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电子产品的可靠性设计浅谈 来源:国外电子元器件   作者:重庆市执诚医疗仪器有限责任公司 潘 建 详细内容:          摘要：文中给出了产品可靠性的定义及衡量可靠性的常见指标。提出了电子产品可靠性设计一般应遵循的原则。并重点介绍了降额设计、热设计、冗余设计、电磁兼容性设计、漂移设计和互连可靠性设计等多种电子产品可靠性设计的技术方法。     关键词：可靠性设计技术 设计原则 1 引言 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。任何产品不论是机械、电子,还是机电一体化产品都有一定的可靠性,产品的可靠性与实验、设计和产品的维护有着极大的关系。 衡量可靠性的指标很多,常见的有以下几种：(1)可靠度R（t）,即产生在规定条件下、规定时间内完成规定功能的概率,亦称平均无故障时间MTBF;（2）均维修时间MTTR是指产品从发现故障到恢复规定功能所需要的时间;（3）失效率λ（t）是指产品在规定的使用条件下使用到时刻t后,产品失效的概率;另外还有有效度A(t)等。产品的可靠性变化一般都有一定的规律,其特征曲线如图1所示,由于其形状象浴盆,通常称之为“浴盆曲线”。在实验和设计初期,由于产品设计制造中的错误、软件不完善以及元器件筛选不够等原因而造成早期失效率高;通过修正设计、改进工艺、老化元器件、以及整机试验等,使产品进入稳定的偶然失效期;使用一般时间后,由于器件耗损、整机老化以及维护等原因,产品进入了耗损失效期。这就是可靠性特征曲线逞“浴盆曲线”型的原因。 可靠性设计涉及概率论、布尔代数、图论、集合论、优化论等方面。本文将对电子产品的可靠性设计技术进行探讨。 电子产品的可靠性设计需要注意以下基本准确： ●产品结构和电路应尽量简便。 ●尽量选用成熟的结构和典型的电路。 ●结构要简单化、积木化、插件化。 ●如采用新电路,应注意标准化。 ●采用新技术要充分注意继承性。 ●尽量采用数字电路。 ●尽量采用集成电路。 ●逻辑电路要进行简化设计。 ●对性能指标、可靠性指标要综合考虑。 ●应尽量采用传统工艺和习惯的操作方法。 ●应不断采用新的可靠性设计技术。 在电子产品中,常采用的可靠性设计技术包括元器件的降额设计、冗余化设计、热设计、电磁兼容设计、维修性设计、漂移设计、容错设计与故障弱化设计等,有些还包括软件的可靠性设计。下面对这些主要的设计技术进行介绍。 2 可靠性设计技术 2.1 降额设计 所谓降额设计,就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命,必须有意识地降低施加在器件上的工作应力（如：电、热、机械应力等）,降额的条件及降额的量值必须综合确定,以保证电路既能可靠地工作,又能保持其所需的性能。降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定,如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比;电容降额是使工作电压低于额定电压;半导体分立器件降额是使功耗低于额定值;接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。 电子元器件的降额,通常有一个最佳的降额范围,在这个范围内,元器件的工作应力的变化对其失效率有显著的影响,设计也易于实施,而且不需要设备的重量、体积、成本方面付出太大的代价。因此,应根据元器件的具体应用情况来确定适当的降额水平。因为若降额不够则元器件的失效率会比较大,不能达到可靠性要求;反之,降额过度,将使设备的设计发生困难,并将在设备的重量、体积、成本方面付出较大的代价,还可能使元器件数量产生不必要的增加,这样反而会使设备可靠性下降。 降额的等级分为三个等级,分别称为Ⅰ级降额、Ⅱ级降额和Ⅲ级降额。 Ⅰ级降额是最大降额,超过它的更大降额,元器件的可靠性增长有限,而且使设计难以实现。Ⅰ级降额适用于下述情况：设备的失效将严重危害人员的生命安全,可能造成重大的经济损失,导致工作任务的失败,失败后无法维修或维修在经济上不合算等。 Ⅱ级降额指元器件在该范围内降额时,设备的可靠性增长是急剧的,且设备设计较Ⅰ级降额易于实现。