電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用概要

李艷

【摘 要】闡述了產(chǎn)品可靠性的定義及分析電子產(chǎn)品可靠性的常見(jiàn)指標(biāo)。提出了設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品可靠性應(yīng)遵循的基本原則，并重點(diǎn)介紹了降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等可靠性設(shè)計(jì)的技術(shù)方法。

【關(guān)鍵詞】可靠性；故障率；可靠性設(shè)計(jì)

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的使用性能要求不斷提高，同時(shí)也更加重視產(chǎn)品的可靠性和安全性。我國(guó)在20世紀(jì)70年代在電子工業(yè)和航空工業(yè)中初步形成可靠性研究體系，并應(yīng)用于軍工產(chǎn)品，與先進(jìn)國(guó)家差距20～30年。目前我國(guó)在用的可靠性標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《GJBZ299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，此標(biāo)準(zhǔn)為電子設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)提供了基本數(shù)據(jù)和方法。本文簡(jiǎn)述電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)理論，對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)方法提出參考性建議。

1.可靠性的技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力稱為可靠性?！耙?guī)定條件”指使用時(shí)的環(huán)境條件和工作條件；“規(guī)定時(shí)間”指產(chǎn)品規(guī)定的任務(wù)時(shí)間；“規(guī)定功能”指產(chǎn)品規(guī)定的必須具備的功能及其技術(shù)指標(biāo)。

衡量產(chǎn)品可靠性水平標(biāo)準(zhǔn)有定量的，也有定性的，最常用的有可靠度、可靠壽命、故障率（失效率）λ（t）、有效壽命與平均壽命、平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF，本文只介紹常用的兩種評(píng)價(jià)方式。

1.1平均無(wú)故障時(shí)間MTBF

在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率；平均故障間隔時(shí)間MTBF的計(jì)算方法有兩種。

（1）元器件計(jì)數(shù)法：該方法適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的早期。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要詳盡了解每個(gè)元器件的應(yīng)用及它們之間的邏輯關(guān)系就可迅速估算出產(chǎn)品的故障率，但預(yù)計(jì)結(jié)果比較粗糙，本文不做具體說(shuō)明。

（2）應(yīng)力分析法：適用于電子產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品具備了詳細(xì)的元器件清單、電應(yīng)力比、環(huán)境溫度等信息，這種方法比元器件計(jì)數(shù)法準(zhǔn)確，是產(chǎn)品在定型和批量生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行可靠性分析實(shí)際應(yīng)用的方法。

首先求出每個(gè)元器件的工作故障率λpi=λbπEπTπQ

式中：λpi—第i種元器件的工作故障率；

λb—元器件基本故障率； πE—環(huán)境系數(shù)；

πT—溫度系數(shù)；πQ—質(zhì)量系數(shù)。

然后計(jì)算產(chǎn)品的工作故障率λs：

λs=Nλpi

式中：λpi—第i中元器件的工作故障率；

N—第i種元器件的數(shù)量； n—產(chǎn)品中元器件的種類數(shù)。

最后計(jì)算產(chǎn)品的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF=1/λs。

1.2產(chǎn)品故障率λ（t）

產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下使用到時(shí)刻t后，產(chǎn)品失效的概率。

λ（t）可用下式進(jìn)行計(jì)算：

λ（t）=

式中：Δr（t）—t時(shí)刻后，Δt時(shí)間內(nèi)的發(fā)生故障的產(chǎn)品數(shù)；

Δt—時(shí)間間隔；Ns（t）—在t時(shí)刻沒(méi)有發(fā)生故障的產(chǎn)品數(shù)。

1.3浴盆曲線

大多數(shù)產(chǎn)品的故障率隨時(shí)間的變化曲線形似浴盆，故將故障率曲線稱為浴盆曲線。產(chǎn)品故障機(jī)理雖然不同，但產(chǎn)品的故障率隨時(shí)間的變化大致可分為三個(gè)階段：

（1）早期故障階段：在產(chǎn)品投入使用的初期，產(chǎn)品的故障率較高，且存在迅速下降的特征。

（2）偶然故障階段：在產(chǎn)品投入使用一段時(shí)間后，產(chǎn)品的故障率可降到一個(gè)較低的水平，且基本處于平衡狀態(tài)，可以近似認(rèn)為故障率為常數(shù)。

