从浴盆曲线浅谈产品可靠性

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-07-11  来源:SMA艾思玛新能源  浏览次数:104
核心提示:当客户在选择购买一个产品(逆变器)时,都会关心产品的质量怎么样?运行可靠吗?每个客户当然都希望能购买到性能始终良好的产品,使用生命周期成本为零,产品从到货直到报废前都100%的使用可靠,这也是每个设计师和制造商的目标。

导读
当客户在选择购买一个产品(逆变器)时,都会关心产品的质量怎么样?运行可靠吗?每个客户当然都希望能购买到性能始终良好的产品,使用生命周期成本为零,产品从到货直到报废前都100%的使用可靠,这也是每个设计师和制造商的目标。但任何产品都逃脱不了其寿命周期(就如人从出生到死亡的过程),所有的产品也都会随着时间的变化,而产生出不同的失效机理,通常随着时间推移产生的故障率曲线呈现两端高中间低形似浴盆,俗称“浴盆曲线”。但是这条曲线的变化趋势通过我们的设计和质量管理是可以改变的。那到底高质量和高可靠性的产品是怎么做出来的呢?就让我们从这条曲线开始了解吧!

从上面的这条浴盆曲线,能清楚的看到大部分产品的失效概率都分为三个阶段:早期故障期,偶然失效期(使用寿命),损耗故障期。但是如果产品故障率的三段式浴盆曲线全部在客户端使用过程中表现出来,这将是设计者与制造商所不愿看到的,同时也是客户对产品产生不满意和抱怨的根源所在,因此可靠性的工作目标就是为了改变这条浴盆曲线的趋势和故障发生的阶段,可靠性工程的所有方法都是围绕改造浴盆曲线形成而展开的各种技术性设计、分析及测试。(什么叫“可靠性工程”?可靠性工程是研究产品缺陷或故障的发生和发展的规律,进而解决缺陷以及故障的预防和纠正,从而使故障或缺陷不发生或尽可能的少发生)。具体表现如下三部分:
①减少并消除早期故障出现在客户端。
②延长偶然故障期并尽量降低偶然故障,同时可通过完善预防和维修减少偶然故障。
③把浴盆曲线改造成一条近似直线形状且故障尽量低的理想曲线,延缓故障率的增加。

SMA中国是怎么运用可靠性工程来改变浴盆曲线的三个阶段?
因为SMA中国有完善的可靠性管理体系,产品从研发开始的全生命周期里建立了一套行之有效的分析和纠正措施制度追踪系统。并运用了可靠性概率统计、可靠性设计和改善、可靠性建模与预测、可靠性试验与复现、数据收集分析等手段,使SMA中国的产品可靠性增长过程进行有效管理。如果发生故障,处理方式如下:
①从技术层面开展五归零工作,即准确定位,机理清楚,问题复现,措施有效和举一反三。
②从管理层面开展五归零工作,即过程清楚,责任明确,措施落实,严肃处理和完善规章。

SMA中国的产品在生命周期的每个阶段都有不同的可靠性方法。简述如下:

A. 早期故障期的预防:
什么是早期故障?就是产品在投入使用的初期,产品出现的故障。其原因主要是设计与制造中的缺陷,如设计不当,材料缺陷,加工缺陷,安装调整不当等导致产品在投入使用后很短时间出现故障的情况。
SMA中国如何通过可靠性工程试验,对我们逆变器产品的设计,工艺,元器件等缺陷的早期失效进行预防。
①从电路的设计及元器件的选型开始,对导入的毎一颗器件首先确保性能参数满足设计要求,然后再严格按照进料体系标准进行可靠性试验,筛选出优质的元器件及供应商。
②对生产过程中每步工艺,我们都有对应的可靠性试验来检验其有效性和完整性,如PCBA的过锡炉焊接性,各零部件的组装工艺我们都会通过温度冲击试验:85℃&RH85%试验、机械振动和冲击等试验方法来进行筛选。
③基于母公司——SMA 在逆变器行业有着30多年丰富的设计和制造经验,通过其在全球范围内收集的强大的逆变器运行数据库,设计出最合适的环境应力筛选试验(如高温应力,低温应力,高温高湿应力,温湿度循环应力,循环盐雾试验,模拟太阳辐射试验等),可靠性研制试验以及可靠性增长试验等,下面介绍其中几个应力筛选实验。

⑴ 振动和冲击试验
为了适应各种交通运输环境中抗振能力和受冲击的抵抗能力验证。我们选用了2M2的运输标准等级,进行振动和冲击试验,试验中按标准的要求三轴(X,Y,Z)方向都需要进行验证,试验后对结构件、连接器、PCBA板零件等,通过各种手段(放大镜,X-ray,Hi-pot, ATE的功能测试)对器件逐个检查,筛选出设计、材料、工艺等所有方面的缺陷:
a、结构损坏:如结构变形、产品裂纹或断裂;
b、材料异常: 如连接器接触不良、继电器损坏,电容及半导体器件管脚断裂等;
c、工艺不良:如螺钉或连接件松动、脱焊。

