电子产品可靠性设计知识

电子产品可靠性设计知识（一）主要名词术语•可靠性：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。•失效：产品丧失规定功能。对可修复产品，通常称故障。•可靠性特征量：用来表示可靠性高低的各种数量指标。平均寿命：对不可修复产品，是指其失效前的平均工作时间；对可修复产品，是指其相邻两故障间的工作时间，也称平均无故障工作时间（MTBF）。失效率：工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内失效的概率，记λ（t）。其基本单位为菲特（1菲特=10-9/小时）。一般电子产品的失效分布均符合指数分布，其λ（t）为一浴盆曲线。λ（t）的浴盆曲线。λ（t）早期失效偶然失效耗损失效0t浴盆曲线表明产品失效分为三个阶段早期失效：由于设计不完善、制造过程的缺陷、管理不善、检验疏忽等造成的失效。其λ（t）随工作时间的增加而快速下降。偶然失效：产品由于应力条件不可预测的偶然变化造成的失效。其λ（t）＝λ为一恒定值。耗损失效：产品由于老化、磨损、损耗、疲劳等原因而发生的失效。产品的正常使用应处于偶然失效期。可靠性测定试验：为确定产品的可靠性特征量的数值而进行的试验。可靠性验证试验：为确定产品的可靠性特征量是否达到所要求的数值而进行的试验。加速试验：为缩短试验时间，在不改变失效机理的条件下，用加大应力的方法进行的试验。（二）可靠性设计意义：可靠性设计奠定产品可靠性的基础，制造保证产品的可靠性，使用保持产品的可靠性。但制造和使用中许多问题也是设计的内容。要求：可靠性、稳定性、安全性、操作性、维修性和经济型。原则：1）尽量采用经过验证确实能提高可靠性的新技术、新结构、新器件和新工艺。2）尽量简化电路和机械结构。3）尽量减少元器件、连线、接点及接插件数量。4）尽量采用可靠性高的标准电路和结构件。可靠性计算方法：一般电子产品的可靠性模型为串联模型，且一般电子元器件和整机的失效为指数分布。可用“失效代数和法”计算，即系统失效率为各单元电路元器件、结构件、装配及调整等的失效率总和：λs＝ΣNiλi其中λi为系统中第i种的失效率（i=1，2，…，n），Ni为该种的单机用量。则系统可靠性可计算为：MTBFs＝1/(1+α)Dkλs其中α为补偿系数（一般取0.1），D为鉴别比（民用品一般取3），k为环境因子（实验室取0.5~1、室内家用电器1~10、野外地面固定设备3~8、船舶10~18、地面移动设备13~30、飞机50~80）。市场调查总体设计可靠性预计及分配元器件选择及降额热设计漂移设计抗干扰及暂态保护设计环境试验工艺设计安全设计人机系统设计可靠性设计审查及价值分析鉴定试验试生产和试销售可靠性设计程序结构设计一．可靠性预计：从各子系统、部件、元器件的现实可靠性指标来综合预计出系统可能达到的可靠性水平。1．目的：1）发现系统的薄弱环节。2）进行各设计方案的比较。3）作为可靠性分配的根据。2．根据：1）元器件的现场失效率λ：通过整机高温负荷老化、高温、负荷可靠性试验、月早期返修及年累计返修统计数据等求得：λ＝r/mnt（其中r为该元器件的失效数、m为收集的整机台数、n为某元器件的单机用量、t为平均工作时间）2）基本失效率λ0：指正常寿命期间的失效率或在试验室额定条件下试验得到的失效率。通常元器件的λ0为常数（半导体器件的λ0随时间增长而缓慢下降）。二。可靠性分配：当可靠性预计值达不到要求的可靠性指标时，需进行可靠性分配，即将系统的目标可靠性指标合理分配到系统的各组成单元及各元器件。1）由可靠性预计得出预计的失效率λ预计。2）由整机规定的可靠性指标计算出整机允许的总失效率λ允许。3）求出失效率差值λ差＝λ预计－λ允许。并根据各电路单元失效率的比例、重要性及实现的可能性将失效率差值分配到各电路单元和元器件。4）将各电路单元失效率的预计值减去分配的差值求得各电路单元失效率的分配值。例：某产品中电源单元可靠性预计与分配表元器件预计值分配值名称数量λ(10-5/h)nλ(10-5/h)λ(10-5/h)nλ(10-5/h)整流二极管40.5802.3200.0600.240稳压二极管10.1400.1400.0200.020大功率三极管10.7500.7500.1200.120中功率三极管10.6700.6700.1000.100小功率三极管10.5200.5200.0500.050电源变压器10.0900.0900.0500.050保险丝20.1000.2000.0200.040电解电容器50.0500.2500.0050.025电容器40.0150.0600.0020.008电阻70.0100.0700.0020.014可调电阻10.2700.2700.0500.050电源开关10.2700.2700.0050.005接插件10.0240.0240.0050.005合计5.6340.677三。