1、研究生課程考核記錄2008-2009學年第2學期課程名稱：電子設備可靠性設計任課教師：陳云霞學生學號：PT0800242學生姓名： 魏新科北京航空航天大學工程系統工程系2009年6月電子設備可靠性設計綜述魏新科摘要：本文從電子設備可靠性設計的內容、要求及設計原則等方面對電子設備可靠性設計過程作了簡單的描述。同時，結合工程實際，從元器件篩選、設計方法、質量管理等方面對如何提高電子產品可靠性提出了自己的看法。關鍵詞：電子設備 可靠性 設計1 引言產品的可靠性是指產品在規定的條件下和規定的時間內, 完成規定功能的能力, 其概率稱為可靠度。“ 規定條件” 包括產品使用時的環境條件和工作條件, “ 規定

2、時間” 表明產品的可靠性和時間呈遞減函數關系, 即工作時間越長, 產品可靠性越低。研究電子產品可靠性的具體對象, 包括元器件、整機和系統三大類, 這三者之間是既有聯系又相區別的。隨著電子科學技術的迅猛發展, 電子產品在國防、工業、農業、商業、科研和民用等方面的應用種類也越來越多, 競爭也越來越激烈。可靠性是產品在規定的時期內、規定的條件下, 完成所要求的功能的一種能力。電子產品的可靠性是設計進去, 生產出來的。因此使設計人員掌握可靠性設計的基本知識和方法, 并在產品設計中使用這些方法, 對提高電子產品的可靠性是十分有利的。 2 電子設備可靠性設計內容要求2.2 可靠性設計內容可靠性設計，從廣義

3、上講包括可靠性分析、論證與可靠性設計的方法技術。可靠性分析論證包括可靠性預測、可靠性分配、可靠性指標確定等。可靠性行設計技術包括提高可靠性、減少故障率的技術措施選擇、方案設計與實現、提高固有可可靠性的設計、維修性及防治可可靠性退化設計等。其中可靠性設計是保證電子設備可靠性的主要步驟。預防故障發生、及時消除危險（不可靠）環節、檢測和發現故障，使技術設計的主要任務。為了合理的進行可靠性技術設計，需要進行可靠性數據采集、進行元器件、組件、系統的可靠性試驗，必要時需進行原材料的分析實驗，進行系統可靠性仿真等，以獲取大量的可靠性數據，為電子設備可靠性設計提供依據。研究電子設備的可靠性設計，目的在于提高其

4、使用可靠性（包括貯存、運輸、維護的可靠性），保證使用有效性。因此應對其性能進行分析，并通過技術設計提高系統的固有可靠性，使設備系統全壽命周期都具有較高的可靠性。2.2 可靠性設計的特點和要求1）全面衡量系統的可靠性與各種特性，為了提高系統的可靠性，有時可能導致系統性能下降，并加下系統成本。因此，在進行可靠性設計時，必須對系統使用性能、經濟成本、可靠性、維修性等各種因素進行全面的權衡，使系統的總體性能達到最忌，并以此作為設計的依據。例如，為了提高可靠性而使設備復雜化、費用增加時，應通過提高使用性能和減少運行費用來補償。2）可靠性設計要對系統的各零部件火元器件按照特定的可靠性要求進行全面衡量，以降

5、低產品系統的失效率，提高系統的可靠性，確保產品質量。3）可靠性設計的觀點是通過可靠度和其他可靠性知道的提高，來確保產品的安全與可靠。這不同于常規設計中增大安全系數或設計儲備量來確保安全可靠的觀點，這種觀點對失效發生概率的認識更為合理。4）可靠性設計對安全度的評價不僅考慮安全系數，而且引入了可靠度和其他可靠性指標。即鎖采用的是一定可靠度下的安全系數，這比常規設計中只用安全系數一個指標的方法更為科學。3 電子設備產可靠性設計原則3.1 可靠性設計的指導思想對一般電子設備進行可靠性設計時，首先要在保證其性能要求和經濟指標的前提下，提高系統的可靠性。即總的指導思想應該是在保證其性能、成本、研制生產周期

