电子产品的可靠性试.pdf

电子产品的可靠性试验评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为可靠性试验。试验目的通常有如下几方面：1.在研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷，评价产品可靠性达到预定指标的情况；2.生产阶段为监控生产过程提供信息；3.对定型产品进行可靠性鉴定或验收；4.暴露和分析产品在不同环境和应力条件下的失效规律及有关的失效模式和失效机理；5.为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案，为用户选用产品提供依据。对于不同的产品，为了达到不同的目的，可以选择不同的可靠性试验方法。可靠性试验有多种分类方法.1.如以环境条件来划分,可分为包括各种应力条件下的模拟试验和现场试验；2.以试验项目划分，可分为环境试验、寿命试验、加速试验和各种特殊试验；3.若按试验目的来划分，则可分为筛选试验、鉴定试验和验收试验；4.若按试验性质来划分，也可分为破坏性试验和非破坏性试验两大类。5.但通常惯用的分类法，是把它归纳为五大类:A.环境试验B.寿命试验C.筛选试验D.现场使用试验E.鉴定试验1.环境试验是考核产品在各种环境（振动、冲击、离心、温度、热冲击、潮热、盐雾、低气压等）条件下的适应能力，是评价产品可靠性的重要试验方法之一。2.寿命试验是研究产品寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。寿命试验是可靠性试验中最重要最基本的项目之一，它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效（损坏）随时间变化规律。通过寿命试验，可以了解产品的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。如结合失效分析，可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理，作为可靠性设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行（批量保证）试验条件等的依据。如果为了缩短试验时间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法进行试验，这就是加速寿命试验。通过寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高新产品可靠性水平。3.筛选试验是一种对产品进行全数检验的非破坏性试验。其目的是为选择具有一定特性的产品或剔早期失效的产品，以提高产品的使用可靠性。产品在制造过程中，由于材料的缺陷，或由于工艺失控，使部分产品出现所谓早期缺陷或故障，这些缺陷或故障若能及早剔除，就可以保证在实际使用时产品的可靠性水平。可靠性筛选试验的特点是：A.这种试验不是抽样的，而是100%试验；B.该试验可以提高合格品的总的可靠性水平，但不能提高产品的固有可靠性，即不能提高每个产品的寿命；C.不能简单地以筛选淘汰率的高低来评价筛选效果。淘汰率高，有可能是产品本身的设计、元件、工艺等方面存在严重缺陷，但也有可能是筛选应力强度太高。淘汰率低，有可能产品缺陷少，但也可能是筛选应力的强度和试验时间不足造成的。通常以筛选淘汰率Q 和筛选效果 值来评价筛选方法的优劣：合理的筛选方法应该是 值较大，而 Q 值适中。上述各种试验都是通过模拟现场条件来进行的。模拟试验由于受设备条件的限制，往往只能对产品施加单一应力，有时也可以施加双应力，这与实际使用环境条件有很大差异，因而未能如实地、全面地暴露产品的质量情况。