目录
一、 可靠性基本内容....................................................................................................... 2
1. 什么是可靠性....................................................................................................... 2
2. 如何设计可靠性.................................................................................................... 2
3. 可靠性实验........................................................................................................... 3
二、 元器件可靠性.......................................................................................................... 4
1. 元器件概述........................................................................................................... 4
2. 元器件可靠性的基本概念...................................................................................... 4
3. 元器件的质量等级................................................................................................ 4
4. 元器件可靠性实验................................................................................................ 5
5. 破坏性物理实验分析（DPA）............................................................................... 8
6. 元器件的失效分析................................................................................................ 9
三、 虚拟维修............................................................................................................... 10
1. 虚拟现实技术...................................................................................................... 10
2. 虚拟维修............................................................................................................. 10
四、 软件可靠性............................................................................................................ 12
1. 软件可信性......................................................................................................... 12
2. 软件测试的作用.................................................................................................. 12
3. 软件测试公理（Axioms）.................................................................................... 13
4. 软件测试技术基础............................................................................................... 13
5. 软件可靠性测试的全寿命过程............................................................................. 14
五、 环境可靠性............................................................................................................ 15
1. 力学环境试验...................................................................................................... 15
2. 气候环境试验...................................................................................................... 15
3. 综合环境试验...................................................................................................... 16
一、 可靠性基本内容
1. 什么是可靠性
1) 可靠性的提出
可靠性问题的研究是因处理电子产品不可靠问题于第二次世界大战期间发展起来的，动车追尾、扶梯故障、产品召回，越来越多的事件把大家的视线汇聚到产品的可靠性，随着神舟九号的成功发射，可靠性这一概念更是深入广大民众。
高可靠性产品在保证生命财产安全方面有显而易见的优势，高可靠性的器件不仅能适应于复杂化、精密化的设计，还能大大降低维修费用从而提高经济效益，可以看出，可靠性这一概念提出是科技发展的结果，而且必将会越来越受关注。
2) 可靠性的概念
产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力即称为可靠性。
规定条件包括产品所处的环境条件(温度、湿度、压力、振动、冲击、尘埃、雨淋、日晒等)、使用条件(载荷大小和性质、操作者的技术水平等)、维修条件(维修方法、手段、设备和技术水平等)。在不同规定条件下，产品的可靠性是不同的。
规定时间是指产品的可靠性与使用时间的长短有密切关系，产品随着使用时间或储存时间的推移，性能逐渐劣化，可靠性降低，由此可见，可靠性是时间的函数。
产品不能完成预定功能的事件称为故障，故障的表现形式称为故障模式。可靠性是一门与故障作斗争的学科。
可靠性可分为基本可靠性与任务可靠性。基本可靠性反映了产品对维修保障费用的要求，确定其指标时应统计产品所有寿命单位；任务可靠性是产品完成规定功能的能力，确定其指标时仅考虑任务期间影响任务完成的故障。
3) 可靠性的度量
可靠性度量指标有可靠度、故障率、平均寿命、维修度和有效度等，常用度量参数包括MTTF(平均故障前时间)、MTBF(平均故障时间)。产品寿命分布函数主要包括指数分布、正态分布、对数正态分布和威布尔分布。
2. 如何设计可靠性
1) 可靠性设计的概念
可靠性设计是指对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、余度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。
可靠性设计一般由设计、分析评价、调整三部分构成。可靠性设计所要解决的问题就是如何从设计中入手来解决产品的可靠性，以改善对各个零部件可靠度（表示可靠性的概率）的要求。可靠度的分配是可靠性设计的核心。
2) 可靠性设计分类
可靠性设计以故障为核心，综合运用了各种方法。包括预防故障的设计、预防故障的分析，暴露故障的试验、预测故障的设计、预防故障的维修、诊断故障的设计、修复故障的维修、易修故障的设计、评估故障的方法、纠正故障的程序等分类。
