電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計淺析

黃天太

（南京康尼電子科技有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

在我國制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型的背景下，產(chǎn)品的可靠性越來越受到開發(fā)方和使用方的重視。電子產(chǎn)品的可靠性有其自身的特點，產(chǎn)品失效率符合浴盆曲線的規(guī)律，其設(shè)計可靠性從很大程度上決定了曲線的走向，討論、總結(jié)電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計方法、管理流程是提高產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)工作[1]。

1 產(chǎn)品可靠性管理體系

產(chǎn)品可靠性管理體系是一套幫助產(chǎn)品設(shè)計工程師和其他人員在產(chǎn)品的全生命周期中管理產(chǎn)品可靠性的制度性保障，用于跟蹤、記錄產(chǎn)品的設(shè)計驗證過程的可靠性數(shù)據(jù)和信息，規(guī)范面向高可靠性產(chǎn)品設(shè)計的流程和方法[2-4]。產(chǎn)品的可靠性設(shè)計必須以強(qiáng)有力的可靠性管理體系作為保障，在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析既有產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)、制定可靠性設(shè)計準(zhǔn)則、建立可靠性設(shè)計的分析方法和流程以及設(shè)計驗證測試方案，從而系統(tǒng)地提高產(chǎn)品的設(shè)計可靠性。

2 可靠性設(shè)計

2.1 產(chǎn)品可靠性需求收集和分析

產(chǎn)品可靠性定義為產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力，因此，要設(shè)計出高可靠性的產(chǎn)品，首先必須收集和分析產(chǎn)品環(huán)境信息，即定義中“規(guī)定的條件”，也可以稱為可靠性需求。主要思路是建立產(chǎn)品的典型任務(wù)剖面、提取環(huán)境特征、挖掘隱性的使用條件，從而形成產(chǎn)品可靠性設(shè)計技術(shù)要求以及對產(chǎn)品樣機(jī)的驗證測試大綱，為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計和驗證確認(rèn)提供依據(jù)[5-8]。

2.2 元器件選型和使用的可靠性控制

電子元器件是構(gòu)成電子產(chǎn)品的最基本要素，其選型直接關(guān)系到產(chǎn)品整體的可靠性。元器件的可靠性需要從以下幾個方面進(jìn)行控制：

（1）元器件優(yōu)選。首先需對現(xiàn)有的元器件進(jìn)行分類篩選，按照類別將經(jīng)過產(chǎn)品長期應(yīng)用考驗的元器件納入優(yōu)選器件庫，供設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計中選用，制定出庫、入庫管理規(guī)范，嚴(yán)格控制新物料的種類。對于新選物料，在條件允許情況下可開展如下工作。

① 定制物料選型技術(shù)規(guī)格清單。一般情況下盡量不使用定制物料，如需使用，必須制定詳盡的技術(shù)規(guī)格清單，從關(guān)鍵電氣參數(shù)、主要電性能、機(jī)械參數(shù)、工藝參數(shù)、工藝輔料、原材料、出廠測試要求、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行明確的規(guī)定，將所有顯性和隱性需求向供方明確，確保定制件的批量一致性和可靠性。

② 器件物理可靠性分析。如條件允許，對于新選型的元器件，可進(jìn)行物理可靠性分析，通過X-RAY、超音波掃描、能譜測試、DECAP、切片等分析方法和手段，評估其物理可靠性，從其固有可靠性上進(jìn)行控制。

③ 器件級的電性能測試。根據(jù)元器件的種類不同，對其關(guān)鍵電氣參數(shù)和應(yīng)用敏感參數(shù)，搭建測試電路進(jìn)行電性能測試，有些器件還需要做耐候性測試，如鹽霧、振動沖擊等。

④ 制定元器件進(jìn)貨檢驗標(biāo)準(zhǔn)。元器件進(jìn)貨檢驗的核心是制定各類元器件的進(jìn)貨檢驗標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)貨檢驗實驗室的搭建。采用合適的檢驗設(shè)備，對元器件包裝、外觀、尺寸、電性能等制定檢驗操作方法和檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

（2）建立元器件通用可靠性要求

① 結(jié)合產(chǎn)品的生產(chǎn)、存儲和使用條件，從元器件的運輸、存儲、組裝、測試、使用等角度制定每類器件的通用可靠性要求，如芯片類器件的潮敏等級、靜電等級等；

② 建立每類元器件的可選制造商名錄；

③ 建立每類器件降額設(shè)計準(zhǔn)則和禁用條件。

2.3 電路的可靠性設(shè)計

（1）電路可靠性設(shè)計準(zhǔn)則。不同產(chǎn)品其使用環(huán)境和可靠性要求不同，電路可靠性設(shè)計準(zhǔn)則由兩個方面組成：

一是根據(jù)產(chǎn)品的可靠性需求，制定滿足該類產(chǎn)品的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，作為企業(yè)可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這部分設(shè)計要求是對可靠性設(shè)計需求的閉環(huán)。比如產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境存在持續(xù)的振動和沖擊，對應(yīng)在設(shè)計中必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計、接插件選型、大型元器件的安裝等方面制定要求。

