电子元器件选择与应用对整机可靠性影响的研究

电子元器件选择与应用对整机可靠性影响的研究韩英岐手机:[phone]E-maiI:EmaiI:[e-mail]•众所周知，电子整机装备是由元器件构成的，元器件的可靠性直接影响整机的可靠性，大量的电子设备故障统计表明，电子元器件失效在整机故障中占首位。电子整机的可靠性是靠元器件可靠性保障的。根据有关资料统计，电子整机的故障有75%是元器件失效造成的。整机在现场使用中所发生的故障，经失效分折证明，由于在元器件选择与应用方面造成整机的失效占50%左右，（有些单位统计在70%左右）根据近几年的统计一直在50%上下浮动，这个比例多年来总是居高不下，成为严重影响整机可靠性的瓶颈。针对这一严重事实，元器件的选择与应用已成为影响整机系统可靠性的首要问题。也是当前可靠性工程中一个十分突出而又没有解决的问题。在加之现代战争对电子装备的性能与可靠性要求越来越高，使用环境越来越严酷，电子元器件的应用可靠性直接影响整机的可靠性。所以，必须尽快研究解决电子元器件严重影响整机可靠性的问题。它主要取决于使用单位对电子元器件的选择、应用与控制。应用可靠性不同于故有可靠性，它主要是由人为因素所决定的，相同质量等级的元器件，不同单位及不同的人使用所表现的可靠性是不同的。这里面就反映出一个单位对元器件的选择、应用与控制能力。例如，某单位制造的自动抄表系统，根据现场失效统计，采用市场一般民品元件，产品所达到的可靠性水平，经计算分析，元器件平均失效率高达1×10-14，超过了现有国际元器件失效率等级的最大规定值（目前国际失效率最大值为1×10-10。）主要采取了对元器件选用的控制。所以可以通过对元器件的选择、应用与控制，即便采用一般元器件，也能使整机的可靠性达到较高水平。元器件的应用可靠性就是要把人为因素对可靠性的影响减小到最低程度，并能在设计上采用可靠性设计技术，避开元器件的某项薄弱环节，在某些参数上采用降额设计，才可能使整机的可靠性达到较高水平。•由于我们所研制和生产的整机数量少，而•且在部队使用开机时间短，又缺乏实战的检验，•还没造成重大损失的经验教训，所以，对如何•进行元器件的选用控制缺乏足够的认识，再加之整机在现场使用中收集到的质量信息少，也是造成我所对整机可靠性管理缺乏经验的重要因素。•除上述原因外，对电子元器件应用可靠性知识缺乏也是一个重要原因。元器件的应用可靠性是一个涉及面很广，需要有专业人员参与研究的一项工作，尤其是当今在微电子器件飞速发展的时代，谁拥有微电子技术的优势，谁就掌握了军事电子装备优势的制高点。但是，由于在这方面缺乏足够的认识，所以在国内外重大试验过程中，发生了多期机毁人亡及经济上造成重大损失的渗案，其中许多案例与元器件可靠性有关，例如：•1.美国1957年发射的“先锋号”卫星，由于一个价值2美元的器件失效，使卫星发射失败，造成价值220万美元损失。电子元器件的可靠性包括固有可靠性和应用可靠性两个方面。元器的故有可靠性主要取决于元器制造商的设计、工艺、制造、质量控制及原材料等多种因素所决定。元器件的固有可靠性由于受到工艺、材料及制造技术等多方面的限制，只能控制在一定水平上，近几年来，由于在元器件制造采用了许多新材料，新工艺，尤其是徵电子器件工艺水平的提高，元器件的固有可靠性已有了较大的提高。元器件的固有可靠性主要由元器件供应商来保证。整机研制单位只要根据整机的可靠性要求，提出所需元器件质量要求的采购清单，并认真执行国军标GJB3404-98《电子元器件选用管理要求》就基本上能保障所采购的元器件符合整机的质量要求；应用可靠性则指元器件用于整机系统时所具有的可靠性。•元器件的应用可靠性是一个涉及面很广，•需要有专业人员参与研究的一项工作，•尤其是当今在微电子器件飞速发展的时代，谁拥有微电子技术的优势，谁就掌握了军事电子装备优势的制高点。但是，由于在这方面缺乏足够的认识，所以在国内外重大试验过程中，发生了多期机毁人亡及经济上造成重大损失的渗案，其中许多案例与元器件可靠性有.