3) 设计工具及技术
RMS-CAD是一款可靠性设计的常用软件，其包括了可靠性分配、可靠性预计、可靠性建模、故障树分析、事件树分析、事件框图，仿真建模等功能。
4) 虚拟现实技术
构建无实物或半实物的虚拟环境，用户可以借助必要的手段与虚拟环境中的物体进行交互，实现对真实环境的模仿，从而获得等同真实环境的感受和体验。虚拟现实技术应用于维修性工程领域，便形成了虚拟维修技术，根据其仿真方式可分为沉浸式与非沉浸式。
3. 可靠性实验
1) 可靠性试验的概念
可靠性试验是为了了解、评价、分析和提高产品的可靠性而进行的各种实验的总称。可靠性实验技术应考虑的三个主要因素包括实验条件、实验方案和故障判据。
2) 可靠性试验的分类
可靠性试验分类方法不一，根据实验目的，可将其分为模拟实验和激发试验。模拟试验包括可靠性增长试验、可靠性鉴定试验和可靠性验收试验等；激发试验包括加速应力试验、可靠性强化试验、应力寿命试验、加速寿命试验和高加速寿命试验等。
二、 元器件可靠性
1. 元器件概述
1) 元器件的定义
电子元器件是在电子线路或电子设备中执行电气、电子、电磁、机电和光电功能的基本单元，该基本单元可以由一个或多个零件组成，通常不破坏是不能将其分解的。
2) 元器件分类
元器件可分为元件和器件两大类。元件类包括电气元件、机电元件等；器件类包括半导体器件(包括：半导体分立器件、微电路等)、真空电子器件、光电器件等。
3) IC封装
电子封装是由晶片到元器件的一道工序，由元器件到产品系统称为电子组装，广义的电子封装包括由晶片到产品系统整个过程。
封装形式包括：双列直插式（DIP）、四边扁平式（QFP）、针栅阵列（PGA）、球栅阵列（BGA）、倒装芯片（FCHIP）、单列直插式（SIP）和小外形封装等。
2. 元器件可靠性的基本概念
元器件可靠性是指可靠性：产品在规定的时间内和规定的条件下，完成规定功能的能力。元器件可靠性包括两大类：固有可靠性与使用可靠性。
3. 元器件的质量等级
1) 元器件的质量等级概念
质量等级表征了元器件固有质量水平的主要指标。根据元器件固有质量水平的不同可分为不同的质量等级，不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。
2) 质量等级对产品可靠性的影响
金属膜电阻器的工作失效率
计算公式如下：
式中： 
─ 基本失效率；
─ 环境系数；
─ 质量系数；
─ 阻值系数。
设备的平均故障间隔时间MTBF：
式中： 
─设备的工作失效率（由元器件组成的各组件的工作失效率
…
相加）。
元器件质量等级高，其工作失效率就低，设备平均故障间隔时间MTBF就高。
3) 元器件的失效率等级
失效率是产品可靠性的一种基本参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品的故障总数与寿命单位总数之比。
4. 元器件可靠性实验
1) 可靠性试验的多种分类
? 环境条件：模拟实验、现场试验
? 实验项目：环境试验、寿命试验、加速试验、特殊试验
? 实验目的：可靠性增长试验、筛选试验、鉴定试验、验收试验
? 实验性质：破坏性试验、非破坏性试验
2) 元器件可靠性试验常用方法
? 环境试验 考察元器件在各种环境（振动、冲击、离心、温度、热冲击、湿热、盐雾、低气压等）条件下的适应能力。
? 寿命试验 研究元器件寿命特征的方法，这种方法可在试验室模拟各种使用条件来进行。在于了解元器件的寿命特征量、失效规律、失效率、平均寿命及在寿命试验过程中可能出现的失效模式，对元器件的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高元器件可靠性水平。
? 筛选试验 对元器件进行全数检验的非破坏性试验。目的为选择具有一定特性的元器件或剔除早期失效的元器件，以提高元器件整批使用可靠性。
? 现场使用试验 使用现场进行试验，评价元器件的可靠性试验计划、验证可靠性试验方法和评价试验的准确性，作用更大。
? 鉴定试验 根据抽样理论制定出的抽样方案，对元器件的可靠性水平进行评价而进行的试验。
3) 环境试验
环境试验概念：环境试验是将元器件等暴露在某种环境中，以此来评价元器件在实际工作环境中遇到的运输、储存、使用环境条件下的性能。
电子器件在使用过程中所遇到的主要环境条件有：
环境试验的分类
4) 可靠性筛选试验
① 可靠性筛选试验的目的、意义
