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(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、設計和產(chǎn)品的維護有著極大的關系。

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；通過修正設計、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)品的可靠性設計技術進行探討。

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便。

●盡量選用成熟的結構和典型的電路。

●結構要簡單化、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計。

●對性能指標、可靠性指標要綜合考慮。

●應盡量采用傳統(tǒng)工藝和習慣的操作方法。

●應不斷采用新的可靠性設計技術。

在電子產(chǎn)品中，常采用的可靠性設計技術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進行介紹。

2 可靠性設計技術

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。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)，元器件的工作應力的變化對其失效率有顯著的影響，設計也易于實施，而且不需要設備的重量、體積、成本方面付出太大的代價。因此，應根據(jù)元器件的具體應用情況來確定適當?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，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，而且使設計難以實現(xiàn)。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，設備的可靠性增長是急劇的，且設備設計較Ⅰ級降額易于實現(xiàn)。Ⅱ級降額適用于設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)降額時設備的可靠性增長效益最大，且在設備設計上實現(xiàn)困難最小，它適用于設備的失效對工作任務的完成影響小、不危及工作任務的完成或可迅速修復的情況。

2.2 熱設計

由于現(xiàn)代電子設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、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”。熱設計包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術，這里筆者主要談一談散熱技術。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(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。自然對流散熱應注意以下幾點：

●設計印制板和元器件時必須留出多余空間；

●安排元器件時，應注意溫度場的合理分布；

●充分重視應用煙囪撥風原理；

●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—半導體器件內(nèi)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(jù)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(jù)。Tj、RTj是半導體器件提供的參，Pc是設計要求的參數(shù)，RTc可以從熱設計專業(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 冗余設計

冗余設計是用一臺或多臺相同單元（系統(tǒng)）構成并聯(lián)形式，當其中一臺發(fā)生故障時，其它單元仍能使系統(tǒng)正常工作的設計技術。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。這種設計技術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題，電磁兼容性問題可以分為兩類：一類是電子電路、設備、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期的技術指標；另一類電磁兼容性問題就是設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。為了使設備或系統(tǒng)達到電磁兼容狀態(tài)，通常采用印制電路板設計、屏蔽機箱、電源線濾波、信號線濾波、接地、電纜設計等技術。印制電路板在設計布置時，應注意以下幾點：

●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；

●高頻線路應盡量避免平行排列導線以減少寄生耦合，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，應將大電流地線和沁電流回路的地線分開設置，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；

●處于強磁場中的地線不應構成閉合回路，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 漂移設計技術

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)生的漂移超出其設計參數(shù)范圍，就會使設備或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能。漂移設計是通過在設計階段根據(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果處在設計范圍內(nèi)來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：

●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計；

●兩個插頭同時相對時，應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，最好設計成單面走線；

●連接空間應選擇有序分割；

●饋線和地線應隱蔽安裝。

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