二是根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)積累、可靠性理論、試驗形成的通用的可提高產(chǎn)品可靠性的設(shè)計方法和原則，主要有以下幾個方面：

① 電路基本通用設(shè)計要求：主要指電路的防反接、上電涌流抑制、過流保護(hù)、上電復(fù)位、看門狗等基本的電路設(shè)計要求。

② 熱設(shè)計：熱應(yīng)力是導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的最為常見因素，電子器件的工作溫度是影響產(chǎn)品壽命和可靠性的關(guān)鍵因素，在減小功率損耗的基礎(chǔ)上，必須合理通過熱的傳導(dǎo)、輻射和對流設(shè)計降低其工作溫度。

③ 電磁兼容設(shè)計：提高電路的抗擾度水平可提高電子產(chǎn)品在復(fù)雜電磁環(huán)境中的可靠性，主要包括靜電、浪涌、快速瞬變脈沖群、電壓中斷跌落和變化、傳導(dǎo)抗擾度、輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度等。需要在設(shè)計階段從電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)、器件選擇、電路板設(shè)計以及軟件等多個方面著手，并通過對樣機(jī)的電磁兼容測試檢驗。

④ 安規(guī)設(shè)計：電子電氣產(chǎn)品的安規(guī)設(shè)計主要包括安全間隙和爬電距離、絕緣耐壓、接地、防電擊、防燃防爆、防電磁輻射等，對電子元器件的選擇和電路設(shè)計有較為成熟的參考和標(biāo)準(zhǔn)要求。

⑤ 可制造性設(shè)計：根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝條件關(guān)注產(chǎn)品的可制造性設(shè)計可有效避免產(chǎn)品在生產(chǎn)、測試過程中受到損傷，降低質(zhì)量隱患，在PCB設(shè)計過程中遵循可制造性的規(guī)則，PCB設(shè)計完成后還可通過相關(guān)軟件工具進(jìn)行DFM檢查，生成報告并優(yōu)化修改。

⑥ 結(jié)構(gòu)和防護(hù)設(shè)計：主要指電路板的安裝結(jié)構(gòu)和防護(hù)，需要避免機(jī)械應(yīng)力對電路板和元器件的損傷，防水防塵等級以及電路板的三防設(shè)計。

（2）失效模式及影響分析。失效模式影響分析（FMEA——Failure Mode and Effect Analysis）是一種重要的可靠性設(shè)計方法，可以對各種可能的風(fēng)險進(jìn)行評價、分析，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險或?qū)⑦@些風(fēng)險減小到可接受的水平內(nèi)，目前在各個行業(yè)中得到廣泛的運用。FEMA認(rèn)識評價產(chǎn)品或者生產(chǎn)過程中的潛在失效及其產(chǎn)生的后果，尋找解決消除或減少潛在失效發(fā)生的措施，最終將全部過程以文件形式存檔。由此提高產(chǎn)品的可靠性，降低批量質(zhì)量問題，降低設(shè)計、生產(chǎn)、制造的質(zhì)量風(fēng)險。

FMEA是利用表格方式協(xié)助工程師進(jìn)行工程分析，使其在工程設(shè)計早期發(fā)現(xiàn)潛在缺陷及其影響程度，及早謀求解決之道，以避免失效的發(fā)生或降低其發(fā)生時產(chǎn)生的影響。

第一，失效模式分析。由下而上分析，即由零、組件至系繞，確定在系統(tǒng)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)屢成功能層次的失效模式。

第二，失效效應(yīng)分析。對每一個失效模式，確定其失效對其上一層模組及最終系統(tǒng)的失效影響，了解其組件界面失效關(guān)聯(lián)性，作為改進(jìn)的依據(jù)。

第三，關(guān)鍵性分析，對每一個失散模式，依其嚴(yán)重等級和發(fā)生幾率綜合評估并予以分類，以便確定預(yù)防或改正措施的內(nèi)容和優(yōu)先順序。

如圖1所示，為某控制器輸入信號接口電路示例，I0輸入信號，經(jīng)過光耦U1隔離，再經(jīng)RC濾波和非門后出輸給軟件。

圖1 某控制器信號輸入接口電路Fig.1 Signal input circuit of a controller as an example

如表1所示，對圖1的電路進(jìn)行FMEA分析，僅對其中的光耦、晶圓電阻、貼片電阻三個器件作分析作為示例。嚴(yán)重度由高至低分為3、2、1三個等級，頻次根據(jù)時效模式的占比分為4、3、2、1四個等級。

（3）最壞情況分析。分析電路組成部分器件參數(shù)的容差范圍，找出最壞組合情況，從而得到電路可能出現(xiàn)的性能參數(shù)偏差。它利用已知零部件參數(shù)的變化極限來預(yù)計系統(tǒng)性能參數(shù)變化是否超過了允許范圍，可以預(yù)測某個系統(tǒng)是否發(fā)生漂移故障，并提供改進(jìn)方向，從而提高產(chǎn)品在惡劣工況下的可靠性和可用性。

