电子产品可靠性设计综述

1、研究生课程考核记录2008-2009学年第2学期课程名称：电子设备可靠性设计任课教师：陈云霞学生学号：PT0800242学生姓名： 魏新科北京航空航天大学工程系统工程系2009年6月电子设备可靠性设计综述魏新科摘要：本文从电子设备可靠性设计的内容、要求及设计原则等方面对电子设备可靠性设计过程作了简单的描述。同时，结合工程实际，从元器件筛选、设计方法、质量管理等方面对如何提高电子产品可靠性提出了自己的看法。关键词：电子设备 可靠性 设计1 引言产品的可靠性是指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, 其概率称为可靠度。“ 规定条件” 包括产品使用时的环境条件和工作条件, “ 规定

2、时间” 表明产品的可靠性和时间呈递减函数关系, 即工作时间越长, 产品可靠性越低。研究电子产品可靠性的具体对象, 包括元器件、整机和系统三大类, 这三者之间是既有联系又相区别的。随着电子科学技术的迅猛发展, 电子产品在国防、工业、农业、商业、科研和民用等方面的应用种类也越来越多, 竞争也越来越激烈。可靠性是产品在规定的时期内、规定的条件下, 完成所要求的功能的一种能力。电子产品的可靠性是设计进去, 生产出来的。因此使设计人员掌握可靠性设计的基本知识和方法, 并在产品设计中使用这些方法, 对提高电子产品的可靠性是十分有利的。 2 电子设备可靠性设计内容要求2.2 可靠性设计内容可靠性设计，从广义

3、上讲包括可靠性分析、论证与可靠性设计的方法技术。可靠性分析论证包括可靠性预测、可靠性分配、可靠性指标确定等。可靠性行设计技术包括提高可靠性、减少故障率的技术措施选择、方案设计与实现、提高固有可可靠性的设计、维修性及防治可可靠性退化设计等。其中可靠性设计是保证电子设备可靠性的主要步骤。预防故障发生、及时消除危险（不可靠）环节、检测和发现故障，使技术设计的主要任务。为了合理的进行可靠性技术设计，需要进行可靠性数据采集、进行元器件、组件、系统的可靠性试验，必要时需进行原材料的分析实验，进行系统可靠性仿真等，以获取大量的可靠性数据，为电子设备可靠性设计提供依据。研究电子设备的可靠性设计，目的在于提高其

4、使用可靠性（包括贮存、运输、维护的可靠性），保证使用有效性。因此应对其性能进行分析，并通过技术设计提高系统的固有可靠性，使设备系统全寿命周期都具有较高的可靠性。2.2 可靠性设计的特点和要求1）全面衡量系统的可靠性与各种特性，为了提高系统的可靠性，有时可能导致系统性能下降，并加下系统成本。因此，在进行可靠性设计时，必须对系统使用性能、经济成本、可靠性、维修性等各种因素进行全面的权衡，使系统的总体性能达到最忌，并以此作为设计的依据。例如，为了提高可靠性而使设备复杂化、费用增加时，应通过提高使用性能和减少运行费用来补偿。2）可靠性设计要对系统的各零部件火元器件按照特定的可靠性要求进行全面衡量，以降

5、低产品系统的失效率，提高系统的可靠性，确保产品质量。3）可靠性设计的观点是通过可靠度和其他可靠性知道的提高，来确保产品的安全与可靠。这不同于常规设计中增大安全系数或设计储备量来确保安全可靠的观点，这种观点对失效发生概率的认识更为合理。4）可靠性设计对安全度的评价不仅考虑安全系数，而且引入了可靠度和其他可靠性指标。即锁采用的是一定可靠度下的安全系数，这比常规设计中只用安全系数一个指标的方法更为科学。3 电子设备产可靠性设计原则3.1 可靠性设计的指导思想对一般电子设备进行可靠性设计时，首先要在保证其性能要求和经济指标的前提下，提高系统的可靠性。即总的指导思想应该是在保证其性能、成本、研制生产周期

6、的前提条件下，尽可能提高其可靠性。但是往往航空产品的可靠性要求是作为战技术指标由军方提出的，必须予以保证。因此，问题就变成了在以可靠性及航空系统的作战使用性能为约束条件的情况下，尽可能降低成本，缩短研制、生产周期。所以，起可靠性设计的指导思想不能在有任何侧重，而只能在性能、成本、效益、研制生产周期等方面寻求综合平衡。所以，也就是说可靠性是和性能、成本、效益同等重要的，实质上也是贯穿了全寿命周期成本管理的思想。3.2 电子产品可靠性设计的一般原则1） 产品的可靠性指标应包含定量的可靠性指标, 如使用寿命、平均故障间隔时间等。产品的可靠性设计要与其功能技术指标的设计相融合, 在满足其功能技术指标的

