微機測控系統中元器件的可靠性與選擇

摘要：元器件可靠性使用電子元器件進(jìn)行電路設計及軟件編程的基礎，而在系統設計時(shí)，元器件性能的好壞與穩定性將直接影響到整個(gè)系統的性能和可靠性。文中主要對微機測控系統中的元器件可靠性進(jìn)行了分析，并詳細闡述了影響元器件可靠性的原因和機理，最后討論了提高元器件可能性的一些原則措施。

關(guān)鍵詞：測控系統 元器件 可靠性

元器件可靠性是選擇電子元器件、電路設計和軟件編程的理論基礎。而可靠性是用以描述系統長(cháng)期穩定、正常運行能力的一個(gè)通用概念，也是產(chǎn)品質(zhì)量在時(shí)間方面的特征表示。從統計角度來(lái)看，它是某個(gè)產(chǎn)品或系統在某一時(shí)間內穩定并正常完成預定功能指標的概率?？傊?，可靠性是指產(chǎn)品或系統在規定條件下和規定時(shí)間內完成規定功能的能力，常用可靠度、失效率、平均無(wú)故障時(shí)間三個(gè)特征量對其進(jìn)行描述。

影響測控系統可靠性的因素有內部與外部?jì)煞矫?。內部因素主要有元器件本身的性能與可靠性、系統結構設計、安裝與調試。外部因素是指測控系統所處的工作環(huán)境（外部設備或空間條件）所導致的系統不可靠運行的所有外界因素。在系統設計時(shí)，元器件的選擇是根本，其性能的好壞與穩定性將直接影響整個(gè)系統的性能與可靠性。因此，在可靠性設計當中，首要的工作是精選元器件，并使其在長(cháng)期穩定性、精度等級方面滿(mǎn)足要求。元器件的可靠性研究主要包括元件的失效特性、的效機理、抗干擾性能、元件選用方法、安裝工藝及環(huán)境對元件性能的影響等方面。文中將對此作詳細介紹。

1 元器件的失效特性

元器件的失效特征，主要是指失鏟規律和失效形式。

1.1 失效規律

元器件的失效規律分為三部分：早期失效期、穩定工作期和衰老期。早期失效主要發(fā)生在元件制造或微機系統剛投入運行后的短暫時(shí)間，其失效原因主要有：（1）元件本身存在的固有缺陶，如漏氣、接點(diǎn)斷裂等；（2）安裝工藝不可靠，如焊接不牢固等；（3）環(huán)境條件惡化，如溫度高、溫度大（可加速元件的失效）?？梢酝ㄟ^(guò)篩選元件、嚴格安裝工藝以及防止安裝前元件的老化來(lái)克服元件的早期失效。

穩定工作期元件的突然性失效少，暫時(shí)性故障較多，這是因為元器件工作中的瞬時(shí)應力超過(guò)了元件所能承受的強度。而衰老期元件的失效率大大增加，可靠性也急劇下降。因此造成元件衰老的主要原因是：元件物理變化和機械磨損。

1.2 失效形式

元器件的失效形式可分為：突然失效、退化失效、局部失效和全部失效。突然的效是因元件參數急劇變化，或因元件制造工藝不良、環(huán)境條件變壞而導致短路或開(kāi)路所造成的。退化失效是因元件制造公差、溫度系數變化、材料變質(zhì)、電源電壓波動(dòng)、工藝不良等因素使元器件參數逐漸變差，性能逐漸降低而形成的。由退化失鏟而導致的系統局部功能失效，稱(chēng)為局部失效；由突然失效而使整個(gè)系統失效，稱(chēng)為全局失效。

2 元件的失效機理

元件的失效直接受溫度、濕度、電壓、機械的影響。

2.1 溫度影響

（1）環(huán)境溫度對半導體器件的影響

環(huán)境溫度升高將使半導體器件的最大允許功耗下降。因為溫度升高將直接使結溫升高，引起最高工作電壓下降，P-N結構的正向壓降減少，其開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)電平減少，元件的低電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而變小，而高電平抗干擾電壓容限則隨溫度升高而增大，因而造成輸出電平偏移，波形失真，穩態(tài)失調，甚至會(huì )出現P-N結熱擊穿而損壞。

（2）溫度變化對電阻的影響

溫度變化對電阻的影響主要是當溫度升高時(shí)，電阻內部的熱噪聲加劇使其阻值偏離標準值、允許耗散功率下降等。

（3）溫度變化對電容的影響

溫度變化將引起電容介質(zhì)損耗變化，從而影響電容的使用壽命，同時(shí)還會(huì )引起阻容時(shí)間常數的變化，甚至可能發(fā)生因介質(zhì)損耗過(guò)大而熱擊穿的情況。

此外，溫度升高也將使電感線(xiàn)圈、變壓器、扼流圈等器件的絕緣性能下降。為了減小由溫度引起的干擾，除了選用熱穩定性能好的元器件外，還要改善其運行環(huán)境條件。

2.2 濕度影響

濕度很高的運行環(huán)境將使那些密封性能較差的元件受到腐蝕，從而造成退化失效；在這種環(huán)境下，當含酸堿性的塵埃落到線(xiàn)路板或配電盤(pán)上時(shí)，將迅速腐蝕元器件的焊點(diǎn)與接線(xiàn)處，從而造成焊點(diǎn)脫落，接頭斷裂而引起接觸故障；濕度過(guò)高也是引起漏電耦合的主要原因。當具有導電性的塵埃落到線(xiàn)路板上時(shí)，其表面的絕緣性能下降。若高電壓因漏電而耦合到低電壓器件，將可能造成電壓擊穿。