可靠性筛选目的就是设法在一批元器件中剔除那些由于原材料、设备、工艺等 方面潜在的不良因素所造成的有缺陷元器件——早期失效元器件，而把具有一定特性的合格元器件挑选出来。一批元器件由于通过筛选剔除了早期失效的产品，就可提高该批产品的可靠性水平。
② 可靠性筛选试验的分类
按筛选性质可分为
? 检查筛选：显微镜检查筛选；红外线非破坏性检查筛选；x射线非破坏性检查筛选。
? 密封性筛选：液浸检漏筛选；氦质谱检漏筛选；放射性示踪检漏筛选；湿度试验筛选。
? 环境应力筛选：振动、冲击、离心加速度筛选；温度冲击筛选。
? 寿命筛选：高温储存筛选；功率老化筛选。
③ 常用的筛选方法
? 镜检筛选
? 红外线筛选
? X射线筛选
? 密封性筛选
? 高温储存筛选
? 功率老化筛选
? 温度循环和热冲击筛选
? 离心加速度筛选
? 监控振动和冲击
? 精密筛选
④ 补充筛选的局限性和风险性
必要时还会对元器件进行补充筛选，但筛选不可能将有缺陷的早期失效元器件编剧除掉，筛选虽能改善元器件的批质量但不能提高元器件的固有质量等级。筛选应力(包括电应力、热应力、机械应力和时间)的选取和操作失误或设备故障，将使筛选带来风险。
5) 元器件鉴定试验
① 鉴定试验
选择具有代表性的元器件产品，按照标准规定的程序，在规定条件下所做的一项或一组或多组试验，以验证元器件的设计是否与规定的质量和可靠性保证等级要求一致，并以此作为该元器件是否满足要求的评价依据。
② 鉴定试验的分类
技术鉴定、设计定型鉴定、生产定型鉴定
③ 鉴定试验工作程序
? 鉴定检验批组成
? 鉴定试验样品抽取
? 测试、试验项目及其条件
? 失效判据
? 允许失效数
? 试验数据处理和出具鉴定报告
? 失效报告与纠正措施报告
? 鉴定合格资格的维持
5. 破坏性物理实验分析（DPA）
1) DPA的定义
破坏性物理分析（Destructive Physical Analysis）简称为DPA，是为验证元器件的设计、结构、材料和制造质量是否满足预定用途或有关规范的要求，按元器件的生产批进行抽样，对元器件样品进行解剖，以及解剖前后进行一系列检验和分析的全过程。
2) DPA的作用
可以判定是否有可能产生危及使用并导致严重后果的元器件批质量问题。
3) DPA的一般要求（抽样）
① 关键过程(工艺)监控的抽样
② 交货检验或到货检验抽样
③ 超期复验抽样
④ 重新抽样
4) DPA试验方案
① 电子及电气元件类DPA试验项目
电阻器、电容器：外部目检、制样、制样镜检
继电器：外部目检、密封、PIND、内部水汽含量分析、内部检查
② 半导体器件应作的DPA试验项目
外部目检、X射线检查、颗粒碰撞噪声监测（PIND）、密封、内部水汽含量、开封、内部目检、键合强度、扫描电镜检验、芯片剪切强度
③ 塑料封装集成电路各DPA试验项目
外部目检、X射线检查、声学扫描显微镜检查、开封、内部目检、键合强度、扫描电镜检验、玻璃钝化层完整性检验
④ 片式电容的DPA实验方法和检查要求
外部目检、制样镜检
6. 元器件的失效分析
1) 目的：
① 为了寻找和分析失效元器件的失效部位和失效机理,确定失效原因。
② 为改进元器件的设计、工艺和使用方法提供依据;明确应采取的纠正措施，以提高元器件的可靠性。
③ 判断元器件的失效是否属于批次性质量问题,为整批报废提供决策依据。
2) 方法
从外部分析到内部，从非破坏分析到破坏性分析；包括外观检查、电测试、再使用光学、化学、机械、电子等技术分析方法。
三、 虚拟维修
1. 虚拟现实技术
1) 定义
虚拟现实是利用计算机技术、图形图像技术、工程CAD技术、领域技术构建无实物或半实物的虚拟环境，用户可以借助必要的手段与虚拟环境中的物体进行交互，实现对真实环境的模仿，从而获得等同真实环境的感受和体验。
2) 基本特性
交互interactive、沉浸immersion、想象imagination
3) 可靠性CAD工具软件
在可靠性CAD工具软件中采用逻辑树将可靠性测试过程简明的表达出来，整个软件中的核心内容为各种处理数据的算法，北航自行研制的可靠性CAD软件仍在不断的优化过程中。
2. 虚拟维修
1) 基本概念
虚拟维修是以虚拟现实技术为依托，在由计算机生成的、包含了产品数字样机与维修人员3D人体模型的虚拟场景中，为达一定的目的，通过驱动人体模型、或者采用人在回路的方式来完成整个维修过程仿真、生成虚拟的人机互动过程的综合性应用技术。
2) 较之传统方法的优势
缺点：分析评估滞后，更改困难；费用高；周期长
优点：设计阶段开展验证评估；节省费用；手段灵活