7、同时, 满足可靠性指标的要求。2） 应用系统工程的方法, 对产品的性能指标、制造成本、研制周期等相互制约的因素进行综合权衡。3） 在可靠性设计中, 应采用国内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理, 并进行必要的认证和试验考核。4） 选择的材料和器件应符合产品有关可靠性标准及技术文件的要求, 确保产品的可靠性水平。5） 在考虑产品的结构、外形、电路时, 应考虑使用维修简便化, 提高产品的可操作性。6） 为避免产品的单点失效, 对关键部件、重要部件应采用各种适当的可靠性设计技术, 如冗余设计、热设计等。3.3电子设备可靠性设计中应注意的问题在电子设备可靠性设计过程中，应注意以下几个方面的问题。1

8、）载荷对可靠性的影响：作用在航空武器系统上的负荷来自不同的方向，有不同的形式，各种内载荷、外载荷等都会影响其的可靠性。在进行电子设备可靠性设计时应注意其所受最大载荷的作用，载荷变化（包括变化速率、频率）及其影响。2）环境对可靠性的影响：生产、储存、运输、使用的环境（温度、湿度、电磁干扰等）都会形象起可靠性。在设计中，应注意各种环境的作用强度、持续时间、变化速率级环境特性的最大值与平均值对可靠性设计的影响。3）人-机工程对可靠性的影响：在电子设备在维修、使用过程中，都要人参与完成，人的生理素质、心里素质有时也会影响整个设备的可靠性。4）材料性能及其变化对可靠性的影响：材料性能本身对可靠性的影响也

9、是比较明显的，材料在各种外界因素作用下，性能发生变化又会严重影响电子设备的可靠性。4 提高电子设备固有可靠性的技术方法4.1 简化设计5所谓简化设计就是在保证系统功能，不影响系统性能，不降低可靠性知道要求的前提下，尽可能对系统的组成及其结构进行简化。根据系统可靠性分析和失效机理研究结果证明，组成系统的元器件、零部件数目较多，结构复杂，实效率越高。简化设计的方法有多种，常用的有以下几种：1）功能归一法：即将同一功能由一个部件完成；2）功能集中法：即一个部件可以完成多种功能；3）最小技术法：即选用失效率最小的元器件等。简化设计的技术途径和各种方法均应在保证系统的功能及特性要求，是整个系统的失效率降

10、到最低限度的条件下进行。4.2 降额设计14. 2. 1 降额设计的依据所谓降额设计, 就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命, 必须有意识地降低施加在器件上的工作应力(如:电、热、机械应力等 ,降额的条件及降额的量值必须综合确定, 以保证电路既能可靠性地工作, 又能保持其所需的性能。降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定, 如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比; 电容降额是使工作电压低于额定电压; 半导体分立器件降额是使功耗低于额定值; 接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。降额的等级分为三个等

11、级, 分别称I 级降额、II 级降额和III 级降额。 I 级降额是最大降额, 超过它的更大降额, 元器件的可靠性增长有限, 而且使设计难以实现。I 级降额适用于下述情况:设备的失效将严重危害人员的生命安全, 可能造成重大的经济损失, 导致工作任务的失败, 失败后无法维修或维修在经济上不合算等。II 级降额指元器件在该范围内降额时, 设备的可靠性增长是急剧的, 且设备设计较I 级降额易于实现。II 级降额适用于设备的失效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。III 级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大, 且在设备设计上实现困难最小, 它适用于设备的失效对工作任务的完

12、成影响小, 不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。4. 2. 2 降额应注意的问题1 有些元器件的负荷应力是不能降额或者对最大降额有限制的, 如电子管的灯丝电压、继电器线包的吸合电流是不能降额的, 否则电子管的寿命要降低;2 有些元器件降额到一定程度时却得不到预期的降额效果。如薄膜电阻器的功率减额到10 %以下时, 一般二极管的反向电压减额到最大反向电压的60 %以下时, 失效率将不再下降;3 有些类型电容器的降额可能发生低电平失效, 即当电容器两端电压过低时呈现开路失效, 也就是说, 降额不但不能使失效率下降, 反而会使失效率增高。4. 2. 3 降额设计应遵循的原则1）系统中失效率较高，

