电能表可靠性与元器件选型

二零一四年七月电能表可靠性与元器件选型产品可靠性工程元器件选型电能表元器件选型重点关注指标目录123产品可靠性工程1.定义&流程体系（1）可靠性的定义：在规定的条件下，在规定的时间内、产品完成规定功能的能力。包含以下4个要素：可靠性工程的定义：选用可靠的器件和可靠的使用器件，避免器件寿命周期内提前失效，保证电子产品在整个生命周期内可靠工作。通过建立可靠性工程的流程体系，系统开展器件选型、可靠性设计、可靠性制造及批量检验、故障模式和影响分析的一系列工作。可靠性指标规定的时间规定的条件规定功能产品可靠性工程1.定义&流程体系（2）

器件选型设计测试批量检验失效分析

可靠性工程需求分析选型认证样品测试规格书确认供应商认证可靠性设计可靠性预计可靠性测试测试失效分析检验筛选工艺验证失效分析失效分析设计改进产品可靠性工程2.浴盆曲线

产品的整个寿命周期内，其可靠性的变化基本上都呈现一定的规律，通常划分为三个阶段：早期故障期，偶然故障期，严重故障期。早期失效期(InfantMortality)：主要失效原因是设计、原材料和制造过程中的缺陷等。

偶然失效期(RandomFailures)：主要失效原因是质量缺陷、元器件、环境和使用不当等。

耗损失效期(Wearout)：主要失效原因是磨损、疲劳、老化和耗损等。耗损失效期t时间偶然失效期早期失效期使用寿命规定的失效率λ(t)失效率AB产品可靠性工程3.可靠性特征量（1）故障率λ(t)：产品工作到t时刻后单位时间内发生故障的概率，即产品工作到t时刻后，在单位时间内发生故障的产品数与在时刻t时仍在正常工作的产品数之比。（2）可靠度R

(t)：产品在规定的条件下，在规定的时间内，产品完成规定功能的概率。(3)平均失效时间MTBF(MeanTimeBetweenFailures)：可维修产品两次故障期间的时间平均值。服从指数分布的情况下，(4)平均失效时间MTTF(MeanTimeToFailure)：不可维修产品从投入运行到发生故障的平均工作时间。服从指数分布的情况下，产品可靠性工程4.可靠性预计（1）

根据产品各组成部分的可靠性,预测产品在规定的工作条件下的可靠性所进行的工作。其常用的方法有相似产品法、元器件计数法、元器件应力法等。

预计方法基础数据相似产品法已有、相似成熟产品的可靠性数据；成熟产品的可靠性数据主要来源于现场预计和实验室的试验结果元器件计数法适用于产品方案论证和初步设计阶段，基础数据是元器件基本失效率的通用修正值。元器件应力法适用于产品详细设计阶段，根据元器件的质量等级、应力水平、环境条件等因素对基本故障率进行修正。不同类别的元器件有不同的工作故障率计算模型。产品可靠性工程4.可靠性预计（2）计算数学模型

为总失效率；

为第i个单元的第j个元器件的工作失效率；N表示产品的电路单元数；Mi表示第i个单元的元器件总数；

为

对应的标准差；

为

对应的标准差。

元器件的失效模型

为第个i单元第j个元器件的基本失效率,为对应的基本标准差

，为环境应力因子，、、分别为第个i单元第j个元器件的质量因子、电应力因子、温度应力因子。

产品可靠性工程4.可靠性预计（3）

电阻类型工作环境电阻阻值工作应力质量级别节点温度电阻可靠性预计标准GJB299BMIL-STD-217FIECTR62380TelcordiaSR-332SN29500失效率产品可靠性工程4.可靠性预计（4）

GJB-299B中，可编程只读存储器PROM的应力法预计模型为:集成电路技术类型工作环境管脚数和位数工作应力质量级别封装类型可靠性预计标准GJB299BMIL-STD-217FIECTR62380TelcordiaSR-332SN29500失效率产品可靠性工程5.可靠性试验试验项目试验方法环境应力筛选试验

在产品开发阶段、批生产阶段早期，在产品上施加一定的环境应力（如：随机振动和温度环境应力），以剔除由不良元器件、零部件或工艺缺陷引起的产品早期故障。环境应力筛选试验不能提高产品的固有可靠性，但通过改进设计和工艺等可以提高产品的可靠性。加速寿命试验在不改变产品失效机理条件下，通过提高工作环境应力(超正常应力水平)加速产品失效，尽快暴露产品设计过程中的缺陷。抽样定时截尾试验抽样产品进行寿命试验，当累计试验到规定的时间即停止试验。抽样定数截尾试验抽样产品进行寿命试验，当累计试验中出现的故障到规定故障数即停止试验。产品可靠性工程6.可靠性工程的理念国内外电子产品的差距不仅仅是功能性能方面的差距，更重要的是质量和可靠性方面的差距越来越明显。个人经验和责任心从根本上无法提高产品的质量和可靠性水平，完整的系统方法和流程体系才是根本之道。“君子授人以鱼，不如授人以渔”。