Ⅱ级降额适用于设备的换效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。 Ⅲ级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大,且在设备设计上实现困难最小,它适用于设备的失效对工作任务的完成影响小、不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。 2.2 热设计 由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高,这将使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合。因此,热应力已经成为影响电子元器件失效率的一个最重要的因素。对于某些电路来说,可靠性几乎完全取决于热环境。所以,为了达到预期的可靠性目的,必须将元器件的温度降低到实际可以达到的最低水平。有资料表明：环境温度每提高10℃,元器件寿命约降低1/2。这就是有名的“10℃法则”。热设计包括散 热、加装散热器和制冷三类技术,这里笔者主要谈一谈散热技术。应用中常采用的方法： 第一种是传导散热方法,可选用导热系数大的材料来制造传热元件,或减小接触热阻并尽量缩短传热路径。 第二种是对流散热方式,对流散热方式有自然对流散热和强迫对流散热两种方法。自然对流散热应注意以下几点： ●设计印制板和元器件时必须留出多余空间; ●安排元器件时,应注意温度场的合理分布; ●充分重视应用烟囱拨风原理; ●加大与对流介质的接触面积。 强迫对流散热方式可采用风机（如计算机上的风扇）或双输入口推拉方式（如带换热器的推拉方式）。 第三种是利用热辐射特性方式,可以采用加大发热体表面的粗糙度、加大辐射体周围的环境温差或加大辐射体表面的面积等方法。 在热设计中,最常采用的方法是加散热器,其目的是控制半导体的温度,尤其是结温Tj,使其低于半导体器件的最大结温TjMAX,从而提高半导体器件的可靠性。半导体器件和散热器安装在一起工作时的等效热路图如图2所示。图中各参数的含义如下： RTj—半导体器件内热阻,℃/W; Tj—半导体器件结温,℃; Tc—半导体器件壳温,℃; Tf—散热器温度,℃; Ta—环境温度,℃; Pc—半导体器件使用功率,W。 根据图2,散热器的热阻RTf应为： RTf=(RTj-Ta)/Pc-RTj-RTc 散热器热阻RTf是选择散热器的主要依据。Tj、RTj是半导体器件提供的参,Pc是设计要求的参数,RTc可以从热设计专业书籍中查到。下面介绍一下散热器的选择。 （1）自然冷却散热器的选择 首先按以下式子计算总热阻RT和散热器的热阻RTf,即： RT=(Tjmax-Ta)/Pc RTf=RT-RTj-RT。 算出RT和RTf之后,可根据RTf和Pc来选择散热器。选择时,根据所选散热RTf和Pc曲线,在横坐标上查出已知Pc,再查出与Pc对应的散热器的热阻R''Tf。 按照R''Tf≤RTf的原则选择合理的散热器即可。 （2）强迫风冷散热器的选择 强迫风冷散热器在选择时应根据散热器的热阻RTf和风速υ来选择合适的散热器和风速。 2.3 冗余设计 冗余设计是用一台或多台相同单元（系统）构成并联形式,当其中一台发生故障时,其它单元仍能使系统正常工作的设计技术。冗余按特点分为热冗余储备和冷冗余储备;按冗余程度分,有两重冗余、三重冗余、多重冗余;安冗余范围分,有元器件冗余、部件冗余、子系统冗余和系统冗余。这种设计技术通常应用在比较重要,而且对安全性及经济性要求较高的场合,如锅炉的控制系统、程控交换系统、飞行器的控制系统等。 2.4 电磁兼容性设计 电磁兼容性设计也就是耐环境设计。首先要明白什么是电磁兼容性问题,电磁兼容性问题可以分为两类：一类是电子电路、设备、系统在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰使其达不到预期的技术指标;另一类电磁兼容性问题就是设备虽然没有直接受到干扰的影响,但不能通过国家的电磁兼容标准,如计算机设备产生超过电磁发射标准规定的极限值,或在电磁敏感度、静电敏感度上达不到要求。为了使设备或系统达到电磁兼容状态,通常采用印制电路板设计、屏蔽机箱、电源线滤波、信号线滤波、接地、电缆设计等技术。