6、的前提條件下，盡可能提高其可靠性。但是往往航空產品的可靠性要求是作為戰技術指標由軍方提出的，必須予以保證。因此，問題就變成了在以可靠性及航空系統的作戰使用性能為約束條件的情況下，盡可能降低成本，縮短研制、生產周期。所以，起可靠性設計的指導思想不能在有任何側重，而只能在性能、成本、效益、研制生產周期等方面尋求綜合平衡。所以，也就是說可靠性是和性能、成本、效益同等重要的，實質上也是貫穿了全壽命周期成本管理的思想。3.2 電子產品可靠性設計的一般原則1） 產品的可靠性指標應包含定量的可靠性指標, 如使用壽命、平均故障間隔時間等。產品的可靠性設計要與其功能技術指標的設計相融合, 在滿足其功能技術指標的

7、同時, 滿足可靠性指標的要求。2） 應用系統工程的方法, 對產品的性能指標、制造成本、研制周期等相互制約的因素進行綜合權衡。3） 在可靠性設計中, 應采用國內外成熟的新技術、新結構、新工藝和新原理, 并進行必要的認證和試驗考核。4） 選擇的材料和器件應符合產品有關可靠性標準及技術文件的要求, 確保產品的可靠性水平。5） 在考慮產品的結構、外形、電路時, 應考慮使用維修簡便化, 提高產品的可操作性。6） 為避免產品的單點失效, 對關鍵部件、重要部件應采用各種適當的可靠性設計技術, 如冗余設計、熱設計等。3.3電子設備可靠性設計中應注意的問題在電子設備可靠性設計過程中，應注意以下幾個方面的問題。1

8、）載荷對可靠性的影響：作用在航空武器系統上的負荷來自不同的方向，有不同的形式，各種內載荷、外載荷等都會影響其的可靠性。在進行電子設備可靠性設計時應注意其所受最大載荷的作用，載荷變化（包括變化速率、頻率）及其影響。2）環境對可靠性的影響：生產、儲存、運輸、使用的環境（溫度、濕度、電磁干擾等）都會形象起可靠性。在設計中，應注意各種環境的作用強度、持續時間、變化速率級環境特性的最大值與平均值對可靠性設計的影響。3）人-機工程對可靠性的影響：在電子設備在維修、使用過程中，都要人參與完成，人的生理素質、心里素質有時也會影響整個設備的可靠性。4）材料性能及其變化對可靠性的影響：材料性能本身對可靠性的影響也

9、是比較明顯的，材料在各種外界因素作用下，性能發生變化又會嚴重影響電子設備的可靠性。4 提高電子設備固有可靠性的技術方法4.1 簡化設計5所謂簡化設計就是在保證系統功能，不影響系統性能，不降低可靠性知道要求的前提下，盡可能對系統的組成及其結構進行簡化。根據系統可靠性分析和失效機理研究結果證明，組成系統的元器件、零部件數目較多，結構復雜，實效率越高。簡化設計的方法有多種，常用的有以下幾種：1）功能歸一法：即將同一功能由一個部件完成；2）功能集中法：即一個部件可以完成多種功能；3）最小技術法：即選用失效率最小的元器件等。簡化設計的技術途徑和各種方法均應在保證系統的功能及特性要求，是整個系統的失效率降

10、到最低限度的條件下進行。4.2 降額設計14. 2. 1 降額設計的依據所謂降額設計, 就是使元器件運用于比額定值低的應力狀態的一種設計技術。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產品的壽命, 必須有意識地降低施加在器件上的工作應力(如:電、熱、機械應力等 ,降額的條件及降額的量值必須綜合確定, 以保證電路既能可靠性地工作, 又能保持其所需的性能。降額的措施也隨元器件類型的不同而有不同的規定, 如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; 半導體分立器件降額是使功耗低于額定值; 接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應用有關的限制。降額的等級分為三個等

