEE总线(相关硬件) 14,000 键盘(101键) 23,000 Modem 42,000 个人电脑 450,000 电源 空中的 158,000

45,000 地面的

5,800 不间断UPS

打印机 点矩阵,低速 3,000

30,000 图形

170,000 高速

71,000 热

工作站 316,000

表11-11 可靠性转换因子

转换源 FITs FITs FITs FITs FITs

转换到 故障数/10小时

6

转换

10 FITs󰀈10 FITs󰀈

−4−3

%故障数/1000小时

%故障数/年或故障数/100个单元/年

%故障数/月或故障数/100单元/月 MTBF

FITs/1142

FITs/13700

故障数/10小时 6%故障数/1000小时 %故障数/年 或 故障数/100单元/年 %故障数/月 或 故障数/100单元/月 MTBF FITs FITs FITs FITs FITs 109hoursFITs 63故障数/10hrs.󰀈10 104 %故障数/1000hrs.󰀈%故障数/年×1142 %故障数/月×13,700 109MTBF