•例如：•1.美国1957年发射的“先锋号”卫星，由于•一个价值2美元的器件失效，使卫星发射失败，•造成价值220万美元损失。•2.美国航天局１９7８年--1979年三次火箭发射失败，损失1.6亿美元•3.美国198６年1月“挑战者”号航天飞机爆炸，使7名宇航员遇难；2003年2月“哥伦比亚”号的失事又造成了７名美国宇航员丧生，直接经济损失达12亿美元；•4.1971年原苏联发射的“礼炮”载人宇宙飞船，由于一个部件失灵，造成飞船与三名宇航员丧生的重大机毁人亡的损失。•5.日本“兰达”火箭从1966年9月到1969年9月，由于电子元器件可靠性不高，4次发射均告失败，损失惨重，影响巨大。2.美国航天局１９7８年--1979年三•次火箭发射失败，损失1.6亿美元••6.我国在上个世纪九十年代，也经•历了运载火箭发射卫星相继失利的低谷•时期，1991年发射澳星，由于一个继电•器失效，使发射失败，造成巨大经济损失和政治影响。1995年长征二号捆绑火箭发射亚太二号通讯卫星和1996年利用长征三号乙运载火箭发射国际通信708卫星都没能成功。•由于新型元器件更新换代速度加快，每一种元器件都有它独特的性能及应用要求，如果我们的设计师缺泛元器件应用可靠性的知识和经验，管理部门及相关领导也没有有效的控制措施,所以造成由于元器件可靠性问题，造成整机系统可靠性的故障的案例娄见不鲜。下面举一些典型案例供参考：•1.由于选用过期或即将淘汰的产品，影响•整机研制定型后的投产•例1，某单位研制的新型军品雷达，经设计•定型计划批量生产，由于选用的元器件清单中，发现’选用的某型号IC已仃产。影响该雷达的如期投产。•例2.选用超过存贮期的元器件，产品质量就得不到保障。如果我们检查正在生产的整机,有一些是超过存贮期的元器件,尤其是电解质电容器及陶瓷电容器最为突出.因许多设计师不了解两种介质电容器的材料特性。•2.选用元器件没有完全附合整机的环境条件要求。•例1.某设计师为机载电子设备设计的高频放大电路,由于在选用小型密封电磁继电器时,只考虑元件体积及环境温度，而没考虑振动、冲击条件要求,在整机做环境实验时,才发现该元件振动、冲击不附合机载电子设备要求,只得更换元件,重新设计印制电路扳。不仅托延了研制周期，而且造成人力物力的浪费.•例2.电容器是每个电路不可缺少的元件,在•选用小型陶瓷电容器时,一般设计师主要考虑容•量和电压是否附合电路要求,但是不了解陶瓷电•容器分I、Ⅱ类,兩类电容器由于温度系数不同、应用的电路不同、所采用的材料不同,所应用的环境温度也不相同。由于没有这方面的知识，选用的电容器，经常选用的电容器不能满足电路的可靠性与稳定性的要求。•3.在应微电子器件时，使某些电性能参数超过了器件极限范围造成失效•例1.微电子器件的最大扱限值与其它元件有所不同，它是表明材料的最大极限值，一旦超过立即烧毁或受到严重损伤。如我所原二室设计的高频放大电路所选用的3DG81D超高频晶体管,经常失效,找不到原因,经我们进行失效分析,失效原因主要是输入信号峰值电压大于最大极限值,(超高频管的BUebo一般≥4V)经降低输入信号电压，再无出现此问题.•例2.我所某课题设计的电压放大器,在常温•试验时,输出幅度附合规定值,但在低温试验时,当•温度低于-20℃时,输出幅度达不到指标要求值,•在例行实验室经过一个月试验,找不到原因。经分析主要是对晶体管在极限低温下B值平均下降50﹪的特性不了解,经更换高B值温度性能好的器件,达到在极限低温环境条件下的输岀幅度指标要求.•上述案例，其中大部分案例是选用以前我所的实例。可能有人认为现在大量采用集成电路，可能不会再出现上述问题，实际上不掌握分立微电子器件的各项特性指标，使用集成电路可靠性仍得不到保障。随着电子科技的飞速发展，新元器件、新型材料不断勇现，更需要对电子元器件应用可靠性进行深入的研究，要解决当前可靠性工程中一个十分突出而又没有解决的选用控制问题，必须认真总结以前的经验教训，进一步学习和研究元器件应用可靠性知识，从中提出控制措施。