现场使用试验则不同，因为它是在使用现场进行，故最能真实地反映产品的可靠性问题，所获得的数据对于产品的可靠性预测、设计和保证有很高价值。对制定可靠性试验计划、验证可靠性试验方法和评价试验精确性，现场使用试验的作用则更大。鉴定试验是对产品的可靠性水平进行评价时而做的试验。它是根据抽样理论制定出来的抽样方案。在保证生产者不致使质量符合标准的产品被拒收的条件下进行鉴定试验。1 可靠性设计的意义可靠性贯穿于电子产品的整个寿命周期，从产品的设计、制造到安装、使用、维护的个阶段都有一个可靠性问题。但首先要抓好可靠性设计。产品可靠性的定量指标应该在设计过程就得到落实，为产品的固有可靠性奠定良好的基础。反之，一个忽视可靠性设计的产品，必然是“先天不足，后患无穷”，在使用过程中大部会暴露出一系列不可靠问题。据统计，由于设计不当而影响产品可靠性的程度占各种不可靠因素的首位。所以，我们必须扭转只搞性能指标设计，忽视可靠性设的倾向，在产品研制、设计阶段，认真开展可靠性设计，为产品固有可靠性奠定基础。随着科学技术的进步和经济技术发展的需要，电子产品日益向多功能、小型化、高可靠方向发展。功能的复杂化，使设备应用的元器件、零部件越来越多，对可靠性要求也越来越高。每一个元器件的失效，都可能使设备或电子系统发生故障。这就必须加强可靠性设计，正确选用元器件并采用降额、降温、冗余等设计技术，降低元器件的使用失效率，保证产品的可靠性。电子设备或系统广泛应用于各种场所，会遇到各种复杂的环境因素，如：高温、高湿、低气压、有害气体、霉菌、冲击、振动、辐射、电磁干扰 。这些环境因素的存在，都将大大影响电子产品的可靠性。只有通过可靠性设计，充分考虑产品在使用过程中可能遇到的各种环境条件，采取耐环境设计和电磁兼容性设计等各项措施，才能保证产品在规定环境条件下的可靠性。在设计阶段采取提高可靠性的措施，比起以后各阶段采取措施耗资最少，收效也最显著。2 可靠性设计的基本任务电子设备或系统可靠性设计的基本任务是：在现有元器件水平的基础上，从设备或系统的总体设计、元器件选用、降额设计、热设计、稳定性设计、电磁兼容设计、耐环境设计、工艺设计以及维修性设计等各方面，采取各种措施，在重量、体积、性能、费用、研制时间等因素的综合权衡下，实现设备或系统既定的可靠性指标。二、可靠性设计的基本内容可靠性设计的基本内容包括：确定总体方案；应用专门的可靠性设计技术实施专题可靠性设计；应用专门的可靠性评价分析技术对产品的可靠性进行定性和定量的评价分析。制定总体方案是实施专题可靠性设计的依据，专题可靠性设计则是总体方案的具体实现和保证，而可靠性评价分析则是对专题可靠性设计的及则检验和反馈。下面就逐一介绍这三部分内容。1 制定总体方案制定总体方案包括如下六个方面的内容：明确产品的功能和性能要求；了解产品的使用环境条件；确定产品可靠性的定量标准；调查相似老产品的现场使用情况；拟定为实现可靠性指标应采取的相应措施；进行方案论证。2可靠性设计技术的应用元器件选用与降额设计选用元器件一般有二条原则：尽量选用经过质量认证或认定，并经现场使用证明质量良好，可靠性高的通用元器件。对于新研制的新型元器件则必须经过严格的质量和可靠性试验后方能使用。必须根据不同电路的工作参数和整机的使用环境条件，选用能满足这些要求的相应元器件，以充分发挥元器件应有的功能提高元器件的使用可靠性。各种电子元器由于它们的材料、结构、设计和制造工艺等方面的原因，对外应力（包括电应力、热应力等）都有一定的耐受强度。当外应力超过元器件本身的应力承受强度（即额定应力）时，元器件就会损坏。降额就是使元器件在低于其额定的应力条件下工作。降额能提高元器件和设备的可靠性。