淺談電子產(chǎn)品可靠性優(yōu)化措施

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 馮永平

隨著科技的不斷進步，電子產(chǎn)品在各個行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，電子產(chǎn)品是否可靠將會對整體產(chǎn)品的使用體驗帶來巨大的影響。本文通過對電子產(chǎn)品可靠性概念進行解析，并結(jié)合實際對電子產(chǎn)品的可靠性優(yōu)化提出個人觀點，希望為關(guān)注電子產(chǎn)品可靠性優(yōu)化措施的人群帶來一定的參考啟發(fā)。

1 電子產(chǎn)品可靠性

電子產(chǎn)品可靠性是指電子產(chǎn)品在既定條件、環(huán)境下持續(xù)工作能否達到設(shè)計目標以及設(shè)計要求，并無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性，是產(chǎn)品的一種固有特性。產(chǎn)品的可靠性可以通過可靠程度、故障率和平均無故障時間來評估。通常情況下，在評價一款產(chǎn)品可靠性時，需要對產(chǎn)品整體及所有零部件的使用壽命進行試驗，然后將試驗得出的參數(shù)指標與可靠性設(shè)計要求進行對比，找出性能中的不足之處，并針對參數(shù)反映出的性能問題做出修正、改進，以此來確保電子產(chǎn)品的各項性能指標都能夠符合時代發(fā)展以及市場需求。電子產(chǎn)品研發(fā)人員能夠通過可靠性試驗掌握電子產(chǎn)品與設(shè)計之初的實際差距，并將二者之間的差距不斷縮小。而在軍工產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)標準GJB9001中，更為嚴苛得規(guī)定了“六性”要求，在“六性”中最重要的特性就是可靠性。

1.1 可靠性技術(shù)指標

電子產(chǎn)品可靠性通?？梢杂脭?shù)學(xué)函數(shù)來進行表達，可靠性就是電子產(chǎn)品在使用過程中其各項性能參數(shù)與時間、環(huán)境變化之間的對比，隨著使用場景、使用時長發(fā)生改變，電子產(chǎn)品可靠性亦將發(fā)生變化。就目前而言，電子產(chǎn)品可靠性測試通常都會將可靠度、失效率等參數(shù)作為主要參考，并通過專業(yè)手段、設(shè)備儀器進行對比，這樣就可以在產(chǎn)品正式量產(chǎn)之前掌握產(chǎn)品的全方位綜合評價?？傮w而言，電子產(chǎn)品的可靠性測試就是在更新、研發(fā)過程中的一項重要參考標準。

1.2 電子產(chǎn)品開展可靠性優(yōu)化需要注意的問題

（1）選擇固定電路或有一定標準的結(jié)構(gòu)。減少電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

（2）在開展可靠性試驗時，應(yīng)該注意對電路以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化。

（3）在測試過程中，如出現(xiàn)故障，則必須在故障完全解決后才可進行下一步工作，對某些重大故障或重復(fù)故障，必須采取糾正措施以杜絕同類型故障再次發(fā)生。

（4）在對可靠性試驗數(shù)據(jù)進行分析時，應(yīng)站在全局角度上進行考量，避免出現(xiàn)顧此失彼的現(xiàn)象。

2 電子產(chǎn)品可靠性評價

2.1 評價方法

經(jīng)常使用產(chǎn)品在特定環(huán)境因素及特定工況下的故障頻次數(shù)據(jù)來評價電子產(chǎn)品的可靠性。引起故障的原因可能是技術(shù)方面的，也可能是管理方面的。對于技術(shù)方面的問題，應(yīng)采取技術(shù)歸零的方法進行故障閉環(huán)，優(yōu)先確定故障原因，通過故障定位、機理分析、糾正措施及同類型產(chǎn)品的舉一反三檢查等一系列措施以解決故障，其中機理分析是關(guān)鍵，糾正措施是核心。對于管理方面的故障需要采取管理歸零的方法進行故障閉環(huán)，明確故障過程，清晰責(zé)任人員并采取一定的懲罰措施，最后修改規(guī)章制度，為后續(xù)產(chǎn)品的可靠性提高指明正確的方向。

2.2 可靠性參數(shù)化

在對電子產(chǎn)品可靠性參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計時，設(shè)計人員需要提前對電子產(chǎn)品工藝、設(shè)計等方面的參數(shù)信息進行整理分析，并了解各項參數(shù)的敏感性，然后根據(jù)電子產(chǎn)品的設(shè)計要求對產(chǎn)品各性能參數(shù)進行優(yōu)化。