•随着微电子器件的飞速发展，目前研制•的整机元器件结构已发生了较大变化，以微•电路、器件模块替代了传统的元器件，从理•论上讲，整机的可靠性应有较大幅度的提高，但是，实际情况并非如此，现以某研制项目为例，经过从原来采用的传统元器件过度到如今采用的微电路及功能模块，从理论上讲微电路及功能模块比以前的分立元器件失效率要低1至2个数量级，再加之采用微电路及功能模块后整机元器件数量减少，整机可靠性更应有较大幅度的提高。但在现场实际使用中，可靠性并无明显提高。是什么原因造成整机可靠性没能提高,一般应从以下三方面查找原因：•一.对器件的固有可靠性是否做到了有效控制•1.提供器件的供应商是否附合合格供•应商的相关条件，能否保障提供的器件附•合规定的质量等级要求？•2.器件到所后，质量部门有否能力检测和评价所采购器件是否附合要求的质量标准？否则可能购买的器件质量有问题影响了整机的可靠性。如果器件固有可靠性得不到保障，即使设计师采用最完善的设计，整机可靠性也无法达到设计要求，整机的可靠性就得不到保证，所以况器件的固有可靠性是整机可靠性的基础。集成电路的测试根据集成电路产品生产所处的不同阶段与不同目的，测试大致可以分为4种类型；①在产品的研发阶段，为了检测设计错误而进行的测试(设计错误测试)；②在芯片生产阶段，为了检测产品是否具有正确的逻辑操作和正确的功能而进行的测试(功能测试)；③在产品出厂前，为了保证产品的质量与可靠性，需要进行的各种测试(产品测试)；④订购方为了保证采购的产品符合规定的技术标准，而进行的测试。数字IC：数字IC测试一般分功能测试，直流参数测试，交流参数测试，一般根据各单位对器件质量要求及仪器配备情况决定要测试的项目，一般单位应具备能进行功能和直流参数的测试能力。在诸多的测试技术问题中，一个很重要的问题是忽视器件测试程序问题，特别是如果不具备测试程序的编制能力将直接影响测试系统的使用。尽管一些国内测试系统的研制、生产厂商在向用户单位提供测试系统的同时，可以提供一些常用测试程序，但是器件的发展是很快的，新的器件系列、品种不断涌现出来，需要不断增加新的测试程序。另外不具备测试程序编程能力，通常难以分析和处理测试中的各种问题，以难以将测试系统应用的很好。测试矢量生成为了测试一个电路中某部分的故障，设计者所设计的测试向量，一定要能使给出的输出区别于没有故障时的输出。如一些故障能被一组输人的测试向量检查出来，我们就称这些故障被这组测试向量所覆盖。被一个测试向量序列所覆盖的故障数占电路中所有可能的故障数的比率就叫做故障覆盖率。当然我们希望设计出来的测试向量序列能达到或接近100%的故障覆盖率。如果用人工生成测试序列是非常繁琐的，幸好现在有很多CAD系统可以自动完成这项工作。对于一个集成电路来说，尽管物理上会有很多类型的故障发生，但这些故障反映在数字电平上就是没有按照预期从1变为0或从0变为1。这叫做固定值故障(stuck-at-fault)模型。即用一个固定0(s-a-0)或固定1(s-a-1)来模仿一个故障门的输入。一个门的输入如果对地短路可以用s-a-0故障来模仿。由于MOS电路有许多中间结点是电路“隐藏的”，因此不是所有电路故障都可以用固定s-a--0和s-a-1来模仿的。如有—个逻辑门，其输出由于工艺上的某种原因，造成电平始终固定为1状态，它不随输入端的信号变化而改变，这就称为具有固定1故障。如输出始终处于逻辑0状态，就是具有固定0故障。固定值故障可能在一块集成电路中的任何一个节点发生。如果集成电路中有n个节点，就有2n个可能的故障(每个节点有可能固定0或固定1)，设计者应生成一个相对短的测试向量集，尽可能多地显示出这些故障。以下通过一个输出端带有固定1故障的2输入与非门来说明如何生成测试向量。如图1所示，A、B输入为00、01，10时，该故障门仍能给出正确的输出即逻辑1，惟一能显示出故障的输入是11，因为这时输出仍然是1