3) 仿真方式
① 沉浸式
操作者通过跟踪器、数据手套、立体眼镜等虚拟外设在虚拟环境中与虚拟实体进行交互。
支持维修性定性设计、定量计算、维修安全、维修人素分析等。
② 非沉浸式
虚拟维修平台：Jack Delmia
在3D虚拟环境中对维修任务进行操作仿真。
支持总体布局、维修性符合性检查、维修性定性定量设计、维修保障资源分析等。
4) 研究方向
① 已经开展
? 维修过程描述工具
? 基于虚拟维修的维修工作分析评价工具
? 手势识别、防止穿越、碰撞检测
? 场景逼真性的处理（数据转换、行为建模）
? 分布式虚拟维修仿真平台
? 基于人体动作采集技术的维修人素
② 将要开展
? 人素分析
? 虚拟维修协同交互仿真平台
? 沉浸式的虚拟维修应用系统（动作捕获）
? 增强现实虚拟维修应用系统
? 力反馈设备的研究应用
四、 软件可靠性
1. 软件可信性
软件可信性是针对软件的可靠性提出的概念，同样有“三个规定”的定义。
1) 相关研究方向：
? 围绕软件故障学开展一系列的基础研究工作（软件故障学包括：故障起因，故障预测，故障检测，故障定位，故障忍耐，等等）
? 对软件（特别是嵌入式软件）进行测试，提高和保证软件的可靠性
? 对软件的可靠性进行度量
? 为了对实时嵌入式软件进行软件测试，开发测试环境
? 研究软件可靠性测试及度量的技术
? 面向下一代复杂武器装备软件的可靠性试验、验证技术
2) 软件可靠性测试
软件可靠性测试全寿命过程包括测试准备、测试运行、测试结果分析三部分。测试准备过程包括对软件需求的分析、测试用例的生成、建立环境仿真模型、生成测试脚本等内容。测试结果分析与评估部分包括测试结果数据的获得、测试结果的分析、软件缺陷的评估结果等内容。
3) 软件测试工具
针对于软件测试各阶段分别有测试前的TCS，测试中的GESTE和测试后的SRET等测试分析软件。
2. 软件测试的作用
软件需求分析、设计与编码过程是引入错误的过程，而软件测试是排除软件错误的过程，软件测试的过程包括确定需求—设计—编码—测试—故障分类—故障隔离—排除—改正。
1) 软件测试对象
单元测试、集成测试、配置项测试、系统测试
2) 软件测试类型
功能测试、性能测试、强度测试、可靠性测试、安全性测试等
3) 软件测试技术
① 静态测试技术
静态测试是不执行程序代码而寻找文档，程序代码中可能存在的错误的过程。静态测试可以手工进行，也可以借助软件工具自动进行。
静态测试主要包括由人工进行的软件需求评审，软件设计评审，文档审查、代码审查以及主要由软件工具自动进行辅助静态分析。
② 动态测试技术
动态测试是在抽样测试数据上执行程序并分析输出以发现错误的过程。根据测试理论,如果抽样测试数据满足一定要求，通过测试可以发现程序中大多数错误，并且可以评估程序的质量(正确性,可靠性等)。
动态测试包括三部分核心内容：生成测试数据，执行程序与验证程序的输出结果。
动态测试基于测试用例选取原则分为黑盒测试与白盒测试，白盒测试是基于结构的测试，黑盒测试是基于需求（规格说明）的测试。
3. 软件测试公理（Axioms）
一、测试只能证明错误的存在，而不能表明程序中没有错误。
二、测试的两个作用是：确定程序中缺陷的存在；有助于判断该程序在实际上是否可用。
三、软件测试最困难的问题之一是知道何时停止测试(When to stop testing? )
四、自己测试自己的程序是不可能的。
五、当一个软件被测出的缺陷数目增加时，更多的未被发现的缺陷存在的概率也随之增加。
六、一个好的测试用例应当是一个对以前未被发现的缺陷有高发现率的用例，而不是一个表明程序工作正确的用例。
七、要对有效的和无效的输入状况写测试用例。（测试用例要兼顾有效与无效的输入）
八、每个测试用例必备的部分是描述预期的输出。
九、像做其它事情一样，测试在其一开始就必须要有一个目标。
4. 软件测试技术基础
1) 软件测试基本概念
使用人工或自动手段来运行或测定某个系统的过程，其目的在于检验它是否满足规定的需求，或是确认预期结果与实际结果之间的差别。
软件需求分析、设计与编码过程是引入错误的过程，而软件测试是排除软件错误的过程。
2) 软件测试基本技术
? 测试对象：单元测试、集成测试、配置项测试、系统测试
? 测试类型：功能测试、性能测试、强度测试、可靠性测试、安全性测试…
? 静态测试技术
静态测试是不执行程序代码而寻找文档，程序代码中可能存在的错误的过程。
? 动态测试技术