印制电路板在设计布置时,应注意以下几点： ●各级电路连接应尽量缩短,尽可能减少寄生耦合,高频电路尤其要注意; ●高频线路应尽量避免平行排列导线以减少寄生耦合,更不能象低频电路那样连线扎成一束; ●设计各级电路应尽量按原理图顺序排列布置,避免各级电路交叉排列; ●每级电路的元器件应尽量靠近各级电路的晶体管和电子管,不应分布得太远,应尽量使各级电路自成回路; ●各级均应采用一点接地或就近接地,以防止地电流回路造成干扰,应将大电流地线和沁电流回路的地线分开设置,以防止大电流流进公共地线产生较强的耦合干扰; ●对于会产生较强电磁场的元件和对电磁场感应较灵敏的元件,应垂直布置、远离或加以屏蔽以防止和减小互感耦合; ●处于强磁场中的地线不应构成闭合回路,以避免出现地环路电流而产生干扰; ●电源供电线应靠近（电源的）地线并平行排列以增加电源滤波效果。 2.5 漂移设计技术 产生漂移的原因主要是元器件的参数标准值与实际数值存在公差、环境条件变化对元器件性能产生影响或是使用在恶劣环境而导致元件性能退化等因素。 如果元器件参数值发生的漂移超出其设计参数范围,就会使设备或系统不能完成规定的功能。漂移设计是通过在设计阶段根据线路原理写出特性方程,然后通过收集元器件的分布参数来计算它们的漂移范围以使漂移结果处在设计范围内来保证设备正常使用的一种设计方法。 2.6 互连可靠性设计 由于在大部分电子产品中都有接插件,为了降低这些连接部分的故障率,因此有必要进行互连可靠性设计,常采用的方法有： ●注意接插件的选型,印制电路板应尽量采用大板或多层板,以减少接插点： ●尽量减少可拔插点,以提高其可靠性,重要部件可采用冗余设计; ●两个插头同时相对时,应采用将其中一个固定,另一个浮动的方式,来保证对准和拔插; ●采用机械固定方式; ●对于常插拔的部件,最好设计成单面走线; ●连接空间应选择有序分割; ●馈线和地线应隐蔽安装。 此外,在电子产品在可靠性设计中,有时还采用维修性设计技术、软件可靠性设计技术、机械零件可靠性设计技术、故障安全设计技术以及一些新的可靠性设计技术等。限于篇幅,本文不再一一介绍  

在电子产品设计阶段，避免器件功能应用缺陷、测试、降额是提升可靠性的三个基础手段。第三个的降额是本文描述的主题。 降额是使元器件使用中所承受的应力低于其额定值，以达到延缓参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。用比较好理解的一个比喻，一个能背 100 斤走路的人，让他背 30 斤赶路就比让他背 100 斤走路走的时间长，距离长，路上遇到沟沟坎坎，背 30 斤就能跳着走，背 100 斤就走的磕磕绊绊，容易摔倒。器件同理。 降额设计有两大问题，一是分级，二是选择降额的参数。 降额分三个等级， Ι 级降额最大，适用于故障危及安全、导致任务失败和造成重大经济损失的情况； II 级降额居中，适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用； III 级降额最小，适用于故障对任务完成影响很小和少量的维修。降额考虑的主要因素是电应力和温度，电应力我们考虑得多，温度也经常被考虑到，但隐性温度条件常被忽视，比如环境温度是 40 ℃，机箱内散热不好温度肯定会上升，设备周边如果有设备，工作时也会发热，也会导致温度上升，这部分就是隐性温度条件，也是不能不考虑降额的参考条件。（见文末的备注 1 案例） 降额等级的分类为系统设计和设计管理提供了思路，在项目设计开始，对系统整机的降额系数、各部分组成，确定出适宜的降额等级，然后根据相关标准查找对应的降额系数，因为有些特定行业的设计要求有其特殊要求，可以根据专标要求确定，如果没有专门要求的，推荐参考《 GJB/Z 35-93 元器件降额准则》标准， 关键部件、易坏部件的降额系数一定要给出一个明确的参考值来。（见文末的备注 2 ：降额系数的确定），特别注意电容的降额曲线和运放的降额曲线不一样，注意分析其含义。 降额的参数要选取一般是电应力和热应力，对机械件还有力矩等，应力大小直接影响失效率的高低，而且不一定就只是主要性能指标才需要降额，要结合使用条件环境进行分析，确定哪个指标是受应力条件影响大的。比如 220V 输入端的对地电容，耐压是一个降额的指标，另一个与安全有关的漏电流指标也很有必要考虑进去。 