产品可靠性是“设计出来，制造进去，用户体验”。误区：产品可靠性=元器件可靠性。可靠性预计的目的是可靠性改进，预计具体数值的准确性不重要，重要的是通过预计找到设计薄弱点，指导元器件选型、可靠性设计（降额设计、可靠性分配、冗余设计等）、可靠性制造工作（元器件检验筛选、工艺控制）、失效分析。误区：MTBF=产品的平均寿命。加速寿命试验选择加速应力的基本原则是，不应改变基本的故障模式和失效机理或它们的相对主次关系。元器件选型1.定义&关键流程（1）定义：根据产品需求，按照一定的程序和方法选择技术指标、质量水平、采购成本、交付周期、服务响应、物流成本等方面满足产品要求的元器件，即元器件的可用性、可采购性、性价比、供应商的支持能力满足产品需求。

元器件的选型与测试是一项产品工程，意义重大。经验证明：一旦选型与测试完成，其质量、成本、可采购性的70%基本上已经固化，后期的一系列改进、控制措施所能达到的效果只能占到30%左右。

元器件选型不合理造成的影响：批量质量问题、生产成本提高、生产直通率降低、返修率增加、采购成本增加等。元器件选型1.定义&关键流程（2）关键流程：包括新元器件选型、元器件替代、定制件参数变更、问题元器件处理、PCN处理(工艺流程变更）、供应商变更等。

需求分析选型认证样品测试规格书确认供应商认证元器件选型与测试元器件选型2.元器件选型规范（1）元器件优选库元器件分级：A(优选）、B（慎选）、C(禁选）、L(试用）生产或供应商分级：A(优选）、B（慎选）、C(禁选）、L(试用）（2）基本原则六要素：技术指标、质量水平、采购成本、交付周期、服务响应、物流成本。在考虑降额设计、热设计、工艺保证等要求后，选择元器件。优选经验证（内部、行业）质量稳定、生产商优选目录、有质量等级、有可靠性指标、有发展前景的标准元器件；优选国产元器件。限制选择处于工程样片阶段的元器件；限制选择淘汰、停产或生产商不推荐元器件；限制选择极限参数元器件；限制选择存在安全隐患元器件；限制选择危化元器件。通用元器件PIN-PIN兼容；关键或核心元器件的替代方案。最大限度压缩元器件种类、规格以及生产商。元器件选型（3）六要素技术指标：安规、寿命、EMC、EOS、ESD、Latch-Up、MSD、环境温度、加工工艺、失效率等。质量水平：进口器件、国产器件、质量等级、质量体系等。采购成本：标准件、风险防范、压缩元器件种类、替代方案、供应商市场占有率、供应商发展潜力、战略合作关系等。交付周期：标准件、风险防范、压缩元器件种类、供应商市场占有率、供应商发展潜力、战略合作关系等。服务响应物流成本元器件选型（4）质量等级（1）定义：元器件在制造、试验及筛选过程中其质量的控制等级。预计国外、国内元器件失效率时，用质量系数πQ作为不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。国外电子元器件的质量等级元器件选型（4）质量等级（2）国内电子元器件的质量等级元器件选型（5）技术规范（1）元器件类别环境因素高温低温高温高湿盐雾大气压阳光辐射MSD集成电路√√√√√半导体分立元件√√√√电阻器√√√√压(热)敏电阻器√√√√电解电容√√√√√MLCC陶瓷电容√√√√光耦√√√√变压器、互感器√√√√继电器、开关√√√√√液晶√√√√√√√电池√√√√√晶体√√√√元器件选型（5）技术规范（2）元器件类别机械因素引出端及整体安装强度振动冲击自由跌落密封集成电路√√半导体分立元件√√√电阻器√√√压(热)敏电阻器√√√电解电容√√√MLCC陶瓷电容√√√光耦√√√变压器、互感器√√√继电器、开关√√√液晶√√√√电池√√√√√晶体√√√√√元器件选型（5）技术规范（3）元器件类别加工因素可焊性耐焊接热Latch-up控制ESD控制MSD控制集成电路√√√√√半导体分立元件√√电阻器√√√压(热)敏电阻器√√电解电容√√MLCC陶瓷电容√√√光耦√√变压器、互感器√√继电器、开关√√液晶√√√√电池√√晶体√√√元器件选型（5）技术规范（4）元器件类别电气参数电气性能安规要求EOSESD寿命集成电路√√√√半导体分立元件√√电阻器√√压(热)敏电阻器√√√√电解电容√√√√MLCC陶瓷电容√√光耦√√√√变压器、互感器√√√继电器、开关√√√√液晶√√√√电池√√√√晶体√√√元器件选型（6）降额参数元器件降额参数集成电路结温、负载、频率、寿命（存储器）半导体分立元件结温、电压、功率、电流电阻器温度、功率、电压（工作电压、过载电压）压(热)敏电阻器电压、功率、峰值电流电解电容电压、温度、寿命、纹波电流MLCC陶瓷电容电压、温度、频率光耦CTR、绝缘电压、电压变压器、互感器电压、功率、绝缘电压继电器、开关电流、电压、寿命液晶温度、湿度、寿命电池温度、容量、寿命晶体温度、激励电平元器件选型（7）线路板基础材料技术参数PCB基材玻璃化转变温度、介电常数、热膨胀系数、UV阻挡性能、耐漏电痕迹（CTI)、翘曲度、阻燃性能等PCB油墨附着性能、稳定性、涂覆方式、化学成分等PCB加工过孔、电镀质量ROHS集成电路多次回流焊MSD清洗免清洗（焊锡膏）、超声波清洗（清洗剂、洁净度评估）三防处理三防漆、涂覆方式、涂覆质量评估元器件选型（8）FMEA故障模式和影响分析（1）定义：对已失效的器件进行事后检查，进行物理或化学分析，验证所出现的失效，确定其失效模式，找出失效机理，评价影响程度。目的：确定失效原因或失效机理，在此后的器件选型、产品设计、检验筛选、生产工艺等方面采取措施，以消除失效模式或失效机理。基本步骤：确定真实的产品要求；确定使用环境（包括生产环境）;确定潜在失效部位或失效机理；器件选型；可靠性设计；检验筛选；可靠性制造元器件选型（8）FMEA故障模式和影响分析（2）