（4）冗余設(shè)計。對影響控制器關(guān)鍵功能或安全性的模塊進(jìn)行冗余設(shè)計是提高系統(tǒng)可靠性的有效手段，因此，首先要識別控制器的關(guān)鍵功能部件和安全相關(guān)功能模塊，再通過上述FMEA識別其失效帶來的影響，最后確定冗余設(shè)計的方案。需要重點最關(guān)注以下問題：

第一，主電路模塊和冗余電路模塊最好采用不同的硬件實現(xiàn)方案，避免由于相同的失效機(jī)理或模式的發(fā)生，導(dǎo)致冗余失效。

第二，主電路模塊和冗余電路模塊在設(shè)計階段需要充分地進(jìn)行FMEA，冗余度盡可能深，即源端和終端盡可能延伸得更深入，消除共因故障導(dǎo)致主電路模塊失效時冗余電路模塊也發(fā)生失效。

第三，主電路模塊和冗余電路模塊的工作模式選取，合理選擇熱備份、交替工作、冷備份的冗余工作模式，熱備份即二者同時處于工作狀態(tài)，任意一個模塊失效后另一個模塊單獨工作，其最大的缺點在于可能存在不確定性應(yīng)力導(dǎo)致二者同時失效，優(yōu)點在于無切換間斷；交替工作即二個電路模塊按照一定的周期交替性單獨工作，只在交替瞬間二者同時工作，可有效避免同時失效和切換間斷問題，其缺點在于引入的軟件對交替工作的控制的不可靠性因素；冷備份即正常情況下主電路模塊工作，只有在檢測到其失效后，冗余電路模塊才替代工作，其缺點在存在切換間斷。

第四，主電路模塊和冗余電路模塊必須有獨立、可靠的自診斷功能，確保冗余電路模塊的可用性。

如圖2所示為某控制器的輸出驅(qū)動模塊冗余設(shè)計，虛線框內(nèi)的電路相互冗余，從源端CPU至終端負(fù)載的控制和反饋檢測帶來路完全獨立，有效地避免了共因故障，各環(huán)節(jié)的電路采用不同實現(xiàn)方案，避免了相同失效機(jī)理和模式的失效。

2.4 電路板的可靠性設(shè)計

電路板是電子電路和元器件的載體，其裸板材料及加工工藝、電路板設(shè)計、組裝工藝三個方面是決定其可靠性的關(guān)鍵。

表1 某控制器信號輸入接口電路FMEA分析示例Table1 FMEA for signal input circuit of a controller as an example

（1）印制線路板材料及加工工藝。印制線路板的原材料、性能要求和驗收標(biāo)準(zhǔn)均有完備IPC標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但要獲取良好可靠性的印制線路板，需要在上述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品的可靠性需求，從一般性要求（如板材、介質(zhì)厚度、阻焊、塞孔等）、焊接或組裝工藝要求（如可焊性、離子污染度等）、關(guān)鍵電氣參數(shù)（如阻抗、絕緣耐壓等）、環(huán)境試驗要求（熱沖擊、電遷移等）、機(jī)械試驗要求（抗剝離強(qiáng)度、附著力等）、安規(guī)要求、包裝運輸存儲要求等方面形成具體的技術(shù)規(guī)范。

（2）印制線路板的布局布線設(shè)計。合理的電路板布局布線設(shè)計才能使電路設(shè)計和元器件的可靠性得到最大限度的實現(xiàn)，因此，需要從可靠性的角度制定設(shè)計規(guī)范，包括對電路板尺寸外形、器件布局規(guī)范、走線規(guī)則、各類孔的使用進(jìn)行規(guī)范，從熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、信號完整性、電磁兼容、可制造性、可測試性的角度提供優(yōu)化的設(shè)計規(guī)則。

（3）電路板的生產(chǎn)組裝工藝設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)條件，制定合理的生產(chǎn)組裝、測試工藝路線可有效避免該過程對產(chǎn)品的損傷和潛在質(zhì)量隱患，包括焊接工藝（如焊料、阻焊劑等工藝材料的選取存儲、焊接溫度設(shè)置等），清洗工藝（清洗材料的選取、清洗方法等），三防工藝，在線測試設(shè)備和方法。由于生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品可靠性的影響具有潛伏期，因此，這些工藝參數(shù)的確定需要大量調(diào)研借鑒現(xiàn)有的成熟應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上制定自身的工藝路線，進(jìn)行大量的工藝驗證試驗后方可實施。

3 結(jié)論

構(gòu)建可靠性設(shè)計的準(zhǔn)則、方法論和管理流程，是建立電子產(chǎn)品的可靠性管理體系的重要組成部分，為產(chǎn)品開發(fā)者提供技術(shù)支持和制度保障，可以有效的提升產(chǎn)品的設(shè)計可靠性。