这是因为绝大部分元器件的失效率随着所施加的热应力和电应力的降低而下降。但是降额要适当，既不能使降额不足，对某些元件（如电解电容等）也不能让降额过了头，且要与体积、重量、成本综合考虑。(2)热设计电子元器件及电子设备的可靠性与温度的关系极为密切。例如，当环境温度升高时，就会使晶体管内部材料的物理和化学反应的速率加快，从而使晶体管的性能参数（电流放大系数hfe、反向饱和电流Is 和噪声系数Nf 等）随温的升高而产生漂移；额定功率降低，热击穿概率上升。温度对电容器的可靠性也有极大影响，当使用温度超过电容器的额定温度时，温度每提高 10 电容器的使用寿命将下降一半。此外，过高的温度还会使设备内的塑料件变形、变硬、变脆、老化，使材料的绝缘性能下降等。因此为了提高产品的可靠性，就必须充分重视并搞好热设计。热设计的基本准则可归纳为以下四点：降低热源电子产品所消耗的功率绝大部分被转化为热能，故为了降低设备的温升就应在保证设备完成规定功能的前提下，尽量降低设备的功耗。合理布局把设备内的发热元件均匀地分散于各个部位，防止设备内部出现局部过热。采取有效的散热措施所谓散热，就是采取一定的传热方式，把发热体的热量散发出去。传热有三种基本形式，即传导、对流和辐射，因此，要提高散热效果可以从以下几方面着手：第一，充分利用传导散热。应充分利用设备的各个部分（如结构件，印制板和引线等）作为传导通路，对发热量较高的大中功率管，可装在散热器上，让发热体的热量先传导至散热器，再通过对流、辐射把热量从散热器传至周围环境。第二，加强对流。合理设计通风孔，进风口和出风口应开在温差最大的两处。对自然通风的设备，进风口应开在设备的底部，出风口应尽量高，以形成较强的拔风效应。对功率较大的设备还应采用强迫风冷措施，以加强对流效果。第三，减小辐射热阻。要扩大辐射面积，提高发热体黑度。第四，对热敏元件隔热。热敏元件对温度变化非常敏感，如晶体管、铁氧体磁性元件、石英晶体、槽路电容等，在热的影响下，或是电参数急剧变化使设备出现性能失效，或是元件失效率升高使设备故障增多。故应对热敏元件进行隔热。(3)电磁兼容性设计电子设备或系统总是处在电磁环境中工作，一是自然界造成的电磁环境，如雷电、宇宙射线、地磁辐射等；二是周围其他电子设备造成的电磁环境，如家用电器、工业电器、仪器设备、雷达、发射台、输电网等；三是自身造成的电磁环境，如变压器、扬声器、电路的非线性失真、本振辐射、自激振荡及各种信号馈线等形成的电场、磁场、电磁场环境等。设备处在这些电磁环境中，将会受到电的、磁的或电磁的干扰。因此，能否适应这种公共的电磁环境，使其仍然能正常工作，就成为可靠性设讨必须考虑的问题。如果所设计的设备缺少电磁兼容能力，就会在电磁干扰下，不断发生暂时的或永久的故障，降低了设备的可靠性。电磁干扰通常分为外来干扰和自身干扰两大类：常见的外来干扰有：电吹风、手电钻、汽车发动机、电焊机等启动时，由于电机电刷的接触，汽车发动机点火系统的放电，及注塑机继电器触点的接触而产生的电火花等。这些电火花频率高，高次谐波多，脉宽窄，幅度大，由此而产生的高频辐射会使电子设备的正常工作受到影响。常见的自身干扰有：变压器的漏磁、电路的自激振荡、电路的非线性失真或高速开关电路所产生的高次谐波的辐射等。电磁干扰的途径一般有传导、近场感应和远场辐射三种方式。干扰通过于扰源和被干扰电路之间的公共阻抗而引人被干扰电路的方式称为传导干扰。当干扰源和被干扰物相距较近时（小于/，其中 为干扰波的波长），干扰通过电容或电感性耦合而引人被干扰电路的方式称为近场感应。当干扰源和被干扰物相距较远（大于/）时，干扰由电磁辐射方式引入被干扰电路就称为远场辐射。近场感应和远场辐别的区别取决于干扰源和被干扰电路间的距离和干扰源的频率。低频时波长较长，故各种干扰大多属于近场感应。