元器件选型3.FMEA故障模式和影响分析（3）-铝电解电容失效分析案例失效模式内部现状案例分析制造时误使用时适当使用时短路电极间短路皮膜绝缘破坏电极间绝缘破坏铆接部,端子部断线开路铆接部,端子部接触不良静电容量减少Tan增加电解液减少电解液热分解阳极箔容量减少阴极箔容量减少漏电流增加爆浆漏液酸化皮膜劣化腐蚀内压上升封口不完全氯离子侵入封口不良机械压力接触不良切断毛刺、金属微粒子酸化皮膜缺陷外部机械压力随时间劣化外部压迫应力过电压反向电压纹波电流过大超过容许充放电基板清洗时氯离子侵入1111213322223344电气化学反应元器件选型4.元器件选型的理念元器件是能够完成产品预定功能而不能再分割的电路基本单元，其自身的可靠性是十分重要的；注重元器件的功能与性能的同时，必须关注其“质量等级”。元器件的失效并非只由其本身的固有可靠性造成，更多的是由选型不当或使用有误造成。元器件选型的同时，必须关注降额设计、热设计、抗辐射设计、防静电设计、生产工艺控制、储存与保管等一系列问题。好的器件≠高的可靠性。元器件均有一个最佳的降额范围，此范围内应力变化对其故障率影响较大。过度的降额并不可取，降额到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；某些情况下，过度降额反而有害（如：大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数而且参数稳定性降低；继电器的线包电流不仅不能降低，反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触）；降额要综合考虑可靠性和费用等问题。电能表元器件选型重点关注指标1.国网公司关于元器件质量管理的相关要求投标方案的基于元器件应力法的可靠性预计报告,应包括电源、通信、计量、显示、控制、存储等模块的主要元器件。建议优先提供由具有相应资质的权威机构按照IEC标准出具的有效期内的基于元器件应力法的可靠性预计报告。采购元器件和外协件质量控制文件提供由国家权威机构出具的投标方案中15种主要元器件(计量芯片、MCU、液晶、电解电容、压敏电阻、晶振、时钟芯片、二极管、普通电阻、无极性电容、光耦、电池、负荷开关、RS485、ESAM)有效期内检测报告。元器件质量控制文件15种主要元器件采购质量合同（和元器件厂商或一级代理商签订的基于采购元器件质量的合同）15种主要元器件验收筛选控制文件（企业内部对外购元器件验收、筛选的质量控制文件）外协件质量控制文件外协件质量合同（和外协件加工单位制定的质量合同）外协件验收筛选规定（企业内部对于外部定制的印制板、表壳、互感器、电源变等外协件的验收、老化、筛选质量控制文件）元器件和外协件验收筛选设备需列出元器件和外协件验收、筛选设备清单（如印制板针床、时钟测试仪等）电能表元器件选型重点关注指标2.2013智能电能表新规范对元器件选型的特殊要求2013新规范技术要求相关元器件负荷开关技术要求符合IEC62055—31:2005，负荷开关类型选择Uc2，三相负荷开关应采用一体化设计。负荷开关电流回路阻抗负荷开关0.5mT工频磁场无负载试验负荷开关、分流器200mT（三相表300mT）恒定磁场试验负荷开关、变压器、电流互感器、继电器恒定磁场检测霍尔开关通信模块接口带载能力试验变压器、DC/DC电源芯片电能表端子座热变形温度≥200℃端子座无极性RS485通信RS485接口芯片极限工作环境试验变压器电能表元器件选型重点关注指标3.