动态测试是在抽样测试数据上执行程序并分析输出以发现错误的过程。动态测试包括三部分核心内容：生成测试数据，执行程序与验证程序的输出结果。
5. 软件可靠性测试的全寿命过程
1) 定义
在测试准备阶段，根据软件需求生成测试用例，建立交联环境仿真模型；在测试运行阶段，不断测试数据、测试结果数据；在测试结果分析与评估阶段，根据测试运行阶段输送的运行结果，进行分析，查找软件缺陷，并进行可靠性评估。
2) 测试工具、设备简介
可提供的测试解决方案
① 一个平台，两个工具
测试前－软件可靠性测试设计工具TCS
测试中－通用嵌入式软件仿真测试平台GESTE
测试后－软件可靠性评估工具SRET
② 全方位、全过程的解决方案
? 可提供的产品或工具-TCS
? 可提供的产品或工具-GESTE
? 可提供的产品或工具-SRET
五、 环境可靠性
1) 可靠性鉴定试验与环境合格鉴定试验
环境试验是可靠性试验的基础和前提。
环境合格鉴定试验的目的在于确定产品对环境的适应性，确定产品耐环境设计是否符合要求，环境应力涉及产品整个寿命周期，基本上采用产品在贮存、运输和工作中可能遇到的最极端的环境作为实验条件；可靠性鉴定试验的目的在于定量鉴定产品的可靠性，确定产品可靠性是否符合阶段目标要求，环境应力仅考虑使用寿命期，环境应力选用真实模拟使用中遇到的主要环境条件及其动态变化过程及任务的相互比例。
环境可靠性试验分为力学环境试验、气候环境试验、综合环境试验三类。
1. 力学环境试验
1) 振动
振动依环境分类可分为确定性振动和随机振动。产品有振动引起的失效类型包括功能失效及结构损坏失效。
振动试验最基本要素为：频率、加速度、振幅、方向、持续时间。
确定性振动包括正弦振动和扫描振动，常用于共振频率搜索、针对存在多个振点的震动环境进行耐震的试验等。随机试验是比较接近于实际环境可能存在的振动类型的方法，随机振动常应用于模拟振动环境，以考核试验样品在实际振动环境中的性能、进行可靠性筛选等任务。
2) 机械冲击
机械冲击根据冲击波形可分为半正弦波冲击、三角波冲击、梯形波冲击等。冲击常发生于颠簸，撞击、跌落等情况，机械冲击试验考察的是样品的抗冲击能力，结构强度等指标。
3) 碰撞
碰撞原理与机械冲击相同，但碰撞的加速度一般比机械冲击要小，试验中碰撞次数一般为几百至几千次，而冲击一般几次至几十次。
4) 稳态加速度（离心加速度、恒定加速度）
稳态加速度试验的要素包括加速度、方向、持续时间。主要应用于考察元件内部结构的强度、牢固度和元件密封性能。
2. 气候环境试验
1) 湿热试验
? 湿热试验概述：湿热试验是一种人工模拟自然湿热环境的加速试验方法。其目的在于确定在湿热环境下产品的适应能力。
? 湿热试验作用机理：在湿热试验条件下受试产品的各种劣化效应往往是受产品表面受潮和体积受潮两种现象所造成的。湿热试验中的几种典型物理现象包括：凝露、吸附、吸收、扩散、呼吸。
? 湿热试验中的人工模拟加速：为了为在短期内重现湿热环境的影响，可通过提高温度加快受潮速度、提高相对湿度加强吸潮效应、增加温湿度交替升降的频率来加速试验。
2) 霉菌试验
? 霉菌试验的定义：霉菌试验是气候环境试验的一个项目，用于考核产品或材料抵抗霉菌侵袭的能力。
? 长霉造成的故障模式：引起电子或电气设备失灵、降低绝缘材料的电性能、造成燃油系统的腐蚀和堵塞、破坏密封、使金属件腐蚀、使玻璃产生蚀刻。
? 霉菌试验的分类： 霉菌试验可分为天然暴露试验和试验室人工加速试验。
? 霉菌试验的应用对象：霉菌试验是作为鉴定产品抵抗霉菌侵害能力的一种手段。对于在湿热环境条件下贮存、运输和使用的设备，通过试验，能够确定其抗霉能力以及长霉程度，为产品的选材、结构设计提供依据。
3) 其他常用气候环境试验
? 低温试验
? 高温试验
? 恒定温湿度试验
? 温湿度循环试验
? 温度变化试验（温度快速变化实验、温度冲击试验）
? 湿度循环试验
? 盐雾试验
3. 综合环境试验
1) 三综合试验系统
三综合试验系统由振动台、气候箱、控制系统及辅助设备组成，通过该系统可对试验样品综合施加振动、温度和湿度三种因素，研究其失效情况。
① 结构
气候箱：气候箱的作用在于保证实验的温度湿度条件，包括温度湿度调制区和工作区，温度湿度调制区安装有风扇、加热丝、蒸发器、液氮雾化器、加湿器、除湿器、温度传感器及湿度传感器。
振动系统：振动系统包括加速度计、电荷放大器、振动控制系统、功率放大器和振动台部分。
② 主要指标
其主要指标包括试验箱容积、温度范围、温度变化速率、湿度范围、振动台台面、振动台频率范围、振动类型、额定推力、控制精度等。