《电子元器件的可靠性》——1.2节质量观与可靠性概念

1.2　质量观与可靠性概念
1.2.1　当代质量观
质量是企业的生命线，质量管理是企业管理的主线，是永恒的主题。国内某著名企业的大门上贴出这样一副对联：“不抓质量的企业没有希望，不讲质量的产品没有市场”。这副对联的核心就是质量，只有名牌产品才能占领国内市场，才能跻身国际市场。创名牌一靠技术先进，二靠质量优良。战后的日本，为了振兴日本的民族工业，首先狠抓质量工作，进行了质量革命，走上了经济强国的道路，丢掉了劣等东洋货的帽子，打进国际市场，使日本经济很快复苏成为亚洲四小龙之一。
在1995年5月召开的美国质量管理协会年会上，美国的质量管理专家朱兰博士做了题为“未来的质量世纪”的报告，他对世界质量活动的发展过程进行了回顾和分析，认为20世纪是“生产率的世纪”，21世纪将是“质量的世纪”，人们将在“质量大堤下生活”。
我国政府主管部门强调每一个企事业单位一把手要转变观念，亲自抓质量工作。国防科工委在1995年下发的“关于加强军工产品质量工作的措施意见”中明确指出，各部门和研制生产单位的负责人，要有强烈的质量忧患意识，并且提出质量意识不强、考核不合格的不能当行政一把手。
早期所谈的质量属于外在质量，我们称它为传统的质量观，它单纯追求性能指标，着眼于缺陷的纠正，在管理上以“产品符合生产图纸和工艺规定要求”实施“检验”手段来保证产品质量。所以传统质量观只包括产品性能，不包括产品的可靠性等其他因素。
传统质量观对质量的解释最典型的是1992年在北京召开的国际可靠性年会上，一位美国专家所举的反例，他说：北京某厂生产的一百辆汽车，经检验合格出厂了，这就是质量，而这一百辆汽车自北京跑到上海，途中有几辆出了故障，这就是可靠性问题。
1991年国防科工委丁衡高同志提出了当代质量观的新概念，着眼于产品“长时期保持良好性能”和“最佳寿命周期费用”等附加要求。当代质量观追求产品的综合效能和缺陷的预防，其内涵是性能、可靠性、维修性、安全性、经济性、时间性及保障性，当代质量观使质量管理前伸后延，从产品研制的早期直至生产、使用，讲究管理的三全：全过程、全员、全方位。
当代质量观念认为系统可靠性RAMS（可靠性Reliability、可用性Availability、可维修性Maintainability和安全性Safety）和质量同属于产品的重要特性。产品的质量应该包括外部特征、技术指标、可靠性、经济性和安全性几个部分。外部特征有产品的商标名称、造型结构、尺寸重量、工作环境、电压和功耗等。技术指标是质量的一个最明显的项目，如工作带宽、放大倍数等，具体指标随产品种类而异。可靠性反映产品的寿命长短、使用维修情况、完成任务的能力大小，它是产品质量的重要指标之一，可靠性也是质量问题。
产品的技术性能与产品的可靠性都是通过产品的设计所赋予的，并且是通过制作过程中全面的质量管理来保证的，它们之间有着极为密切的关系。没有产品的技术指标，产品的可靠性就无从谈起。如果产品不可靠，容易出故障，尽管其技术性能很先进，却无用武之地，就会失去其使用价值；如果引起事故，造成危害，就更严重了。所以产品的基本技术及其可靠性是不可分割的。
但产品的可靠性和其技术性能又有不同，产品的技术性能指标是产品制成后交付使用前（即出厂时）的情况，出厂时生产者所关心的是废品率。可靠性是指产品在使用过程中的情况，它是时间的函数。使用者关心的是瞬时失效率。此外，产品的技术性能可通过具体的仪器设备测量出来，而可靠性是测量不出来的，它通过大量的分析试验，在调查研究等的基础上，对有关的可靠性数据进行统计评估而得到。它说明的是某一批产品（而不是某一个单个产品）的可靠性水平。
1.2.2　可靠性的定义
产品的可靠性是与许多因素有关的综合性质量指标，最早的可靠性定义是由美国AGREE在1957年的报告中提出的，1966年美国的MIL-STD-721B又给出了传统的或经典的可靠性定义，即产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它为世界各国的标准所引证，我国的GB 3187—1982给出的可靠性定义也与此相同。但在实际应用中，人们已经感到了上述定义的局限性，因为它只反映了成功完成任务的能力。于是，美国于1980年制定的MIL-STD-785B将可靠性定义分别为任务可靠性（Mission Reliability）和基本可靠性（Basic Reliability）两部分。任务可靠性是：产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。它反映了产品在执行任务时成功的概率，它只统计危及任务成功执行的致命故障。基本可靠性是：产品在规定条件下，无故障的持续时间或概率。它包括了全寿命周期内的全部故障，它能反映产品在维修人力和后勤保障等方面的要求。例如，MTBF、MCBF（平均故障间隔的使用次数）。把可靠性概念分为两种不同用途的可靠性概念，是对可靠性工作实践经验的总结和对这一问题认识的深化。这无疑是一个新的重要发展，我国1988年的军标GJB 450—1988就引用了这两种可靠性定义。
产品的可靠性可用其可靠度来衡量，在上述可靠性的定义中，包含以下因素。
对象：可靠性问题的研究对象是产品，它是泛指的，可以是元件、组件、零件、部件、机器、设备，甚至整个系统。研究可靠性问题时，首先明确对象，不仅要确定具体的产品，还应明确它的内容和性质。如果研究对象是一个系统，则不仅包括硬件，而且包括软件和人的判断与操作等因素，需要用人机系统的观点去观察和分析问题。