11、級, 分別稱I 級降額、II 級降額和III 級降額。 I 級降額是最大降額, 超過它的更大降額, 元器件的可靠性增長有限, 而且使設計難以實現。I 級降額適用于下述情況:設備的失效將嚴重危害人員的生命安全, 可能造成重大的經濟損失, 導致工作任務的失敗, 失敗后無法維修或維修在經濟上不合算等。II 級降額指元器件在該范圍內降額時, 設備的可靠性增長是急劇的, 且設備設計較I 級降額易于實現。II 級降額適用于設備的失效會使工作水平降級或需支付不合理的維修費用等場合。III 級降額指元器件在該范圍內降額時設備的可靠性增長效益最大, 且在設備設計上實現困難最小, 它適用于設備的失效對工作任務的完

12、成影響小, 不危及工作任務的完成或可迅速修復的情況。4. 2. 2 降額應注意的問題1 有些元器件的負荷應力是不能降額或者對最大降額有限制的, 如電子管的燈絲電壓、繼電器線包的吸合電流是不能降額的, 否則電子管的壽命要降低;2 有些元器件降額到一定程度時卻得不到預期的降額效果。如薄膜電阻器的功率減額到10 %以下時, 一般二極管的反向電壓減額到最大反向電壓的60 %以下時, 失效率將不再下降;3 有些類型電容器的降額可能發生低電平失效, 即當電容器兩端電壓過低時呈現開路失效, 也就是說, 降額不但不能使失效率下降, 反而會使失效率增高。4. 2. 3 降額設計應遵循的原則1）系統中失效率較高，

13、功能很強，蠶蛹其他技術途徑難以達到提高可靠性要求的重要組成單元、子系統、結構件、元器件必須采用降額設計；2）降額設計中，對負載等降低的幅值不應過大，并應經過仔細計算分析，并盡可能通過實驗考核，降額后應確保系統的功能和可靠性要求，并不致引起性能下降；3）元器件在降額使用時應保證良好的工作特性曲線。線性元器件降額只能在線性范圍內，不能出現非線性。降額系數的選擇大部分是依靠試驗數據和根據元器件使用的環境因子來確定。確定降額系數的方法如下:1 數學模型及基本失效率與溫度、降額系數之間的關系曲線;2 減額曲線給出了為保證元器件可靠工作所選擇的降額系數與溫度之間的函數關系, 當在該減額曲線上工作的半導體結

14、溫達到其最高結溫時, 其失效率仍然較高;3 應用減額圖, 即在減額曲線的下方, 通過試驗找到一條半導體結溫較低的減額曲線;4 各種元器件的減額因子參見國家標準。4.3 冗余設計5冗余設計是用一臺或多臺相同單元(系統 構成并聯形式, 當其中一臺發生故障時, 其它單元仍能使系統正常工作的設計技術。設置冗余可提高系統的可靠性, 但同時又增加了系統的復雜性、重量和體積。一種工程經驗認為:采用更可靠的元器件、簡化設計和降額設計等方法仍不能滿足系統可靠性要求時才考慮采用冗余。另一種工程經驗則認為:當經費和進度都有限制時, 采用成熟設計的冗余技術是實現高可靠性的有效途徑。因此, 是否采用冗余全視具體場合而定

15、。冗余按特點分為熱冗余儲備和冷冗余儲備; 按冗余程度分, 有兩重冗余、三重冗余、多重冗余; 按冗余范圍分, 有元器件對安全性及經濟性要求較高的場合, 如鍋爐的控制系統、程控交換系統、飛行器的控制系統等。冗余方式的選擇取決于單元的性能特點、失效模式和可靠性指標高低等因素。冗余并非適用于所有的場合, 一般在低層次和關鍵的情況下使用可獲得較好的效果。同時, 還需注意, 某些冗余技術的采用需增加若干故障檢測和冗余通道切換裝置, 它們的失效率應遠于受控部分時, 才能發揮冗余技術的優越性。冗余設計的實質是為了提高系統的可靠性，采用附加備份（子系統、部件、組件、元器件）的設計方法。完成同一功能有兩個以上的備