1 、降额要考虑电路稳态工作、暂态过载、动态电应力几种条件下的应力； 2 、电阻类主要是功率降额，对高压应用环境还需电压降额； 3 、电容类主要是电压和功耗降额，有时考虑工作频率降额； 4 、数字 IC 对其负载、应用频率降额； 5 、线性与混合集成电路的降额主要是工作电流或工作电压的降额； 6 、微波 IC 主要是功率和频率的降额； 7 、晶体管是工作电流、工作电压、功耗、频率的降额； 8 、普通二极管频率降额、开关二极管的工作峰值反向电压，变容二极管的击穿电压、可控硅的工作浪涌电流及正向工作电流降额； 9 、继电器触点电流的降额，按容性负载、电感性负载及电阻性负载等不同负载性质做出不同比例的降额。对容性负载要按电路接通时峰值电流进行降额； 10 、电连接器的降额主要是工作电流的降额，其次是工作电压的降额。降额程度根据触件间隙大小及直流和交流电源而定； 11 、开关的降额主要是开关功率和触点电流的降额。 12 、电缆和导线是电流降额。高压电路的电缆和导线是工作电压的降额； 13 、晶体是驱动电压降额（保证功率前提下）；   但也有两个注意事项，不是降额越多越好，各类元器件均有一个最佳降额范围，在此范围内应力变化对其故障率影响较大，较小的投入即可见到较大的可靠性收益，再继续降额，可靠性的提高很微小没必要。就像文章开头的例子，能背 100 斤的人，背个 3 、 5 斤和背 20 、 30 斤是没啥区别的，背得少效率会很低，而且慢慢能力会退化，突然的大应力来一下的时候，反而抗应力能力不强。大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数参数稳定性会降低。 也不是什么指标都允许降额，继电器的线包电流不仅不能降低，反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触。   降额作为与器件功能应用技术、测试技术并列的基础可靠性设计手段，是最简单易行的，而且降额后，即使电路设计有些许缺陷，因为余量较大，器件的耐受力空间足够，也能避免些故障，况且又不用特殊的试验仪器，只是在选定某一器件后，附加一点功夫，挑挑该系列中，选个余量稍大的，即能解决不少问题，我们为什么不去做呢？   备注 1 ：案例 某低压电器控制器产品，应用环境的温度会上升到 70 多度，机箱内会更高一点，但用的器件是商业级的（ 商业级 0~70 ℃ 、工业级 -40~85 ℃ 、汽车级 -40~120 ℃ 、 军工级 -55~150 ℃ ），年轻工程师选器件时大都看重外观的 pcb 安装形式，容易忽视其它信息的标识内容，如： ATmega128L — 16AC ， “ L ”表示电压工作范围 2.7-5.5V ，“ 16 ”表示最高 16M 系统时钟，“ A ”表示 TQFP 封装； “ C ”代表商业级，若为“ U ”则表示工业级无铅，“ I ”代表工业级含铅。这个标识就与降额直接相关。在做设计时，物料选型要注意这几点；在文件归档时，要在外购件规格书上，检验细则标明注意检查这一点；在采购时则要注意鉴别这些标识。   备注 2 ：降额系数的确定 电容器降额曲线（图 1 ）   固定陶瓷电容器降额系数     降额参数 降   额   等   级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 直流工作电压 0.50 0.60 0.70 环境温度℃ T AM — 10 （ T AM 为最高额定环境温度，由元件相关详细规范确定 ）   模拟运放器件降额曲线（图 2 ）     模拟运放器件降额系数 降额参数 降   额   等   级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 电源电压 0.70 0.80 0.80 输入电压 0.60 0.70 0.70 输出电流 0.70 0.80 0.80 功     率 0.70 0.75 0.80 最高结温℃ 80 95 105     备注 3 ：降额系数 S 降额系数 S= 工作应力 / 额定应力 备注 4 ：常见应力 电应力：元器件外加的电压、电流及功率等； 温度应力：指元器件所处的工作环境的温度； 机械应力：指元器件所承受的直接负荷、压力、冲击、振动、碰撞和跌落等； 环境应力：指元器件所处工作环境条件下，除温度外的其它外界因素，例如：灰尘、温度、气压、盐雾、腐蚀等； 时间应力：指元器件承受应力时间的长短（承受应力时间越长，越易老化或失效）。   备注 5 ：案例 某电源调整器，计算功耗为 0.8W （ 20 ℃～ 25 ℃），选用额定功率 1W 的器件，使用中故障频繁，分析原因：该器件额定功耗 1W 时的环境温度为 25 ℃，实际工作环境温度为 60 ℃，此时实际最大功耗已达 1W ，选用同参数 2W 的晶体管，降额系数 0.5 ， 产品故障得到解决。