13、功能很强，蚕蛹其他技术途径难以达到提高可靠性要求的重要组成单元、子系统、结构件、元器件必须采用降额设计；2）降额设计中，对负载等降低的幅值不应过大，并应经过仔细计算分析，并尽可能通过实验考核，降额后应确保系统的功能和可靠性要求，并不致引起性能下降；3）元器件在降额使用时应保证良好的工作特性曲线。线性元器件降额只能在线性范围内，不能出现非线性。降额系数的选择大部分是依靠试验数据和根据元器件使用的环境因子来确定。确定降额系数的方法如下:1 数学模型及基本失效率与温度、降额系数之间的关系曲线;2 减额曲线给出了为保证元器件可靠工作所选择的降额系数与温度之间的函数关系, 当在该减额曲线上工作的半导体结

14、温达到其最高结温时, 其失效率仍然较高;3 应用减额图, 即在减额曲线的下方, 通过试验找到一条半导体结温较低的减额曲线;4 各种元器件的减额因子参见国家标准。4.3 冗余设计5冗余设计是用一台或多台相同单元(系统 构成并联形式, 当其中一台发生故障时, 其它单元仍能使系统正常工作的设计技术。设置冗余可提高系统的可靠性, 但同时又增加了系统的复杂性、重量和体积。一种工程经验认为:采用更可靠的元器件、简化设计和降额设计等方法仍不能满足系统可靠性要求时才考虑采用冗余。另一种工程经验则认为:当经费和进度都有限制时, 采用成熟设计的冗余技术是实现高可靠性的有效途径。因此, 是否采用冗余全视具体场合而定

15、。冗余按特点分为热冗余储备和冷冗余储备; 按冗余程度分, 有两重冗余、三重冗余、多重冗余; 按冗余范围分, 有元器件对安全性及经济性要求较高的场合, 如锅炉的控制系统、程控交换系统、飞行器的控制系统等。冗余方式的选择取决于单元的性能特点、失效模式和可靠性指标高低等因素。冗余并非适用于所有的场合, 一般在低层次和关键的情况下使用可获得较好的效果。同时, 还需注意, 某些冗余技术的采用需增加若干故障检测和冗余通道切换装置, 它们的失效率应远于受控部分时, 才能发挥冗余技术的优越性。冗余设计的实质是为了提高系统的可靠性，采用附加备份（子系统、部件、组件、元器件）的设计方法。完成同一功能有两个以上的备

16、份。一个备份失效，不引起系统失效。这种在系统系统结构和组织上的冗余，对保证装备可靠的完成任务意义重大，所以之一途径在电子设备可靠性设计中也被广泛应用。冗余设计的主要优点是能有效的提高系统的可靠度，并有利于改善系统的维修性，即可提高系统的平均寿命MTTF （或平均故障间隔时间MTBF ）。但是，冗余设计也有缺点，最明显的缺点是由于系统组成结构、元器件增加，导致整个系统的质量、耗能量、成本相应增加，还有可能导致装备结构尺寸增大。1）冗余系统的备份数应当适当，以满足功能要求，保证可靠为前提，取冗余度的下线，备份数不能过大。2）对于需要采用冗余设计的子系统（组成单元）应进行充分的分析计算，使其增加的结

17、构质量和结构尺寸及元器件在满足性能要求，帮正可靠知道的前提下为最小。3）为了保证系统正常功能，且达到可靠度要求，一般采用工作冗余较好，它既能保证工作可靠，又不致增加太多的质量，并能起到降额设计的效果。当要求维修性较好，体积、质量非主要限制时可采用非工作冗余。4）系统的体积、质量、成本费用限制很严时，应尽可能或不用冗余设计，反之，若系统的体积、质量限制不严时，而成本费用允许的条件下，对可靠性要求很高的系统可采用组合式冗余设计。4.4 热设计1由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高, 这将使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合。因此, 热应力已经成为影响电子元器件失效率的一个最重要的因

18、素。有资料表明:环境温度每提高10 , 元器件寿命约降低1/ 2 。这就是有名的“10 法则”。4. 4. 2 热设计遵循的原则1 元器件的布局由于工作温度受设备的位置和设备内元器件安排的影响, 元器件的配置和布局应遵循下述原则:(1 各耗能元器件间应尽可能具有大的空间;(2 设备应安装在适用的最冷环境中;(3 应保证热敏元器件处于最冷区。2 元器件的安装在元器件安装中, 热设计的目标是使壳体和散热器之间的热阻最小, 具体原则如下:(1 使用短的通道以使传导热阻最小;(2 采用大面积以使传导热阻最小;(3 使用具有高传导率的材料以使传导热阻最小;(4 当使用接触界面时, 应使接触面积尽可能大、