16、份。一個備份失效，不引起系統失效。這種在系統系統結構和組織上的冗余，對保證裝備可靠的完成任務意義重大，所以之一途徑在電子設備可靠性設計中也被廣泛應用。冗余設計的主要優點是能有效的提高系統的可靠度，并有利于改善系統的維修性，即可提高系統的平均壽命MTTF （或平均故障間隔時間MTBF ）。但是，冗余設計也有缺點，最明顯的缺點是由于系統組成結構、元器件增加，導致整個系統的質量、耗能量、成本相應增加，還有可能導致裝備結構尺寸增大。1）冗余系統的備份數應當適當，以滿足功能要求，保證可靠為前提，取冗余度的下線，備份數不能過大。2）對于需要采用冗余設計的子系統（組成單元）應進行充分的分析計算，使其增加的結

17、構質量和結構尺寸及元器件在滿足性能要求，幫正可靠知道的前提下為最小。3）為了保證系統正常功能，且達到可靠度要求，一般采用工作冗余較好，它既能保證工作可靠，又不致增加太多的質量，并能起到降額設計的效果。當要求維修性較好，體積、質量非主要限制時可采用非工作冗余。4）系統的體積、質量、成本費用限制很嚴時，應盡可能或不用冗余設計，反之，若系統的體積、質量限制不嚴時，而成本費用允許的條件下，對可靠性要求很高的系統可采用組合式冗余設計。4.4 熱設計1由于現代電子設備所用的電子元器件的密度越來越高, 這將使元器件之間通過傳導、輻射和對流產生熱耦合。因此, 熱應力已經成為影響電子元器件失效率的一個最重要的因

18、素。有資料表明:環境溫度每提高10 , 元器件壽命約降低1/ 2 。這就是有名的“10 法則”。4. 4. 2 熱設計遵循的原則1 元器件的布局由于工作溫度受設備的位置和設備內元器件安排的影響, 元器件的配置和布局應遵循下述原則:(1 各耗能元器件間應盡可能具有大的空間;(2 設備應安裝在適用的最冷環境中;(3 應保證熱敏元器件處于最冷區。2 元器件的安裝在元器件安裝中, 熱設計的目標是使殼體和散熱器之間的熱阻最小, 具體原則如下:(1 使用短的通道以使傳導熱阻最小;(2 采用大面積以使傳導熱阻最小;(3 使用具有高傳導率的材料以使傳導熱阻最小;(4 當使用接觸界面時, 應使接觸面積盡可能大、

19、表面平坦而光滑、接觸壓力高而均勻等原則以使接觸熱阻最小;(5 對于采用輻射冷卻的設備, 應保證其表面輻射率高、具有無阻擋的和廣闊的散熱器及輻射面積最大的原則以使其熱阻最小;(6 功耗大于2W 的電路插件板要求有一銅的接地平面, 而功耗為5W 10W的電路插件板要求有散熱器。(7 應使用熱膨脹系數值相近的材料。3 鼓風機的選擇與安裝(1 在低空氣工作條件下, 使用恒速鼓風機, 在高度大于3 048 m 的高空工作條件下, 使用變速鼓風機;(2 由于高速鼓風機噪音較大, 所以在飛機座艙區域或機組人員區域附近,不應使用轉速高于10 000 r/min 的鼓風機;(3 鼓風機的功耗不應超過熱負荷的10

20、 %;(4 鼓風機的安裝應保證它吸氣通過設備, 而不是排氣通過設備;(5 不應把鼓風機的入口直接安在其他鼓風機的排氣口的下游, 因為熱空氣可能被吸到下游鼓風機中;(6 在冷卻空氣鼓風機排氣口至少要留有1cm 的間隙, 以防排氣口阻塞引起鼓風機冷卻效率下降;(7 不要把兩個不同的鼓風機串聯或并聯, 除非系統的流速和排氣壓力是平衡的;(8 應考慮可能造成故障的短期過熱應力, 如由于暫時缺乏冷卻劑引起的過應力;(9 在調試期間保證適當的設備冷卻。4 冷卻劑流道設計對流冷卻設備冷卻劑流道的設計原則是:(1 不應阻礙冷卻劑流過元器件;(2 空氣冷卻的電子設備艙上應采用帶孔的蓋;(3 借助于分離器和旋轉葉

