淺談電子產(chǎn)品的可靠性設計

1 引言

可靠性是指產(chǎn)品在規定的條件下和規定的時(shí)間內完成規定功能的能力。任何產(chǎn)品不論是機械、電子，還是機電一體化產(chǎn)品都有一定的可靠性，產(chǎn)品的可靠性與實(shí)驗、設計和產(chǎn)品的維護有著(zhù)極大的關(guān)系。

衡量可靠性的指標很多，常見(jiàn)的有以下幾種：(1)可靠度R（t），即產(chǎn)生在規定條件下、規定時(shí)間內完成規定功能的概率，亦稱(chēng)平均無(wú)故障時(shí)間MTBF；（2）均維修時(shí)間MTTR是指產(chǎn)品從發(fā)現故障到恢復規定功能所需要的時(shí)間；（3）失效率λ（t）是指產(chǎn)品在規定的使用條件下使用到時(shí)刻t后，產(chǎn)品失效的概率；另外還有有效度A(t)等。產(chǎn)品的可靠性變化一般都有一定的規律，其特征曲線(xiàn)如圖1所示，由于其形狀象浴盆，通常稱(chēng)之為“浴盆曲線(xiàn)”。在實(shí)驗和設計初期，由于產(chǎn)品設計制造中的錯誤、軟件不完善以及元器件篩選不夠等原因而造成早期失效率高；通過(guò)修正設計、改進(jìn)工藝、老化元器件、以及整機試驗等，使產(chǎn)品進(jìn)入穩定的偶然失效期；使用一般時(shí)間后，由于器件耗損、整機老化以及維護等原因，產(chǎn)品進(jìn)入了耗損失效期。這就是可靠性特征曲線(xiàn)逞“浴盆曲線(xiàn)”型的原因。

可靠性設計涉及概率論、布爾代數、圖論、集合論、優(yōu)化論等方面。本文將對電子產(chǎn)品的可靠性設計技術(shù)進(jìn)行探討。

電子產(chǎn)品的可靠性設計需要注意以下基本準確：

●產(chǎn)品結構和電路應盡量簡(jiǎn)便。

●盡量選用成熟的結構和典型的電路。

●結構要簡(jiǎn)單化、積木化、插件化。

●如采用新電路，應注意標準化。

●采用新技術(shù)要充分注意繼承性。

●盡量采用數字電路。

●盡量采用集成電路。

●邏輯電路要進(jìn)行簡(jiǎn)化設計。

●對性能指標、可靠性指標要綜合考慮。

●應盡量采用傳統工藝和習慣的操作方法。

●應不斷采用新的可靠性設計技術(shù)。

在電子產(chǎn)品中，常采用的可靠性設計技術(shù)包括元器件的降額設計、冗余化設計、熱設計、電磁兼容設計、維修性設計、漂移設計、容錯設計與故障弱化設計等，有些還包括軟件的可靠性設計。下面對這些主要的設計技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 可靠性設計技術(shù)

2.1 降額設計

所謂降額設計，就是使元器件運用于比額定值低的應力狀態(tài)的一種設計技術(shù)。為了提高元器件的使用可靠性以及延長(cháng)產(chǎn)品的壽命，必須有意識地降低施加在器件上的工作應力（如：電、熱、機械應力等），降額的條件及降額的量值必須綜合確定，以保證電路既能可靠地工作，又能保持其所需的性能。降額的措施也隨元器件類(lèi)型的不同而有不同的規定，如電阻降額是降低其使用功率與額定功率之比；電容降額是使工作電壓低于額定電壓；半導體分立器件降額是使功耗低于額定值；接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應用有關(guān)的限制。

電子元器件的降額，通常有一個(gè)最佳的降額范圍，在這個(gè)范圍內，元器件的工作應力的變化對其失效率有顯著(zhù)的影響，設計也易于實(shí)施，而且不需要設備的重量、體積、成本方面付出太大的代價(jià)。因此，應根據元器件的具體應用情況來(lái)確定適當的降額水平。因為若降額不夠則元器件的失效率會(huì )比較大，不能達到可靠性要求；反之，降額過(guò)度，將使設備的設計發(fā)生困難，并將在設備的重量、體積、成本方面付出較大的代價(jià)，還可能使元器件數量產(chǎn)生不必要的增加，這樣反而會(huì )使設備可靠性下降。

