淺談電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計

1 引言

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)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)品的可靠性與實驗、設(shè)計和產(chǎn)品的維護有著極大的關(guān)系。

衡量可靠性的指標很多，常見的有以下幾種：(1)可靠度R（t），即產(chǎn)生在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，亦稱平均無故障時間MTBF；（2）均維修時間MTTR是指產(chǎn)品從發(fā)現(xiàn)故障到恢復(fù)規(guī)定功能所需要的時間；（3）失效率λ（t）是指產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下使用到時刻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(guī)律，其特征曲線如圖1所示，由于其形狀象浴盆，通常稱之為“浴盆曲線”。在實驗和設(shè)計初期，由于產(chǎn)品設(shè)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；通過修正設(shè)計、改進工藝、老化元器件、以及整機試驗等，使產(chǎn)品進入穩(wěn)定的偶然失效期；使用一般時間后，由于器件耗損、整機老化以及維護等原因，產(chǎn)品進入了耗損失效期。這就是可靠性特征曲線逞“浴盆曲線”型的原因。

可靠性設(shè)計涉及概率論、布爾代數(shù)、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(shè)計技術(shù)進行探討。

電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計需要注意以下基本準確：

●產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和電路應(yīng)盡量簡便。

●盡量選用成熟的結(jié)構(gòu)和典型的電路。

●結(jié)構(gòu)要簡單化、積木化、插件化。

●如采用新電路，應(yīng)注意標準化。

●采用新技術(shù)要充分注意繼承性。

●盡量采用數(shù)字電路。

●盡量采用集成電路。

●邏輯電路要進行簡化設(shè)計。

●對性能指標、可靠性指標要綜合考慮。

●應(yīng)盡量采用傳統(tǒng)工藝和習慣的操作方法。

●應(yīng)不斷采用新的可靠性設(shè)計技術(shù)。

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

2 可靠性設(shè)計技術(shù)

2.1 降額設(shè)計

所謂降額設(shè)計，就是使元器件運用于比額定值低的應(yīng)力狀態(tài)的一種設(shè)計技術(shù)。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產(chǎn)品的壽命，必須有意識地降低施加在器件上的工作應(yīng)力（如：電、熱、機械應(yīng)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型的不同而有不同的規(guī)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(dǎo)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(yīng)用有關(guān)的限制。

電子元器件的降額，通常有一個最佳的降額范圍，在這個范圍內(nèi)，元器件的工作應(yīng)力的變化對其失效率有顯著的影響，設(shè)計也易于實施，而且不需要設(shè)備的重量、體積、成本方面付出太大的代價。因此，應(yīng)根據(jù)元器件的具體應(yīng)用情況來確定適當?shù)慕殿~水平。因為若降額不夠則元器件的失效率會比較大，不能達到可靠性要求；反之，降額過度，將使設(shè)備的設(shè)計發(fā)生困難，并將在設(shè)備的重量、體積、成本方面付出較大的代價，還可能使元器件數(shù)量產(chǎn)生不必要的增加，這樣反而會使設(shè)備可靠性下降。

降額的等級分為三個等級，分別稱為Ⅰ級降額、Ⅱ級降額和Ⅲ級降額。

Ⅰ級降額是最大降額，超過它的更大降額，元器件的可靠性增長有限，而且使設(shè)計難以實現(xiàn)。Ⅰ級降額適用于下述情況：設(shè)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(dǎo)致工作任務(wù)的失敗，失敗后無法維修或維修在經(jīng)濟上不合算等。

Ⅱ級降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時，設(shè)備的可靠性增長是急劇的，且設(shè)備設(shè)計較Ⅰ級降額易于實現(xiàn)。Ⅱ級降額適用于設(shè)備的換效會使工作水平降級或需支付不合理的維修費用等場合。

Ⅲ級降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時設(shè)備的可靠性增長效益最大，且在設(shè)備設(shè)計上實現(xiàn)困難最小，它適用于設(shè)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(fù)的情況。

2.2 熱設(shè)計

由于現(xiàn)代電子設(shè)備所用的電子元器件的密度越來越高，這將使元器件之間通過傳導(dǎo)、輻射和對流產(chǎn)生熱耦合。因此，熱應(yīng)力已經(jīng)成為影響電子元器件失效率的一個最重要的因素。對于某些電路來說，可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境。所以，為了達到預(yù)期的可靠性目的，必須將元器件的溫度降低到實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(shè)計包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術(shù)，這里筆者主要談一談散熱技術(shù)。應(yīng)用中常采用的方法：

第一種是傳導(dǎo)散熱方法，可選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料來制造傳熱元件，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(yīng)注意以下幾點：