21、片直接讓冷卻空氣流過元器件。(4 在流道中使轉彎半徑最大;(5 流道不應驟然擴張或收縮;(6 設計應保證自然對流輔助強迫對流;(7 采用自然對流冷卻的設備, 應垂直安裝電路板和散熱片, 而不應水平安裝。4.5 容差設計1在進行電路設計時, 應充分考慮到元器件的參數公差及參數隨環境變化而漂移的結果。使電路的工作點靠近中心值, 元器件雖發生較大的性能漂移但仍然能滿足工程的要求, 使設備處于良好的設計狀態。4.6 電磁兼容設計電磁兼容性問題可以分為兩類:一類是電子電路、設備、系統在工作時由于相互干擾或受到外界的干擾使其達不到預期的技術指標; 另一類電磁兼容性問題就是設備雖然沒有直接受到干擾的影響,

22、但不能通過國家的電磁兼容標準。為了使設備或系統達到電磁兼容狀態, 通常采用印制電路板設計、屏蔽機箱、電源線濾波、信號線濾波、接地、電纜設計等技術。印制電路板在設計布置時, 應注意以下幾點1:1 各級電路連接應盡量縮短, 盡可能減少寄生耦合, 高頻電路尤其要注意;2 高頻線路應盡量避免平行排列導線以減少寄生耦合, 更不能象低頻電路那樣連線扎成一束;3 設計各級電路應盡量按原理圖順序布置, 避免各級電路交叉排列;4 每級電路的元器件應盡量靠近各級電路的晶體管和電子管, 不應分布得太遠, 應盡量使各級電路自成回路;5 各級均應采用一點接地或就近接地, 以防止地電流回路造成干擾, 應將大電流地線和沁電

23、流回路的地線分開設置, 以防止大電流流進公共地線產生較強的耦合干擾;6 對于會產生較強電磁場的元件和對電磁場感應較靈敏的元件, 應垂直布置、遠離或加以屏蔽以防止和減少互感耦合;7 處于強磁場中的地線不應構成閉合回路, 以避免出現 地環路電流而產生干擾;8 電源供電線應靠近(電源的 地線并平行排列以增加電源濾波效果。4.7 “三防”設計在氣候環境的諸因素中, 潮濕、鹽霧和霉菌是最常遇到的破壞性因素。對這方面的防護簡稱“三防”。1“三防”設計在可靠性設計中占有十分重要的地位。4. 7. 1 防潮設計防潮設計的原則:1 采用吸濕性小的元器件和材料;2 采用噴涂、浸漬、灌封、憎水等處理;3 局部采用密

24、封結構;4 改善整機使用環境, 如采用空調、安裝加熱去濕裝置。4. 7. 2 防霉設計防霉設計的原則:1 采用抗霉材料, 例如無機礦物質材料;2 采用防霉劑進行處理;3 控制環境條件來抑制霉菌生長, 例如采用防潮、通風、降溫等措施。4. 7. 3 防鹽霧設計防鹽霧設計的原則: 1 采用防潮和防腐能力強的材料; 2 采用密封結構; 3 岸上設備應當遠離海岸。 5 元器件的篩選 復雜電子系統都是由大量的電阻器、電容器、繼電器、接插件、分立半導體 器件及集成電路等電子元器件組成的。 系統的可靠性除取決于這些電子元器件的 固有可靠性外,還與設計時元器件能否合理選用有關。 5. 1 元器件篩選原則 元器