降額的等級分為三個(gè)等級，分別稱(chēng)為Ⅰ級降額、Ⅱ級降額和Ⅲ級降額。

Ⅰ級降額是最大降額，超過(guò)它的更大降額，元器件的可靠性增長(cháng)有限，而且使設計難以實(shí)現。Ⅰ級降額適用于下述情況：設備的失效將嚴重危害人員的生命安全，可能造成重大的經(jīng)濟損失，導致工作任務(wù)的失敗，失敗后無(wú)法維修或維修在經(jīng)濟上不合算等。

Ⅱ級降額指元器件在該范圍內降額時(shí)，設備的可靠性增長(cháng)是急劇的，且設備設計較Ⅰ級降額易于實(shí)現。Ⅱ級降額適用于設備的換效會(huì )使工作水平降級或需支付不合理的維修費用等場(chǎng)合。

Ⅲ級降額指元器件在該范圍內降額時(shí)設備的可靠性增長(cháng)效益最大，且在設備設計上實(shí)現困難最小，它適用于設備的失效對工作任務(wù)的完成影響小、不危及工作任務(wù)的完成或可迅速修復的情況。

2.2 熱設計

由于現代電子設備所用的電子元器件的密度越來(lái)越高，這將使元器件之間通過(guò)傳導、輻射和對流產(chǎn)生熱耦合。因此，熱應力已經(jīng)成為影響電子元器件失效率的一個(gè)最重要的因素。對于某些電路來(lái)說(shuō)，可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境。所以，為了達到預期的可靠性目的，必須將元器件的溫度降低到實(shí)際可以達到的最低水平。有資料表明：環(huán)境溫度每提高10℃，元器件壽命約降低1/2。這就是有名的“10℃法則”。熱設計包括散熱、加裝散熱器和制冷三類(lèi)技術(shù)，這里筆者主要談一談散熱技術(shù)。應用中常采用的方法：

第一種是傳導散熱方法，可選用導熱系數大的材料來(lái)制造傳熱元件，或減小接觸熱阻并盡量縮短傳熱路徑。

第二種是對流散熱方式，對流散熱方式有自然對流散熱和強迫對流散熱兩種方法。自然對流散熱應注意以下幾點(diǎn)：

●設計印制板和元器件時(shí)必須留出多余空間；

●安排元器件時(shí)，應注意溫度場(chǎng)的合理分布；

●充分重視應用煙囪撥風(fēng)原理；

●加大與對流介質(zhì)的接觸面積。

強迫對流散熱方式可采用風(fēng)機（如計算機上的風(fēng)扇）或雙輸入口推拉方式（如帶換熱器的推拉方式）。

第三種是利用熱輻射特性方式，可以采用加大發(fā)熱體表面的粗糙度、加大輻射體周?chē)沫h(huán)境溫差或加大輻射體表面的面積等方法。

在熱設計中，最常采用的方法是加散熱器，其目的是控制半導體的溫度，尤其是結溫Tj，使其低于半導體器件的最大結溫TjMAX，從而提高半導體器件的可靠性。半導體器件和散熱器安裝在一起工作時(shí)的等效熱路圖如圖2所示。圖中各參數的含義如下：

RTj—半導體器件內熱阻，℃/W；

Tj—半導體器件結溫，℃；

Tc—半導體器件殼溫，℃；

Tf—散熱器溫度，℃;

Ta—環(huán)境溫度，℃；

Pc—半導體器件使用功率，W。

根據圖2，散熱器的熱阻RTf應為：

RTf=(RTj-Ta)/Pc-RTj-RTc

散熱器熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據。Tj、RTj是半導體器件提供的參，Pc是設計要求的參數，RTc可以從熱設計專(zhuān)業(yè)書(shū)籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。

（1）自然冷卻散熱器的選擇

首先按以下式子計算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf，即：

RT=(Tjmax-Ta)/Pc

RTf=RT-RTj-RT。

算出RT和RTf之后，可根據RTf和Pc來(lái)選擇散熱器。選擇時(shí)，根據所選散熱RTf和Pc曲線(xiàn)，在橫坐標上查出已知Pc，再查出與Pc對應的散熱器的熱阻R'Tf。

按照R'Tf≤RTf的原則選擇合理的散熱器即可。

（2）強迫風(fēng)冷散熱器的選擇

強迫風(fēng)冷散熱器在選擇時(shí)應根據散熱器的熱阻RTf和風(fēng)速υ來(lái)選擇合適的散熱器和風(fēng)速。

2.3 冗余設計

冗余設計是用一臺或多臺相同單元（系統）構成并聯(lián)形式，當其中一臺發(fā)生故障時(shí)，其它單元仍能使系統正常工作的設計技術(shù)。冗余按特點(diǎn)分為熱冗余儲備和冷冗余儲備；按冗余程度分，有兩重冗余、三重冗余、多重冗余；安冗余范圍分，有元器件冗余、部件冗余、子系統冗余和系統冗余。這種設計技術(shù)通常應用在比較重要，而且對安全性及經(jīng)濟性要求較高的場(chǎng)合，如鍋爐的控制系統、程控交換系統、飛行器的控制系統等。