规定条件：研究对象的使用条件包括运输条件、储存条件、使用时的环境条件（如温度、压力、湿度、载荷、振动、腐蚀、磨损等）、使用方法、维修水平、操作水平，这些使用条件对其可靠性都有很大影响。对于电子元器件，“规定条件”主要指使用条件（包括使用的电压、电流和功率等）和环境条件（包括温度、湿度和气压等）。“规定条件”不同，元器件的可靠性也不同。例如，工作负荷较轻或不工作（储存状态）时，元器件就容易保持原有性能，而在恶劣环境（如高温、高湿）中或工作负荷较重时则易于变化。同一元器件在试验室、野外、海上、空中等不同的环境条件下及在不同的地带或地区（寒带或热带，干热地区或潮热地区），其可靠性是不同的。因此，谈及可靠性时必须明确其所处的环境和工作状态。
规定时间：与可靠性关系非常密切的是关于使用期限的规定，因为可靠度是一个有时间性的定义。对时间的要求一定要明确。时间可以是区间（0，t），也可以是区间（t1，t2）。有时对某些产品给出相当于时间的一些其他指标可能会更加明确，如汽车的可靠性可规定行驶里程（距离）；有些产品的可靠性则规定周期、次数等会更恰当，如继电器、开关和插头等。一般来说，元器件经过筛选后，随着使用或储存时间越长，可靠性越低，失效次数越多。因此，可靠性必须明确在多长时间内的可靠性，离开时间的可靠性将是无意义的。同一元器件因规定的时间不同，其可靠性也不同。
规定功能：研究可靠性要明确产品的规定功能的内容，一般来说，所谓“完成规定功能”是指在规定的使用条件下能维持所规定的正常工作而不失效（不发生故障），即研究对象能在规定的功能参数下正常运行。应注意，失效不一定仅仅指产品不能工作，在某些情况下，表面上，有些产品虽然还能工作，但由于其功能参数已经漂移到规定界限之外了，即不能按规定正常工作，也视为失效。要弄清该产品的功能是什么，其失效或故障（丧失规定功能）的判据。
概率：可靠度是可靠性的概率表示，把概念性的可靠性用具体的数学形式表示，这就是可靠性技术发展的出发点。因为用概率来定义可靠度后，对元件、组件、零件、部件、机器、设备、系统等产品的可靠程度的测定、比较、评价、选择等才有了共同的基础，对产品可靠性方面的质量管理才有了保证。
如上所述，讨论产品的可靠性问题时，必须明确对象、使用条件、使用期限、规定的功能等因素，而用概率来度量产品的可靠性时就表示产品的可靠度。可靠性定量表示的另一个特点是其随机性，因此，广泛采用概率论和数理统计方法来对产品的可靠性进行定量计算。
产品运行时的可靠性，称为工作可靠性（Operational Reliability）。它包含产品的制造和使用两方面的因素，且分别用固有可靠性和使用可靠性来反映。
固有可靠性（Inherent Reliability）：即在生产过程中已经确立的可靠性。它是产品内在的可靠性，是生产厂在模拟实际工作条件的标准环境下，对产品进行检查并给予保证的可靠性，它与产品的材料、设计、制造工艺及检验精度等有关。
使用可靠性（Use Reliability）：与产品的使用条件密切相关，它受到使用环境、操作水平、保养与维修等因素的影响。使用者的素质对使用可靠性影响很大。
对于实现维修制度的产品，一旦发生故障或失效，总是先修复再使用，因此，对于这类产品，不发生故障或可靠性好固然很重要，发生故障或失效后能迅速修复以维持良好而完善的状态也很重要。产品的这种易于维修的性能，通常称为产品的维修性。
维修性和维修度的提出，使得可靠性和可靠度又有广义和狭义之分。广义可靠性（Generalized Reliability）：是指产品在其整个寿命期限内完成规定功能的能力。它包括可靠性与维修性。由此可见，广义可靠性对于可能维修的产品和不能维修的产品有不同的意义，对于可能维修的产品来说，除了要考虑提高其可靠性外，还应考虑提高其维修性；而对于不可能维修的产品来说，由于不存在维修的问题，只考虑提高其可靠性即可。
与广义可靠性相对应，不发生故障的可靠度与排除故障的维修度合称狭义可靠度。
可靠性与维修性都是相对失效或故障而言，明确失效或故障的定义，研究失效或故障的类型和原因，对可靠性和维修性都有很重要的意义。
失效（Failure），对于可修复的产品，通常称为故障，其定义为产品丧失规定的功能。这个不仅指规定功能的完全丧失，还包括规定功能的降低等。
1.2.3　经济性和安全性
质量的经济性不仅指产品的生产费用，还应考虑产品的全寿命周期费用。经济性即我们常说的寿命周期成本（LCC），它与产品的质量和可靠性、安全性等是密切相关的，也属于现代质量观的范畴。全寿命周期是指产品从开发、研制、设计，到用户使用后报废所经历的时间。所以，除产品价格外，全寿命周期费用还应考虑使用时的维修费用。微电子器件是作为电子元器件在整机或系统中使用的，如果器件出现故障，整机需要维修。在整机的不同阶段（制造安装、调试、现场使用）更换一个器件所需要费用相差很大，有时甚至极其昂贵或不可能，这时选用高可靠性的微电子器件就显得很重要。器件可靠性的提高，涉及设计、生产、设备、测试、管理等许多环节，这会造成生产成本上升，而使用维修费用下降。产品的总费用与可靠性之间有一定的关系。关于产品，其可靠性也不是越高越好，而应从总的经济效果来看，同时还涉及产品所完成的任务、功能以及军事、政治等因素，应全面衡量，综合考虑。
产品的安全性是指在使用及运输过程中，不会引起使用者的生命伤害及财产损失。