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散热风扇使用寿命设计及可靠性评测分析

发布时间:2021-01-05 09:03:58人气:
散热风扇可靠性:故障标准、加速寿命试验、建模,介绍了散热风扇系统的主要失效机理和失效模式,讨论了散热风扇系统的失效准则和可靠性指标,通过对不同厂商的加速寿命试验方法的比较,提出了一种新的加速寿命试验方法,提出了一种实用的加速寿命试验方法,讨论了加速寿命试验模型和加速因子,最后提出了一种综合可靠性评定方法。
 
在大多数电子产品的系统热解决方案中,散热风扇是最关键的部件之一。由于散热风扇总成包括电子部件和机械部件,因此它可能会发生电子故障、机械故障、,电子部分包括控制电路、电动机及其电子元件。散热风扇的机械部分包括轴承、润滑剂、轴、风扇叶片或螺旋桨/叶轮,和风扇罩。散热风扇可能有“硬故障”,其中风扇不起作用,或“软故障”(参数故障),如转速较慢、输入电流增加或噪声水平较高。要充分了解风扇的可靠性,应考虑所有可能的失效机制和失效模式帐户。散热风扇是许多电子系统的主要故障源。虽然市场上有不少风扇供应商,一些失效机制和失效模式无论是供应商还是最终用户都没有完全理解,不同的供应商在产品中使用不同的失效标准和可靠性指标,大多数供应商都在做所谓的然而,加速寿命试验,本文将讨论散热风扇的失效准则和可靠性指标,以及加速寿命试验和建模方法并将提出一种综合鉴定方法。
 
2.散热风机故障的主要故障模式有机械故障、电气故障、安装故障、声学故障、使用性能差故障和冷却性能差故障,风扇转速控制或监控系统也可能导致热力系统故障。一一列出了主要的风扇故障模式/原因以及基于样品产品的首件测试和现场服务期间的故障次数[1]。从风机故障的帕累托分析中看出,几乎一半的故障是由质量差或工艺差引起的,如布线错误、PCB损坏或与安装有关的故障。在机械故障中,轴承故障是主要原因。在电气故障中,电气应力过大是主要原因。根据收集的样本数据,机械故障、电气故障和安装故障是主要原因,其中大约一半的失败是在第一次测试中发现的。
3.可靠性指标和寿命估计可靠性是指产品在规定的使用条件下,在规定的时间内,在规定的时间内,不发生故障的情况下执行其规定功能的概率。风扇故障(或风扇组件故障)可以从系统或设备中定义从风扇本身的角度来看。
从系统的角度来看,风扇故障可定义为:
?散热风扇不能为系统提供足够的冷却
?散热风扇不工作
?散热风扇运行速度低于其设计规格转速,如设计转速的60%
?监控电路/可管理性固件检测到风扇不符合规格。从系统角度来看,必须通过监控电路/固件向系统报告风扇故障。故障可能是监控电路、控制电路或固件故障或风扇硬故障本身。因为这些部件,即控制电路,监控/检测电路、固件和散热风扇本身构成了一个可靠的串联系统,该系统中的电子故障可能与真正的风扇故障一样重要,这两种故障的故障现象和故障分布可能有很大的不同。不同的供应商对散热风扇故障使用不同的定义。
最常用的风扇故障定义有:
?风机不起作用(无法启动、堵转、螺旋桨摩擦、撞击或破裂、过度振动等)
?转速降低了15%(根据供应商的不同,从最初的转速降低了10%到30%)
?输入电流从标称或最大值增加15%(有些定义为从标称或大于最大值增加20%)
?风机噪声级增加5 dB(某些供应商为3 dB),A加权。
当然,一些其他故障与工艺差或安装或服务中的损坏有关,例如接线错误、电缆松动、连接器压接,或处理损坏的风扇部件。这些故障往往发生在散热风扇运行的早期阶段,通常称为婴儿死亡故障。为了更好地了解散热风扇的可靠性和使用寿命,最好把电子故障和机械磨损故障分开。
一般来说,大多数电子故障都是随机故障,如果电子元件使用正确,这些随机故障是由有缺陷的电子元件引起的。对于大多数现代电子元件来说,随机故障的故障率通常很低。但是,如果电路设计有缺陷或元件在设计中被误用,误用的电子元件的故障率可能很高,并可能在现场造成等级问题。
与机械磨损故障(如轴承磨损)相比,电子故障往往发生在运行的早期阶段,最有可能发生在前1到3年。避免电子故障的最佳方法是进行彻底的设计审查,以确保电路设计是正确的,遵循降额准则,使用正确的组件。HALT(高加速寿命试验)测试也有助于在早期开发中发现设计缺陷和错误组件。
风机的机械故障可能包括轴承故障、热变形和叶轮应力开裂。轴承故障是大多数风机的主要故障机制,也是定义风机使用寿命的故障机制。但是,轴承寿命在很大程度上取决于其润滑剂的保留量。散热风扇的可靠性和使用寿命在很大程度上取决于润滑系统的组成和可靠性,而不是轴承本身的疲劳寿命,将轴承疲劳寿命(如基于ISO 281标准的轴承额定载荷寿命)作为风机的使用寿命是一种误导,大多数轴承故障是由于润滑油的损失引起的,导致轴承磨损。散热风扇轴承故障的故障标准包括噪音增加、转速降低、转速降低、转速降低,或者润滑油液位下降到其容量的50%(或60%)。两个最常用的散热风扇寿命指标是MTTF(平均故障时间)和L10寿命(10%的风扇将出现故障的时间点)。实际上,MTTF常常与MTBF(平均无故障时间)混淆。MTBF最好用于可修复项目和恒定故障率的情况。由于轴承故障是磨损故障,其故障率会随着时间的推移而增加,不应使用MTBF。对于轴承故障,指数分布不适用。应使用形状参数β>1.0的Weibull分布。问题是:估算风机寿命应使用什么β值?不同的供应商使用不同的β值来预测风机的寿命,范围从1.1到4.9。一些供应商使用β=1.1来预测风机的寿命(L10),这是用于轴承疲劳寿命建模的值(滚珠和滚柱轴承)。
 
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