19、表面平坦而光滑、接触压力高而均匀等原则以使接触热阻最小;(5 对于采用辐射冷却的设备, 应保证其表面辐射率高、具有无阻挡的和广阔的散热器及辐射面积最大的原则以使其热阻最小;(6 功耗大于2W 的电路插件板要求有一铜的接地平面, 而功耗为5W 10W的电路插件板要求有散热器。(7 应使用热膨胀系数值相近的材料。3 鼓风机的选择与安装(1 在低空气工作条件下, 使用恒速鼓风机, 在高度大于3 048 m 的高空工作条件下, 使用变速鼓风机;(2 由于高速鼓风机噪音较大, 所以在飞机座舱区域或机组人员区域附近,不应使用转速高于10 000 r/min 的鼓风机;(3 鼓风机的功耗不应超过热负荷的10

20、 %;(4 鼓风机的安装应保证它吸气通过设备, 而不是排气通过设备;(5 不应把鼓风机的入口直接安在其他鼓风机的排气口的下游, 因为热空气可能被吸到下游鼓风机中;(6 在冷却空气鼓风机排气口至少要留有1cm 的间隙, 以防排气口阻塞引起鼓风机冷却效率下降;(7 不要把两个不同的鼓风机串联或并联, 除非系统的流速和排气压力是平衡的;(8 应考虑可能造成故障的短期过热应力, 如由于暂时缺乏冷却剂引起的过应力;(9 在调试期间保证适当的设备冷却。4 冷却剂流道设计对流冷却设备冷却剂流道的设计原则是:(1 不应阻碍冷却剂流过元器件;(2 空气冷却的电子设备舱上应采用带孔的盖;(3 借助于分离器和旋转叶

21、片直接让冷却空气流过元器件。(4 在流道中使转弯半径最大;(5 流道不应骤然扩张或收缩;(6 设计应保证自然对流辅助强迫对流;(7 采用自然对流冷却的设备, 应垂直安装电路板和散热片, 而不应水平安装。4.5 容差设计1在进行电路设计时, 应充分考虑到元器件的参数公差及参数随环境变化而漂移的结果。使电路的工作点靠近中心值, 元器件虽发生较大的性能漂移但仍然能满足工程的要求, 使设备处于良好的设计状态。4.6 电磁兼容设计电磁兼容性问题可以分为两类:一类是电子电路、设备、系统在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰使其达不到预期的技术指标; 另一类电磁兼容性问题就是设备虽然没有直接受到干扰的影响,

22、但不能通过国家的电磁兼容标准。为了使设备或系统达到电磁兼容状态, 通常采用印制电路板设计、屏蔽机箱、电源线滤波、信号线滤波、接地、电缆设计等技术。印制电路板在设计布置时, 应注意以下几点1:1 各级电路连接应尽量缩短, 尽可能减少寄生耦合, 高频电路尤其要注意;2 高频线路应尽量避免平行排列导线以减少寄生耦合, 更不能象低频电路那样连线扎成一束;3 设计各级电路应尽量按原理图顺序布置, 避免各级电路交叉排列;4 每级电路的元器件应尽量靠近各级电路的晶体管和电子管, 不应分布得太远, 应尽量使各级电路自成回路;5 各级均应采用一点接地或就近接地, 以防止地电流回路造成干扰, 应将大电流地线和沁电

23、流回路的地线分开设置, 以防止大电流流进公共地线产生较强的耦合干扰;6 对于会产生较强电磁场的元件和对电磁场感应较灵敏的元件, 应垂直布置、远离或加以屏蔽以防止和减少互感耦合;7 处于强磁场中的地线不应构成闭合回路, 以避免出现 地环路电流而产生干扰;8 电源供电线应靠近(电源的 地线并平行排列以增加电源滤波效果。4.7 “三防”设计在气候环境的诸因素中, 潮湿、盐雾和霉菌是最常遇到的破坏性因素。对这方面的防护简称“三防”。1“三防”设计在可靠性设计中占有十分重要的地位。4. 7. 1 防潮设计防潮设计的原则:1 采用吸湿性小的元器件和材料;2 采用喷涂、浸渍、灌封、憎水等处理;3 局部采用密