最近出差较多，写文章手懒了，内心很纠结，时时在自责，今晚毫无睡意，弄完了给北航出版社的目录大纲后，补上一篇文章，聊表歉意，希望能对大家有所帮助。 我们在设计电路的时候，一般会首先确定设备的运行环境温度，比如-20℃—+60℃，而如果器件选型的时候，看到datasheet上写的应用环境温度是75℃，千万不要沾沾自喜，已为此器件绝对ok的话，那可能您就大错而特错了。60℃那是整机的环境温度，而器件本身的工作环境可就未必了，比如在散热片附近工作的电解电容、功率器件附近的电阻都有类似问题。总结为一句话：器件环境温度≠设备环境温度。 还有的时候，从一些IC的datasheet上，我们会看到器件的应用温度范围很宽，甚至有的达到80℃—150℃，于是，电路设计中就无所顾忌了，如此高的适应温度范围，可能因温度应力而引起器件故障几乎是不会发生的了。那您就又错了。 打个比方，一个人，他的运行温度范围80℃是没问题的，也就是说人在80度的情况下是不会死的，但是，80℃的情况下，跑百米冲刺、算双重曲面积分的数学题、大段的背诵英语文章、背负100多斤的东西快走，您能做得到吗？而这些在10来度的时候都是些可以easy完成的事情。这说明了什么？说明了人的使用温度虽然宽，但在高温情况下，是不能被满负荷使用的。于是就有了如下的负荷特性曲线1。图中T1—Tmax的这一段温度区间，器件仍然是可以用的，但是不能满负荷工作，电路设计时要特别注意这一点。而T1-Tmax斜线段的斜率又决定于器件的散热能力，它是热阻的倒数。 另外，在电路设计中，器件的功率、电压等参数都会降额，具体降额方法本人博客中已有其他文章专门介绍。这里补充说的是降额之后的负荷特性曲线也要随之发生变化（如上图的曲线2）。电路设计中对器件的使用，在T2—T3的温度区间中，器件功耗就需要随温度升高按一定斜率递减。做不到这一点，器件的使用可靠性就不能保证了。 这是一个很简单，但有很容易被忽视的问题。器件厂商也都鬼精鬼精的，在datasheet上他们很少给出这条曲线，但会给出Tmax、Pmax和Rj这三个指标，根据这三个指标，可以描出上图的负荷特性曲线，不过没了明确的图形指示，就容易让人忽视这一段高温下的性能下降，从而带来无端的设计故障。本文谨将此作一个提醒。

降额设计就是使元器件工作时承受的工作应力适当低于元器件规定的额定值，从而达到降低基本失效率并提高模块整体可靠性的目的。对元器件的某些参数适当降额使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性，通过整理可以发现模块的可靠性对其电应力和温度应力两个方面比较敏感，故而降额设计技术尤为重要。 对于各类电子元器件，都有其最佳的降额范围，在此范围内工作应力的变化对其失效率有明显的影响，在设计上也较容易实现，并且不会在产品体积、重量和成本方面付出过大的代价。具体怎么操作呢，可以参考以下的军用标准的三级降额，上面的元器件的划分略有些老，不过对于汽车电子方面可以略微做一些调整。 我个人把它分为被动器件，分立器件和集成器件，这里吧被动器件的降额表贴出来。   注意这个中国的军用标准有些老（中国的标准体系里面最为靠谱的还算是军用标准，这点我有深刻的感受），需要根据自己选择的器件进行一定的调整，我觉得可以在三级降额的基础上进行+/-10%的修正，当然每个企业需要根据这些数据调整测试后获取自己的最佳使用点。 元器件降额准则_中国军用标准_下载 在此抛砖引玉吧，武老师好像也写过类似的文章，不过比较散，有空我也希望可以找相应的美国军标看看。 PS：这个周把书的正文一定要赶完，还有10多页的样子，与编辑商议说把所有我知道的较好的应用文献，论文啊之类整理成单独一个附录，原本我想放在光盘里面的，不过有很多版权的问题。不知道大家是否对这个做法感兴趣。