⑵ 盐雾循环试验
由于逆变器会安装在海边环境中,为了保证逆变器能在这样高湿度及含盐度较高的环境下可靠的长期运行,我们设计了循环盐雾试验,2小时喷雾22小时的高温高湿储存试验,长时间测试。
实验用于金属及其合金、金属覆盖层、有机覆盖层、阳极氧化膜的腐蚀能力筛选,我们要求产品外壳不能出现涂层起泡或掉落,其它各种材料不能出现电化学腐蚀,电偶腐蚀,应力腐蚀,晶间腐蚀等,最后通电检查应能正常工作。

⑶防尘试验------“粉尘污染严重地区”
防尘试验是考虑到温度、湿度、腐蚀性粉尘为一体综合环境里能可靠运行,为在高温,高湿,高尘环境下的适应性保驾护航。在模拟试验中实施大量降尘和负压的试验方法,检验我们产品抗风沙、灰尘腐蚀能力。

B. 偶然故障期的预防

什么叫偶然故障期?就是在投入使用一段时间后,产品的故障率可降到一个较低的水平,且基本处于平稳状态,可以近似认为故障率为常数,主要是由偶然因素引起的偶然故障,这就为偶然故障期。
SMA中国利用可靠性的统计试验,如可靠性鉴定试验,可靠性验收试验和可靠性寿命试验来确保产品的故障或缺陷不发生或尽可能的少发生,下面介绍其中几个寿命实验。

⑴ HALT试验------“设计极限搜索”
HALT试验,也叫高加速寿命试验。HALT试验是SMA中国产品必须通过的可靠性激发试验之一,在产品早期开发阶段开展,该试验主要特点是步进极限高温、步进极限低温(液氮瞬时降温温度最快可达到60度/分钟)、步进极限振动、综合(温冲+振动)应力来激发产品设计的薄弱点。高温极限做到110℃,低温极限做到-60℃,振动极限达到60G的加速度,整个试验过程中产品都必须带载运行,实时监控产品的运行状态。激发出潜在可能故障,进行分析改善纠正。

⑵温度冲击的寿命试验
由于逆变器是白天工作晚上停止,每天都在进行温度循环的过程,SMA中国采用了20年寿命设计,温度循环次数365*20=7300次。SMA中国产品利用母公司SMA收集建立的全球温度数据库进行拟合,并进行加速实验,温度循环实验高达约1300个循环,测试完成后通过各种手段检查(放大镜,X-ray,ATE的功能测试),筛选出设计的短板,最后通过改善纠正措施来保证我们的寿命需求。

⑶温湿交变寿命试验
由于逆变器安装在温度和湿度变化较大的地区,为了适应温湿交变的环境长时间运行,SMA中国产品对温湿交变环境的长期适应性,对PCBA板、外壳等的耐腐蚀、电气绝缘的抵抗能力我们设计了温湿交变寿命实验,并且试验时间长达几个月。

上述的可靠性寿命实验,仅仅是SMA中国可靠性试验的冰山一角,所有的可靠性试验目的就是筛选出产品寿命设计缺陷,并通过相应的设计改善,以提升我们产品的寿命及增加客户的收益。

C.磨损故障期失效的统计及分析
世间万物都难逃其消亡的宿命,产品也是一样,也有其服务的最后一天,我们的产品也不例外,在其运行时间远远超过我们对客户承诺的时间后,他也慢慢开始老化,我们称其为“磨损故障期”其定义就是在产品投入相当长的时间后,产品故障率随时间上升,出现产品故障大量增加直至报废。这一阶段的故障主要由老化,疲劳,磨损,腐蚀等耗损性因素引起的,这阶段很重要的意义就是收集数据,通过数据认真分析,得到有效的失效模型,总结出行之有效的方法反馈到前端的设计及实验中,从而延缓损耗阶段的起始点,在耗损起始点到来之前停止使用或进行预防性维修,来延长产品的使用寿命。

结语
产品的可靠性是产品质量的一个重要的组成部分,可靠性技术是提高产品质量的一种重要手段。可靠性测试技术是筛选产品的缺陷和故障的重要手段,也是评价和分析产品的必要手段。应用各种可靠性设计分析的实验技术等手段使产品的偶然故障率尽可能降低,这也是SMA中国可靠性的重点。SMA中国的光伏逆变器产品不仅应用了这些手段而且基于全球室外应用的经验,还专门研究了逆变器行业的独特应用环境,从设计、试验及数据分析和管理等来保证了产品的长期可靠运行。这也是SMA中国始终信奉的理念:质量是我们的生命,数据是我们的生命线,数据永不断,生命永常青。客户是我们的上帝,为上帝提供高质量高可靠的产品是我们永恒的目标。通过对SMA中国产品的可靠性了解,您对逆变器的选择还会犹豫吗?

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