（3）耗損故障階段：在產(chǎn)品投入使用相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，產(chǎn)品進(jìn)入耗損故障期，產(chǎn)品的故障率迅速上升，出現(xiàn)大量的產(chǎn)品故障或報(bào)廢。

2.可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)

可靠性設(shè)計(jì)包括對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)、分配、技術(shù)設(shè)計(jì)、評(píng)定等工作。為提高電子產(chǎn)品的可靠性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單化、插件化，盡量選用成熟的結(jié)構(gòu)和典型的電路，還要對(duì)產(chǎn)品的性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。

常采用的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)有元器件的降額設(shè)計(jì)、冗余化設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等。

2.1降額設(shè)計(jì)

降額設(shè)計(jì)是使元器件在低于額定值的應(yīng)力狀態(tài)下工作。為了提高元器件的使用可靠性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的壽命，降低施加在器件上的工作應(yīng)力（如：電、熱、機(jī)械應(yīng)力等），以保證電路既能可靠地工作，又能保持所需的性能。通常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，接觸元件則降低張力、扭力等。

電子元器件通常有一個(gè)最佳的降額范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，元器件工作應(yīng)力的變化對(duì)其失效率有顯著的影響。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮降額的條件及降額的量值，使降額時(shí)設(shè)備的可靠性增長(zhǎng)效益最大，設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)困難最小。

2.2熱設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)代電子設(shè)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(dǎo)、輻射和對(duì)流產(chǎn)生熱耦合。因此熱應(yīng)力是影響電子元器件失效率的一個(gè)最重要的因素。對(duì)于某些電路來(lái)說(shuō)，可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境。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”。為了達(dá)到預(yù)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(dá)到的最低水平。

熱設(shè)計(jì)包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術(shù)， 最常采用的方法是加散熱器方式，如在計(jì)算機(jī)機(jī)箱的電源附近加上風(fēng)扇，以達(dá)到物理散熱。

2.3冗余設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)是用一臺(tái)或多臺(tái)相同單元（系統(tǒng)）構(gòu)成并聯(lián)形式，當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，其它單元仍能使系統(tǒng)正常工作的設(shè)計(jì)技術(shù)。這種設(shè)計(jì)技術(shù)通常應(yīng)用在比較重要，而且對(duì)安全性及經(jīng)濟(jì)性要求較高的場(chǎng)合，如鍋爐的控制系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)等。

2.4電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容性問(wèn)題可以分為兩類：是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

為了使產(chǎn)品達(dá)到電磁兼容狀態(tài)，通常采用印制電路板設(shè)計(jì)、電源線濾波、信號(hào)線濾波、接地等技術(shù)。印制電路板應(yīng)盡量采用大板或多層板以減少接插點(diǎn)，元器件布局時(shí)發(fā)熱元件遠(yuǎn)離關(guān)鍵集成電路，布線盡量避免直角走線。對(duì)噪聲干擾特別敏感的器件應(yīng)重點(diǎn)隔離。頻率大于10兆赫的高速器件走線盡可能短。對(duì)于常插拔的部件，設(shè)計(jì)成單面走線，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，以便減小共模電流輻射。電源線應(yīng)盡可能的靠近地線，數(shù)字地與模擬地分開。低頻電路的地采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，高頻電路采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，接地線加粗構(gòu)成閉環(huán)路。

3.結(jié)束語(yǔ)

隨著電子產(chǎn)品的技術(shù)革新和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性已成為衡量企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)招標(biāo)文件中就明確規(guī)定了投標(biāo)企業(yè)必須提供包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案、主要元器件性能、可靠性計(jì)算過(guò)程及結(jié)果、可靠性相關(guān)工藝等內(nèi)容的可靠性預(yù)計(jì)報(bào)告，這也促進(jìn)了企業(yè)在設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)和試驗(yàn)中開展可靠性設(shè)計(jì)和分析工作，為產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性管理工作建立了良好的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]郭猛.電子設(shè)備可靠性研究[J].信息與電腦（理論版），2011，（09）.