元器件：1．按“可靠性第一，性能第二”来简化系统及电路，减少元器件数量。2．合理选择应用元器件：1）按加于元器件的电应力（电压、电流、功率、频率、脉宽等）性质与大小来选用。2）按环境应力（温度、湿度等）来选用。3）按电磁兼容性要求选择元器件。从限制干扰电平和减少干扰耦合两方面来考虑。4）集成化设计。优先采用IC。5）降额使用（减额设计）。降额比S＝使用电应力/额定电应力6）降温使用。3．压缩元器件的品种和规格。四．热设计：1。防热措施。元器件的选用及安装排列好坏是关键。2。散热措施。•加强外壳的散热，采用导热系数较高的材料、减薄壁厚。•合理设计外壳的通风结构，加强对流，进、出风口原则上应开在温升最大处，注意防止二者间有气流障碍或气流短路结构。•合理布局，用散热器等加强发热件的辐射散热。•采用强制风冷、水冷等措施。五．漂移设计：1。电路漂移设计•工作状态设计：合理选择工作点。•温度补偿设计：工作点的温度补偿、参数补偿等。•环境控制设计：采取恒温、密封、特殊冷却等。•正确选用元器件：要考虑实际使用最恶劣的条件。•对元器件进行特性值稳定，如高温功率老练筛选等。2。机械漂移设计机械零件的寿命特点是因磨损和振动疲劳而损坏。•传动部件强度和刚度的漂移设计：使其在恶劣环境下与其他电子部件同时进入“浴盆曲线”的正常磨损期。•摩擦部位及机械关节处进行密封设计。•合理选择耐磨和抗振动疲劳的材料，正确使用新型润滑材料。采用抗磨损的特殊工艺等。3。设备正确储存与环境防护设计六．抗干扰设计及暂态保护设计：1．抗干扰设计（也称电磁兼容设计）•使电子设备既不受机外电磁干扰影响，也不受机内各单元电路及元器件间产生的各种电磁干扰影响。主要方法有：电磁屏蔽措施（低频电场和高频电磁场均采用良导体屏蔽，低频磁场需要用顺磁材料屏蔽，尽可能密封）、采用干扰抑制电路、模拟信号采用数字化处理、合理布局走线（特别是电源供电和接地）、加强电源滤波退耦、改进机械结构抑制机震等。•使电子设备不产生电磁干扰影响其他电子设备正常工作（也称电磁污染）。主要方法有：电磁屏蔽措施、合理布局走线、采用干扰抑制电路、采用进线滤波器隔离电源单元与电网。2．暂态保护设计雷电、高压打火、开关机瞬间浪涌、工作在开关状态的电抗性负载等将产生比正常工作条件大几倍甚至几十倍的峰值电压和电流。使元器件特别是半导体器件产生过电压击穿、瞬时功率击穿而失效。•对工作在暂态的元器件合理选用电压、电流余量更大和开关特性更好的元器件。•采用屏蔽、隔离、设置泄放通路、限流、限压、阻尼等措施减轻峰值电压和电流。•对高频、高阻等易损坏半导体器件设置保护电路。3。单片机系统可靠性设计影响其可靠性的因素主要就是干扰。•选择自身抗干扰能力强的单片机。注意其Ｉ／Ｏ口结构、系统时钟、电源脚排列、时钟监视，低电压复位等因素。•硬件措施接地：一点接地和多点接地、数字地和模拟地分开、交流地与信号地不共用、系统浮地，机壳接地等。采用屏蔽技术、隔离器件、加强电源滤波。•软件系统采用开机自检程序、软件陷阱、“跑飞”处理程序、输出端周期性刷新、输入重复采样、加平均等方法消除干扰的影响。七．工艺设计：1。将产品设计得便于装配、调试、检验、包装运输等（包括为这些过程设计有效的工艺手段和装置，制造过程中各零、部、整件的简易包装和盛器）。2。精心安排工艺流程并严格执行各工序的工艺操作方法。•各工序工作量应接近，无快速工序以免粗制滥造。•根据具体情况仔细分析、合理安排工序排列的次序。•关键工序要加强控制，并适当提高操作人员技术水平的要求。•安排足够的调试工位，尽量采用专用工作台、专用仪表、集中信号源等以减少特性离散度。•在装配工序和调试工序中应安排修理工位，其人员的技能水平应较全面并具有一定工艺分析能力。•重视中间检验工位的安排。建立经常、普遍和可信的质量记录报告制度和线内的质量反馈途径。八．安全设计：很多电子产品都使用电网电源，必须保证用户在使用中的安全。安全设计包括电路和结构的内容，主要是防触电、防爆炸和防起火。•对机外能触及的金属件必须满足绝缘要求。•对影响安全性的器件如电源线、电源开关、电源变压器、开关变压器、保险丝、电路板、隔离电阻电容、熔断电阻等都必须选用经过安全论证的产品。•易受高温、高压放电影响的部位必须采用阻燃或缓燃的材料。•PCB设计必须保证相关处有足够的爬电距离和间隙。•安全标记清楚完备，不会被水、汽油等擦去，以告知用户在使用和维护中保证安全。九．人机系统设计：1．人和机器有不同特点，设计中经认真分析使机器取代人的部分工作会大大提高设备的效能和可靠性。•凡是笨重、快速、精细、单调、操作复杂和环境恶劣的工作适合机器承担。•凡是设计、维修、处理偶发性事件或创造性的工作适合由人承担。2．实际使用过程中，人和设备之间总是相互配合又相互制约的去完成特定功能。人和设备间的联系为感官和显示器、肢体和控制器。必须根据人的感官和肢体的生理特点来设计显示器和控制器（型式、数量、大小、颜色、排列位置等）。