25、件的選用要遵循下述原則: 1 在元器件型號、 規格眾多的情況下,應根據產品要實現的功能要求及環境 條件,選用相應種類、型號規格及質量等級的元器件。 2 估算元器件使用時的應力情況,確定元器件的極限值,按降額設計技術, 選用元器件。 3 根據產品要求的可靠性等級,選用與其適應的、 符合生產許可證審查要求 的A ,B ,C 級元器件。 4 設計產品時,盡量選用標準元器件,并使品種簡化,這是大型電子系統設 計的一個重要原則,也是系統總體對部件及線路設計者提出的約束條件。 5 對非標準的元器件要進行嚴格的驗證,使用時要經過批準手續。 6 制定元器件選用手冊,規范元器件的選用和采購。 5. 2 器件封裝

26、結構和質量等級的選擇 1 器件封裝結構的選擇 環氧樹脂塑封器件為非氣密性結構,易受潮氣、鹽霧和其它腐蝕性氣體的腐 蝕而失效。因此,對使用環境苛刻、工作或貯存壽命有一定要求的高可靠產品, 應當選用金屬、陶瓷或低熔點玻璃密封封裝的器件。但對于使用條件良好、溫濕 度都有控制而又無腐蝕性氣體的場所,選用塑料封裝器件也是可行的。 2 質量等級的選擇 元器件質量直接影響其失效率,不同質量等級對元器件失效率的影響程度以 及質量系數不同。GJB299 中將各類元器件劃分為A ,B ,C 三個質量層次,每個質 量層次包含若干個質量等級,每個質量等級分別給出與其對應的質量系數值。 質量等級的選擇原則為: 2 為提

27、高篩選效率, 可以用大應力篩選, 但不能產生新的失效模式。 3 要針對產品的特點及失效機理制定篩選條件, 具體情況具體對待。 4 加應力篩選在前, 檢查測試性的篩選在后。 5 要根據用途、成本、產品數量、試驗設備條件等通盤考慮。 電子設備設計過程的控制與管理4 6 電子設備設計過程的控制與管理4 6.1 設計過程 1） 了解我國現行的有關可靠性的標準和法規,拿握國內外同類產品的可靠 性水平與現狀, 常見的失效模式、 失效機理和所采用的糾正措施, 以及國內外同 類產品在可靠性設計方面的新原理、新結構、新材料、新工藝和新技術等。 2） 了解有關產品的制約條件, 如研制周期、費用等, 依據產品的規格

28、, 即 其質設計的結果, 確定可靠性設計指標, 制定可靠性設計方案, 并進行方案評 審。其目的在于審查可靠性設計是否滿足產品規格中明示或隱含的可靠性要求, 以及設計中存在的薄弱環節, 并提出改進措施。 3） 實施產品的可靠性設計, 并研制樣機選擇合適的可靠性試驗方案, 對樣 機進行可靠性評價試驗, 并評價樣機的可靠性水平是否滿足要求。 依據可靠性評 價試驗的結果, 應用循環, 不斷改進產品的設計, 直至達到可靠性的指標要求。 4） 在可靠性設計不斷改進和完善之后, 進行小批量的樣機生產選擇適宜的 可靠性驗證試驗, 以推斷評估產品的可靠性水平, 從而完成產品的設計定型。 6.2 控制與管理 1）

29、制度化管理研發部門將研發部門中各層次、各環節的技術人員在產品設 計及設計質量管理活動中的權力、 費任和義務進行合理劃分, 并明確產品研發部 門的各個組成部分之間、 各技術人員之間的關系和設計活動過程中的聯系方式與 程序, 這是企業技術資任制的一種形式, 也是確保每一階段真正結束并正確轉 人下一階段的重要措施, 應在工作中逐步完善并以制度形式固定下來。 2）嚴格技術狀態的管理, 即制定產品研發的技術狀態控制辦法, 明確技術 狀態更改程序, 提高技術狀態的規范化、 程序化水平, 保證技術狀態的一致性和 可追蹤性。 保證要做到產品的技術狀態文件與產品實物相符, 文件與文件之間一 致。 3）嚴格進行可靠性評審工作, 堅持上一階段可靠性評審不通過不得轉人下 一研制階段的原則, 充分利用同行專家的