2.3 可靠性的仿真分析

在對電子產(chǎn)品開展可靠性仿真分析時，設(shè)計人員應(yīng)該將產(chǎn)品工作載荷、環(huán)境、特性等方面內(nèi)容全部輸入，其中產(chǎn)品工作載荷包括有電流、功率等內(nèi)容，環(huán)境則包括產(chǎn)品壽命、溫度、沖擊等，使電子產(chǎn)品的各種數(shù)據(jù)信息在產(chǎn)品分析模型中能夠非常清晰地表現(xiàn)出來，設(shè)計人員對溫度、機械應(yīng)力等各數(shù)據(jù)分析完畢后，則可以繼續(xù)對設(shè)備潛在故障進行分析，并對故障出現(xiàn)時機做出推測，當(dāng)設(shè)計人員完全掌握故障機理之后，就可以對電子產(chǎn)品做出設(shè)計優(yōu)化，找出產(chǎn)品改進的具體方向。

3 電子產(chǎn)品可靠性優(yōu)化措施

3.1 生產(chǎn)過程控制

（1）特殊過程控制。電子產(chǎn)品的特殊過程主要是指產(chǎn)品合格后，不能通過后續(xù)的監(jiān)視或測量進行驗證或不能進行經(jīng)濟驗證。在對電子產(chǎn)品進行可靠性試驗時，如果無法科學(xué)驗證合格程度，這將對電子產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生一定的影響。所以為了提升電子產(chǎn)品質(zhì)量，需對電子產(chǎn)品的特殊過程加以控制，做好特殊過程的識別、確認準則的編制及確認的實施，確保特殊過程受控、滿足要求，記錄完整、清晰并可追溯。對于某些通用特殊過程，例如印制板SMT過程，三防過程等，需要明確專人專設(shè)備生產(chǎn)，確保特殊過程控制得當(dāng)。

（2）關(guān)鍵過程控制。電子產(chǎn)品關(guān)鍵過程指對質(zhì)量特性起絕對性作用的形成過程，而起絕對性作用的某部件則為關(guān)鍵件。如果關(guān)鍵件發(fā)生故障，則容易造成重大損失，設(shè)計人員在研制階段工藝設(shè)計報告中需明確關(guān)鍵過程及關(guān)鍵件，并在生產(chǎn)圖紙中重點標注。關(guān)鍵過程的檢驗必須設(shè)置自檢和專檢，并統(tǒng)計檢驗合格率以考核生產(chǎn)人員KPI。

（3）外協(xié)外購管理。外協(xié)是指生產(chǎn)過程中由于本公司技術(shù)、工藝和設(shè)備等條件限制，必須由外單位協(xié)助完成的產(chǎn)品部分研發(fā)，生產(chǎn)等工作。外購產(chǎn)品是指標準化的電子元器件等貨架產(chǎn)品。外協(xié)外購需遵循“誰外協(xié)，誰負責(zé)，誰采購誰負責(zé)”的質(zhì)量責(zé)任原則。在落實外協(xié)外購單位時，需赴對方單位實地考察，并參與外協(xié)單位的過程檢驗過程。明確外協(xié)產(chǎn)品常規(guī)檢驗、飛行檢驗等管理制度，做好外購產(chǎn)品的進貨復(fù)驗工作，關(guān)鍵原材料、零部件必須100%復(fù)驗。

（4）技術(shù)狀態(tài)管理。產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)分為功能特性及物理特性，功能特性指產(chǎn)品的性能指標、設(shè)計約束條件和使用保障要求。物理特性是指產(chǎn)品的形狀、尺寸、重量等。由設(shè)計人員負責(zé)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)識別、控制、審核工作。技術(shù)狀態(tài)的更改必須執(zhí)行“論證充分、試驗驗證、各方認可、落實到位”四條原則。

3.2 FMEA分析

失效模式與影響分析（FMEA）可以評價、分析各種有可能出現(xiàn)的風(fēng)險情況，然后結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)消除風(fēng)險，將風(fēng)險帶來的影響控制在能夠接受的水平。這種分析方法已經(jīng)在各行各業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用，通過找出產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用中的失效風(fēng)險以及風(fēng)險能夠帶來的結(jié)果，可以幫助設(shè)計人員有針對性地解決失效問題，增加電子產(chǎn)品質(zhì)量。FMEA可以通過表格協(xié)助設(shè)計人員完成數(shù)據(jù)分析處理，從而令設(shè)計人員在設(shè)計期間提前掌握設(shè)計方案中的缺陷以及影響，以此來提前制定解決方案，避免因為電子產(chǎn)品失效、性能下降而受到影響。失效模式影響分析主要內(nèi)容如下：

（1）失效模式。自下而上的歸納分析法，評價產(chǎn)品中的每一個零部件產(chǎn)生故障對整體產(chǎn)品的影響，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程中的薄弱環(huán)節(jié)，提供改進優(yōu)化方案。

（2）失效效應(yīng)。分析各種故障模式，掌握故障對上層模塊和最終系統(tǒng)的影響，掌握部件之間的故障相關(guān)性，掌握改進和優(yōu)化的關(guān)鍵。