计量可靠性对元器件的要求（1）元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施计量芯片误差曲线的长期稳定性、EMC、计量动态范围、工作电压、参考电压及其温度系数、功耗、接口噪声容限、工作频率、温度、湿度MSD、EOS、Latch-up、ESD、清洗、三防处理电流互感器材料、抗强磁干扰及其温度曲线、误差（比差、角差）及其温度曲线、抑制直流分量特性及其温度曲线、绝缘性能、温度、机械性能加工机械应力、绝缘性能分流器工频磁场影响、阻值及其长期稳定性、温度曲线、温度、机械性能加工机械应力电阻材料（MELF、薄膜、厚膜）、阻值及其长期稳定性、TCR、额定电压及过载电压、精度、功率、机械性能、温度、湿度加工机械应力、清洗、三防处理电能表元器件选型重点关注指标3.计量可靠性对元器件的要求（2）元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施MLCC陶瓷电容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、静电容量老化、静电容量及其温度曲线、额定电压、浪涌电压、损耗角正切（tgδ）及温度曲线、ESR、温度、机械性能加工机械应力、清洗、三防处理电解电容材料（铝电解电容、钽电解电容）、寿命、ESR及温度曲线（阻抗比）、静电容量及其温度曲线（容量比）、额定电压、浪涌电压、损耗角正切（tgδ）及温度曲线、漏电流、额定纹波电流和纹波电流频率系数、温度、机械性能加工机械应力晶体频率及其温度频率偏差、负载电容、激励电平、谐振电阻、老化、温度、湿度、机械性能、密封性能加工机械应力、清洗、三防处理电能表元器件选型重点关注指标4.时钟可靠性对元器件的要求元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施时钟芯片时钟精度温度曲线的长期稳定性、温度补偿方式、EMC、工作电压、功耗、接口噪声容限、温度、湿度MSD、EOS、Latch-up、ESD、清洗、三防处理MLCC陶瓷电容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、静电容量老化、静电容量及其温度曲线、额定电压、浪涌电压、损耗角正切（tgδ）及温度曲线、ESR、温度、机械性能加工机械应力、清洗、三防处理晶体频率及其温度频率偏差、负载电容、激励电平、二级温度系数、谐振电阻、顶点温度、老化、温度、湿度、机械性能、密封性能加工机械应力、清洗、三防处理电池质量水平、脉冲性能、钝化性能、安全性能、负载电压、标称容量、机械性能、温度、加工机械应力电能表元器件选型重点关注指标5.电源可靠性对元器件的要求（1）元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施变压器质量水平、材料（骨架、铁芯、漆包线、灌封胶、绝缘胶带）、绝缘性能、负载性能、空载电流、过压性能、抗强磁干扰性能、温度、机械性能加工机械应力、绝缘性能压敏电阻质量水平、材料（电极、包封材料）、电流冲击稳定性、压敏电压、极限冲击电流耐受能力、连续电压稳定性、冲击寿命、漏电流、绝缘性能、温度、机械性能加工机械应力、绝缘性能热敏电阻质量水平、材料（电极、包封材料）、不动作（动作）电流及其温度曲线、电阻及其温度系数