●設(shè)計印制板和元器件時必須留出多余空間；

●安排元器件時，應(yīng)注意溫度場的合理分布；

●充分重視應(yīng)用煙囪撥風原理；

●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機（如計算機上的風扇）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、加大輻射體周圍的環(huán)境溫差或加大輻射體表面的面積等方法。

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

RTj—半導(dǎo)體器件內(nèi)熱阻，℃/W；

Tj—半導(dǎo)體器件結(jié)溫，℃；

Tc—半導(dǎo)體器件殼溫，℃；

Tf—散熱器溫度，℃;

Ta—環(huán)境溫度，℃；

Pc—半導(dǎo)體器件使用功率，W。

根據(jù)圖2，散熱器的熱阻RTf應(yīng)為：

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

散熱器熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據(jù)。Tj、RTj是半導(dǎo)體器件提供的參，Pc是設(shè)計要求的參數(shù)，RTc可以從熱設(shè)計專業(yè)書籍中查到。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(jù)RTf和Pc來選擇散熱器。選擇時，根據(jù)所選散熱RTf和Pc曲線，在橫坐標上查出已知Pc，再查出與Pc對應(yīng)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）強迫風冷散熱器的選擇

強迫風冷散熱器在選擇時應(yīng)根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風速υ來選擇合適的散熱器和風速。

2.3 冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是用一臺或多臺相同單元（系統(tǒng)）構(gòu)成并聯(lián)形式，當其中一臺發(fā)生故障時，其它單元仍能使系統(tǒng)正常工作的設(shè)計技術(shù)。冗余按特點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(tǒng)冗余和系統(tǒng)冗余。這種設(shè)計技術(shù)通常應(yīng)用在比較重要，而且對安全性及經(jīng)濟性要求較高的場合，如鍋爐的控制系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、飛行器的控制系統(tǒng)等。

2.4 電磁兼容性設(shè)計

電磁兼容性設(shè)計也就是耐環(huán)境設(shè)計。首先要明白什么是電磁兼容性問題，電磁兼容性問題可以分為兩類：一類是電子電路、設(shè)備、系統(tǒng)在工作時由于相互干擾或受到外界的干擾使其達不到預(yù)期的技術(shù)指標；另一類電磁兼容性問題就是設(shè)備雖然沒有直接受到干擾的影響，但不能通過國家的電磁兼容標準，如計算機設(shè)備產(chǎn)生超過電磁發(fā)射標準規(guī)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(shè)備或系統(tǒng)達到電磁兼容狀態(tài)，通常采用印制電路板設(shè)計、屏蔽機箱、電源線濾波、信號線濾波、接地、電纜設(shè)計等技術(shù)。印制電路板在設(shè)計布置時，應(yīng)注意以下幾點：

●各級電路連接應(yīng)盡量縮短，盡可能減少寄生耦合，高頻電路尤其要注意；

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

●設(shè)計各級電路應(yīng)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(yīng)盡量靠近各級電路的晶體管和電子管，不應(yīng)分布得太遠，應(yīng)盡量使各級電路自成回路；

●各級均應(yīng)采用一點接地或就近接地，以防止地電流回路造成干擾，應(yīng)將大電流地線和沁電流回路的地線分開設(shè)置，以防止大電流流進公共地線產(chǎn)生較強的耦合干擾；

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

●處于強磁場中的地線不應(yīng)構(gòu)成閉合回路，以避免出現(xiàn)地環(huán)路電流而產(chǎn)生干擾；

●電源供電線應(yīng)靠近（電源的）地線并平行排列以增加電源濾波效果。

2.5 漂移設(shè)計技術(shù)

產(chǎn)生漂移的原因主要是元器件的參數(shù)標準值與實際數(shù)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(dǎo)致元件性能退化等因素。

如果元器件參數(shù)值發(fā)生的漂移超出其設(shè)計參數(shù)范圍，就會使設(shè)備或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能。漂移設(shè)計是通過在設(shè)計階段根據(jù)線路原理寫出特性方程，然后通過收集元器件的分布參數(shù)來計算它們的漂移范圍以使漂移結(jié)果處在設(shè)計范圍內(nèi)來保證設(shè)備正常使用的一種設(shè)計方法。

2.6 互連可靠性設(shè)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，因此有必要進行互連可靠性設(shè)計，常采用的方法有：

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

●盡量減少可拔插點，以提高其可靠性，重要部件可采用冗余設(shè)計；

●兩個插頭同時相對時，應(yīng)采用將其中一個固定，另一個浮動的方式，來保證對準和拔插；

●采用機械固定方式；

●對于常插拔的部件，最好設(shè)計成單面走線；

●連接空間應(yīng)選擇有序分割；

●饋線和地線應(yīng)隱蔽安裝。

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