（3）關(guān)鍵性分析，在對所有失效模式根據(jù)嚴重程度、出現(xiàn)概率進行評估之后需要進行分類，通過這種方式能夠確定制定優(yōu)化措施時的先后順序。

（4）最壞情況。設(shè)計人員對電路組成部分參數(shù)的容差范圍進行分析之后，能夠找出組合中的最壞情況，從而了解鏈路中有可能出現(xiàn)的性能參數(shù)偏差，通過利用已知參數(shù)的變化極限能夠預(yù)測出各項性能參數(shù)的變化數(shù)值，為零部件后續(xù)優(yōu)化帶來改進方向，增加產(chǎn)品可靠性。

3.3 設(shè)計優(yōu)化

由于電子產(chǎn)品面對的工作環(huán)境各不相同，所以在對其電路進行可靠性優(yōu)化設(shè)計時需要將產(chǎn)品可靠性需求放在首位，確保制定出的設(shè)計方案能夠有效滿足電子產(chǎn)品的設(shè)計標準。例如電子產(chǎn)品在日常運行期間需要面對持續(xù)振動、沖擊，則在設(shè)計過程中就要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、接插件選型等方面入手，以此來確保電子產(chǎn)品符合實際要求。除此之外，還要在優(yōu)化設(shè)計期間結(jié)合當(dāng)前已有的技術(shù)、理論，將已經(jīng)經(jīng)過試驗驗證的通用設(shè)計方法、原則融入到產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計中，此類設(shè)計方法如下：

（1）通用設(shè)計要求。在優(yōu)化設(shè)計期間需要針對防反接、過流保護等內(nèi)容進行綜合設(shè)計。

（2）熱設(shè)計。對于電子產(chǎn)品而言，導(dǎo)致其出現(xiàn)失效情況的主要原因之一便是熱應(yīng)力。高溫環(huán)境會使絕緣材料性能下降，元器件損壞，低熔點焊縫開裂、焊點脫落等，在設(shè)計期間，應(yīng)該在降低功率損耗的同時合理利用熱傳導(dǎo)、對流設(shè)計等方法來優(yōu)化電子產(chǎn)品的工作溫度，減少溫度對產(chǎn)品可靠性的影響。

（3）電磁兼容。在設(shè)計期間，通過優(yōu)化電路抗擾度能夠有效提升電子產(chǎn)品在復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)的可靠性，設(shè)計人員需要專門對電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)等多角度進行設(shè)計，然后進行樣機電磁兼容測試，以達到產(chǎn)品的電磁兼容要求。

（4）簡化設(shè)計。產(chǎn)品越復(fù)雜，產(chǎn)品單元零件越多，產(chǎn)品的固有可靠性就越低。在設(shè)計過程中，保證必要功能的前提下，減少硬件或者軟件的數(shù)量，去掉多余或不必要的功能，可以有效提高可靠性。

（5）可制造性設(shè)計。設(shè)計過程中必須結(jié)合當(dāng)前的工藝水平，避免產(chǎn)品在方案正式實施之后無法達到設(shè)計標準。在PCB設(shè)計結(jié)束之后要對方案進行檢查，然后結(jié)合設(shè)計報告來修改設(shè)計方案。

（6）結(jié)構(gòu)防護設(shè)計。電路板安裝結(jié)構(gòu)、防護設(shè)計非常關(guān)鍵，若方案不夠嚴謹，就有可能導(dǎo)致電子產(chǎn)品電路板以及元器件在機械應(yīng)力下出現(xiàn)損傷。

（7）余度設(shè)計。對某一特別重要的功能，有必要采用多種途徑來實現(xiàn)。只有在各個方案均出現(xiàn)故障時，產(chǎn)品才會喪失該重要功能。采用余度設(shè)計必然導(dǎo)致產(chǎn)品成本的上升，并與第四點簡化設(shè)計相矛盾，設(shè)計人員必須權(quán)衡利弊后再考慮是否采用余度設(shè)計。

（8）降額設(shè)計。使產(chǎn)品元器件工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷?guī)定的額定值，其中關(guān)鍵元器件可采用60%降額使用，降額設(shè)計有效降低了元器件老化速率，降低整體產(chǎn)品故障率。

結(jié)論：總而言之，在電子產(chǎn)品運行期間，其可靠性非常關(guān)鍵。了解電子產(chǎn)品可靠性能夠?qū)㈦娮赢a(chǎn)品的使用壽命、性能參數(shù)完全發(fā)揮出來，因為根據(jù)可靠性不同，產(chǎn)品的適用范圍同樣有所不同。相信當(dāng)更多人了解到可靠性的作用之后，電子產(chǎn)品質(zhì)量一定會變得更好。