24、封结构;4 改善整机使用环境, 如采用空调、安装加热去湿装置。4. 7. 2 防霉设计防霉设计的原则:1 采用抗霉材料, 例如无机矿物质材料;2 采用防霉剂进行处理;3 控制环境条件来抑制霉菌生长, 例如采用防潮、通风、降温等措施。4. 7. 3 防盐雾设计防盐雾设计的原则: 1 采用防潮和防腐能力强的材料; 2 采用密封结构; 3 岸上设备应当远离海岸。 5 元器件的筛选 复杂电子系统都是由大量的电阻器、电容器、继电器、接插件、分立半导体 器件及集成电路等电子元器件组成的。 系统的可靠性除取决于这些电子元器件的 固有可靠性外,还与设计时元器件能否合理选用有关。 5. 1 元器件筛选原则 元器

25、件的选用要遵循下述原则: 1 在元器件型号、 规格众多的情况下,应根据产品要实现的功能要求及环境 条件,选用相应种类、型号规格及质量等级的元器件。 2 估算元器件使用时的应力情况,确定元器件的极限值,按降额设计技术, 选用元器件。 3 根据产品要求的可靠性等级,选用与其适应的、 符合生产许可证审查要求 的A ,B ,C 级元器件。 4 设计产品时,尽量选用标准元器件,并使品种简化,这是大型电子系统设 计的一个重要原则,也是系统总体对部件及线路设计者提出的约束条件。 5 对非标准的元器件要进行严格的验证,使用时要经过批准手续。 6 制定元器件选用手册,规范元器件的选用和采购。 5. 2 器件封装

26、结构和质量等级的选择 1 器件封装结构的选择 环氧树脂塑封器件为非气密性结构,易受潮气、盐雾和其它腐蚀性气体的腐 蚀而失效。因此,对使用环境苛刻、工作或贮存寿命有一定要求的高可靠产品, 应当选用金属、陶瓷或低熔点玻璃密封封装的器件。但对于使用条件良好、温湿 度都有控制而又无腐蚀性气体的场所,选用塑料封装器件也是可行的。 2 质量等级的选择 元器件质量直接影响其失效率,不同质量等级对元器件失效率的影响程度以 及质量系数不同。GJB299 中将各类元器件划分为A ,B ,C 三个质量层次,每个质 量层次包含若干个质量等级,每个质量等级分别给出与其对应的质量系数值。 质量等级的选择原则为: 2 为提

27、高筛选效率, 可以用大应力筛选, 但不能产生新的失效模式。 3 要针对产品的特点及失效机理制定筛选条件, 具体情况具体对待。 4 加应力筛选在前, 检查测试性的筛选在后。 5 要根据用途、成本、产品数量、试验设备条件等通盘考虑。 电子设备设计过程的控制与管理4 6 电子设备设计过程的控制与管理4 6.1 设计过程 1） 了解我国现行的有关可靠性的标准和法规,拿握国内外同类产品的可靠 性水平与现状, 常见的失效模式、 失效机理和所采用的纠正措施, 以及国内外同 类产品在可靠性设计方面的新原理、新结构、新材料、新工艺和新技术等。 2） 了解有关产品的制约条件, 如研制周期、费用等, 依据产品的规格

28、, 即 其质设计的结果, 确定可靠性设计指标, 制定可靠性设计方案, 并进行方案评 审。其目的在于审查可靠性设计是否满足产品规格中明示或隐含的可靠性要求, 以及设计中存在的薄弱环节, 并提出改进措施。 3） 实施产品的可靠性设计, 并研制样机选择合适的可靠性试验方案, 对样 机进行可靠性评价试验, 并评价样机的可靠性水平是否满足要求。 依据可靠性评 价试验的结果, 应用循环, 不断改进产品的设计, 直至达到可靠性的指标要求。 4） 在可靠性设计不断改进和完善之后, 进行小批量的样机生产选择适宜的 可靠性验证试验, 以推断评估产品的可靠性水平, 从而完成产品的设计定型。 6.2 控制与管理 1）

29、制度化管理研发部门将研发部门中各层次、各环节的技术人员在产品设 计及设计质量管理活动中的权力、 费任和义务进行合理划分, 并明确产品研发部 门的各个组成部分之间、 各技术人员之间的关系和设计活动过程中的联系方式与 程序, 这是企业技术资任制的一种形式, 也是确保每一阶段真正结束并正确转 人下一阶段的重要措施, 应在工作中逐步完善并以制度形式固定下来。 2）严格技术状态的管理, 即制定产品研发的技术状态控制办法, 明确技术 状态更改程序, 提高技术状态的规范化、 程序化水平, 保证技术状态的一致性和 可追踪性。 保证要做到产品的技术状态文件与产品实物相符, 文件与文件之间一 致。 3）严格进行可靠性评审工作, 坚持上一阶段可靠性评审不通过不得转人下 一研制阶段的原则, 充分利用同行专家的