、额定电压、过载电压、功率、居里温度、动作时间常数、绝缘性能、温度、机械性能加工机械应力、绝缘性能电能表元器件选型重点关注指标5.电源可靠性对元器件的要求（2）元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施整流桥、整流二极管、肖特基二极管、信号二极管加工工艺（OJ、GPP)、反向电压（高温反偏老练）、正向工作电流、正向峰值电流、正向压降、耗散功率、反向电流、结温、结电容、温度、机械性能加工机械应力TVS加工工艺（OJ、GPP)、反向关断电压（高温反偏老练）、结电容、反向漏电流、反向击穿电压、最大箝位电压、峰值脉冲功率、结温、温度、机械性能加工机械应力电源芯片输入电压范围、输入输出压差、耗散功率、输出电压及精度、输出电流、静态电流、输出电容要求、开关频率（DC

/DC)、短路保护、纹波、热阻、温度、机械性能MSD、EOS电能表元器件选型重点关注指标5.电源可靠性对元器件的要求（3）元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施电感、磁珠、共模扼流圈材料（MnZn、NiZn）、谐振频率、电感量及其频率特性、直流电阻及其频率特性、额定电流（温升电流、饱和电流）、温度、机械性能加工机械应力电解电容材料（铝电解电容、钽电解电容）、寿命、ESR及温度曲线（阻抗比）、静电容量及其温度曲线（容量比）、额定电压、浪涌电压、损耗角正切（tgδ）及温度曲线、漏电流、额定纹波电流和纹波电流频率系数、温度、机械性能加工机械应力MLCC陶瓷电容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、静电容量老化、静电容量及其温度曲线、额定电压、浪涌电压、损耗角正切（tgδ）及温度曲线、ESR、温度、机械性能加工机械应力电能表元器件选型重点关注指标6.显示可靠性对元器件的要求元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施液晶驱动芯片EMC、液晶驱动性能、工作电压、驱动电压、接口噪声容限、功耗（静态功耗）、温度、机械性能MSD、EOS、Latch-up、ESD液晶质量水平、材料（液晶、偏光片、导电玻璃、UV胶、PIN脚）、寿命（高温高湿）、响应时间（低温响应时间）、驱动电压、驱动电流、帧频、视角、对比度、温度、EMC、机械性能加工机械应力、ESD、湿度MLCC陶瓷电容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、静电容量老化、静电容量及其温度曲线、额定电压、浪涌电压、损耗角正切（tgδ）及温度曲线、ESR、温度、机械性能加工机械应力电能表元器件选型重点关注指标7.存储可靠性对元器件的要求元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施E2PROM寿命(高温、低温）、存储容量、工作电压、接口噪声容限、功耗（静态功耗）、总线速度、温度、EMC、机械性能MSD、EOS、Latch-up、ESDFLASH寿命(高温、低温）、存储容量、工作电压、接口噪声容限、功耗（静态功耗）、总线速度、温度、EMC、机械性能MSD、EOS、Latch-up、ESDMLCC陶瓷电容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、静电容量老化、静电容量及其温度曲线、额定电压、浪涌电压、损耗角正切（tgδ）及温度曲线、ESR、温度、机械性能加工机械应力电能表元器件选型重点关注指标8.RS485通信接口可靠性对元器件的要求（1）元器件类型关键元器件指标关键工艺管控措施RS485接口驱动能力、接收性能、共模电压、抗静电能力、工作电压、噪声容限、功耗、耗散功率；总线速度、节点数量、温度、EMC、机械性能MSD、EOS、Latch-up、ESD光耦CTR及其温度特性、脉冲上升和下降时间、绝缘电压、输入正向压降、输入正向电流、输入反向电流、输入分布电容、输出正向击穿电压、输出反向击穿电压、输出集电极暗电流、输出分布电容、输出饱和压降、隔离电容、温度、EMC、老化、安全性能、机械性能MSD、EOSMLCC陶瓷电容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、静电容量老化、静电容量及其温度曲线、额定电压、浪涌电压、损耗角正切（tgδ）及温度曲线、ESR、温度、机械性能加工机械应力电能表元器件选型重点关注指标8.RS485通信接口可靠性对元器件的要求（2）-光耦选型例程（1）需求确认RS485接口电路波特率要求2400-9600bps

光耦传输速率与输出方式RS485接口的绝缘电压4000V

光耦安规认证:美国UL、加拿大CSA、英国BSI、瑞典SEMKO、挪威NEMKO、芬兰FIMKO、丹麦DEMKO、德国VDE。低速（10Kbps)中低速(10-100Kbps)中速(100k-1Mbps)高速(1Mbps以上）光敏三极管、光电池输出基极控制光敏三极管、达林顿管输出光敏二极管带信号处理电路或光敏集成电路输出光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成