2.4 電磁兼容性設計

電磁兼容性設計也就是耐環(huán)境設計。首先要明白什么是電磁兼容性問(wèn)題，電磁兼容性問(wèn)題可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是電子電路、設備、系統在工作時(shí)由于相互干擾或受到外界的干擾使其達不到預期的技術(shù)指標；另一類(lèi)電磁兼容性問(wèn)題就是設備雖然沒(méi)有直接受到干擾的影響，但不能通過(guò)國家的電磁兼容標準，如計算機設備產(chǎn)生超過(guò)電磁發(fā)射標準規定的極限值，或在電磁敏感度、靜電敏感度上達不到要求。為了使設備或系統達到電磁兼容狀態(tài)，通常采用印制電路板設計、屏蔽機箱、電源線(xiàn)濾波、信號線(xiàn)濾波、接地、電纜設計等技術(shù)。印制電路板在設計布置時(shí)，應注意以下幾點(diǎn)：

●各級電路連接應盡量縮短，盡可能減少寄生耦合，高頻電路尤其要注意；

●高頻線(xiàn)路應盡量避免平行排列導線(xiàn)以減少寄生耦合，更不能象低頻電路那樣連線(xiàn)扎成一束；

●設計各級電路應盡量按原理圖順序排列布置，避免各級電路交叉排列；

●每級電路的元器件應盡量靠近各級電路的晶體管和電子管，不應分布得太遠，應盡量使各級電路自成回路；

●各級均應采用一點(diǎn)接地或就近接地，以防止地電流回路造成干擾，應將大電流地線(xiàn)和沁電流回路的地線(xiàn)分開(kāi)設置，以防止大電流流進(jìn)公共地線(xiàn)產(chǎn)生較強的耦合干擾；

●對于會(huì )產(chǎn)生較強電磁場(chǎng)的元件和對電磁場(chǎng)感應較靈敏的元件，應垂直布置、遠離或加以屏蔽以防止和減小互感耦合；

●處于強磁場(chǎng)中的地線(xiàn)不應構成閉合回路，以避免出現地環(huán)路電流而產(chǎn)生干擾；

●電源供電線(xiàn)應靠近（電源的）地線(xiàn)并平行排列以增加電源濾波效果。

2.5 漂移設計技術(shù)

產(chǎn)生漂移的原因主要是元器件的參數標準值與實(shí)際數值存在公差、環(huán)境條件變化對元器件性能產(chǎn)生影響或是使用在惡劣環(huán)境而導致元件性能退化等因素。

如果元器件參數值發(fā)生的漂移超出其設計參數范圍，就會(huì )使設備或系統不能完成規定的功能。漂移設計是通過(guò)在設計階段根據線(xiàn)路原理寫(xiě)出特性方程，然后通過(guò)收集元器件的分布參數來(lái)計算它們的漂移范圍以使漂移結果處在設計范圍內來(lái)保證設備正常使用的一種設計方法。

2.6 互連可靠性設計

由于在大部分電子產(chǎn)品中都有接插件，為了降低這些連接部分的故障率，因此有必要進(jìn)行互連可靠性設計，常采用的方法有：

●注意接插件的選型，印制電路板應盡量采用大板或多層板，以減少接插點(diǎn)：

●盡量減少可拔插點(diǎn)，以提高其可靠性，重要部件可采用冗余設計；

●兩個(gè)插頭同時(shí)相對時(shí)，應采用將其中一個(gè)固定，另一個(gè)浮動(dòng)的方式，來(lái)保證對準和拔插；

●采用機械固定方式；

●對于常插拔的部件，最好設計成單面走線(xiàn)；

●連接空間應選擇有序分割；

●饋線(xiàn)和地線(xiàn)應隱蔽安裝。

此外，在電子產(chǎn)品在可靠性設計中，有時(shí)還采用維修性設計技術(shù)、軟件可靠性設計技術(shù)、機械零件可靠性設計技術(shù)、故障安全設計技術(shù)以及一些新的可靠性設計技術(shù)等。限于篇幅，本文不再一一介紹。