2.3 振動(dòng)、沖擊影響

機械振動(dòng)與沖擊會(huì )使一些內部有缺陷的元件加速失效，從而造成災難性故障；機械振動(dòng)還會(huì )使焊點(diǎn)、壓線(xiàn)點(diǎn)發(fā)生松動(dòng)而導致接觸不良；若振動(dòng)導致某些不應相連的導線(xiàn)碰連，會(huì )產(chǎn)生意想不到的后果。

2.4 電壓的影響

加在元器件上的電壓的穩定性是保證元器件能夠正常運行的重要條件。過(guò)高的電壓會(huì )增加元器件的熱損耗，甚至造成電壓擊空。

3 元件的降額設計

降額使用是指在低于額定電壓和電流條件下使用元器件，對元件進(jìn)行降額設計的目的是為了使元件可以降額使用，降額設計能提高元器件的可靠性。降額設計元器件壽命試驗表明，失效率隨著(zhù)工作電壓、環(huán)境溫度的提高而成倍地增加。降額設計就是為了使元件在低于其額定應力情況下工作。影響設計機系統可靠性的應力有：電應力（電壓、電流、功率和頻率等）、溫度、機械應力（振動(dòng)、沖擊等）。當工作應力高于額定應力時(shí)，其失效率就增加。反之，則降低。例如，在電阻使用時(shí)，實(shí)際負載功率要低于額定功率的30%，在裝配精度要求很高時(shí)，應低于額定功率的50%；而電阻使用的最高電壓，最好只用到最高允許值的50%左右。特別是在高壓電路中，若考慮到由于塵埃和濕度的影響而導致漏電增多，以降低電壓50%左右使用是比較安全的；在高頻使用時(shí)，由于分布電容的存在，其阻值一般都要減小。通常體積小、阻值低的電阻，特性變化較少，高頻特性也好。因此，在較寬頻帶的電路中，最好選用體積小的金屬膜電阻，并應盡量縮短引線(xiàn)。不讓高頻信號通過(guò)高阻值的電阻。若在高頻電路中使用線(xiàn)型電阻，則以選用低電阻為好。此外，還應注意印刷電路板的接地布置，以盡量降低電阻的對地分布電容。降額使用多用于無(wú)源元件、大功率器件、電源模塊或大電流開(kāi)關(guān)器件等。而它通常不適用于TTL器件，因為T(mén)TL電路對工作電壓范圍要求較嚴。

4 元器件的選擇

元器件的正確選用是微機測控系統可靠性設計中的重要環(huán)節。在選擇元器件時(shí)，不但要滿(mǎn)足性能要求，而且還必須是集成度高，抗干擾能力強，功耗又小的電子器件。在系統設計中半導體器件的選擇對系統的性能和可靠性影響極大。以下是半導體器件的選擇原則：

（1）為了使半導體器件滿(mǎn)足系統性能要求，必須深入了解元器件的電器參數。例如，對于二極管，應考慮最大反響電壓、最大正向電流、反向電流、正向壓降和工作頻率。對于集成電路，要考慮的主要有電源電壓、負載電流、輸入信號電壓、輸出電平、環(huán)境溫度、扇出數以及封裝形式等。

（2）為了使半導體器件滿(mǎn)足系統可靠性要求，要注意溫度對器件性能的影響，通常應選擇溫漂小、穩定性好的元器件。

（3）測控系統選用集成度較高的芯片可以減少元器件的數量，使印刷電路板布局簡(jiǎn)單，減少焊接和連線(xiàn)，因而可大大減少故障和干擾的概率，使系統的可靠性大大提高。因此，在測控系統中，應盡量選用集成芯片，尤其是大規模集成芯片，而避免使用分離元件和小規模集成芯片。

（4）測控系統所處的外部環(huán)境往往有嚴重干擾，因此，應盡量選用抗干擾性能好的元器件。如選用CMOS器件來(lái)提高噪聲容限；選用測量放大器來(lái)抑制共模干擾；選用積分型A/D來(lái)抑制工頻干擾等。

（5）在野外作業(yè)的單片機智能化測試設備，由于采用電池供電，因此可選用功耗小的CMOS器件。

5 元器件裝配工藝對可靠性的影響

測控系統中包含大量的元件和組件，它們都是通過(guò)焊點(diǎn)或接插連接起來(lái)的。由于連續導線(xiàn)數量大，焊點(diǎn)多，運行時(shí)一旦出現故障，往往很難迅速查明故障點(diǎn)。因此，優(yōu)良的安裝工藝是系統系統設計的重要環(huán)節。因此在測控系統中必須注意焊點(diǎn)質(zhì)量，防止虛焊；要將較重的元件安裝在印刷底板上，并使用專(zhuān)門(mén)緊固件，而不應靠焊錫固定；接插件也要安裝可靠，保證接觸良好；結構、布局要合理，各種走線(xiàn)（包括印刷板上的走線(xiàn)）要盡量縮短，并且各部件要遠離熱源和干擾源。

6 結束語(yǔ)

設計一個(gè)高可靠微機測控系統，除了要考慮精選元器件，防止元器件老化、測試和降額使用等內部條件外，還要考慮部件及系統級的可靠性措施。如：冗余技術(shù)、電磁兼容性設計、故障自動(dòng)檢測與診斷技術(shù)、軟件可靠性技術(shù)和失效保險技術(shù)等。另外，還要保證微機控制系統具有穩定、可靠、長(cháng)期運行的良好外部運行環(huán)境。