而高频则波长较短，尤其在特高频段多属远场辐射。设备自身产生的干扰也有不少是远场辐射，如本振辐射，非线性失真，自激振荡等。电磁兼容性设计的基本技术和方法是：抑制干扰源具体做法为减少变压器漏磁、减少无用辐射、减少非线性失真、抑制自激等。切断传递途径具体做法为合理、良好接地，屏蔽及加滤波措施等。对于变压器的漏磁和高频电路的辐射干扰，多采用屏蔽的方法以切断干扰的传递。对容易受外来电、磁干扰的仪器设备，也可采用机壳屏蔽。（4）漂移设计电子元器件的性能参数在应力作用下或在贮存条件下将随时间而发生缓慢的变化，如果参数变化到一定限度，使设备或系统不能完成规定的功能，则发生漂移失效。因此在设计阶段就要考虑到参数的漂移，要分析哪些元器件对设备性能的影响最敏感，并要了解各种元器件的参数漂移特性。设计电路时，选取怎样的参数组合能使电路性能最稳定，井要考虑在设备的任务周期内应取怎样的允许差才不致于出现漂移失效，而又最为经济合理等。漂移设计的常用设计技术和方法有：均方根偏差设计法、最坏情况设计法、蒙特卡罗法和正交优化法等。（5）三防设计三防指的是防潮湿、防盐雾、防霉菌。潮湿、盐雾和霉菌对电子设备有很大影响，它们会使机内凝聚水汽，降低绝缘电阻，元件的介电常数和介质损耗增大，塑料变形，金属腐蚀，材料变质，使所有有机材料和部分无机材料受到霉菌的侵蚀而降低强度，从而使设备的寿命和可靠性受到影响。三防设计的主要途径和方法分列于下：防潮其方法包括：憎水处理；浸渍处理；灌封处理；塑料封装；金属封装。防盐雾其方法包括：电镀；表面涂敷；降低不同金属接触点问的电位差。防霉菌其方法包括：密封；放置干燥剂；控制大气条件，降低环境相对湿度；选用不易长霉的材料；紫外线辐照；表面涂敷防霉剂、防霉漆；在密封设备中充以高浓度臭氧灭菌。（6）冗余设计对于复杂和重要的电子设备或系统，往往采用冗余设计来进一步提高可靠性。所谓冗余设计，就是为完成规定的功能而额外附加所需的装置或手段，即使其中某一部分出现了故障，但作为整体仍能正常工作的一种设计.冗余设计虽能大幅度提高系统的可靠性、但要增加设备的体积、重量、费用和复杂度。因此，除了重要的关键设备，对于一般产品不轻易采用冗余技术。冗余的方法很多，最简单的是并联装置,此外，冗余的方法尚有串并联或并串联混合装置、多数表决装置、等待装置等。（7）维修性设计电子系统或设备一般都是可修复产品。对这类产品不但要求少出故障，而且要求一旦出了故障时能很快修复。只有故障少、修复快，才能有效地提高设备的利用率。维修性设计一般从以下几个方面考虑：维修时易装易拆；维修工具可靠；易检查易校正易恢复；互换性好;安全、经济、快速等。具体可归纳为如下12 条设计准则:(1)结构简单，零、部、整件采用快速解脱装置，如采用抽屉式结构等，易拆、易装、易换。(2)有分机故障隔离措施。(3)尽量采用标准件、通用件。(4)采用模块化设计以利故障检查和拆换。(5)推行故障诊断设计，使设备便于迅速、准确地判断出故障的结构特征。(6)需要经常检查、维修、拆装、调换之处需设计成便于操作者接近和操作。(7)应使维修人员能见到全部零件。(8)应使设计的产品尽量减少维修工具。(9)插头、插脚、连接线等都应有明显标记，容易辨别。(10)宁用少量大的紧固件，不用多量小的紧固件。(11)以快锁构件代替螺钉、螺母。(12)对维修人员要能保证人身安全。（8）人一机工程设计机器需要由人来操作，所以人与机器构成了人一机系统。人一机工程设计的基本任务，就是根据人体特性和人-机系统的关系，确定需要完成的操作，并恰当地分配给入和机器，使两者协调地工作，达到高效、经济、安全、省力和操作方便而可靠的目的。人和机器各有所长，一般来说，凡是笨重的、快速的、精细的、单调的、操作复杂的、环境恶劣的工作都适合机器承担。凡是需要不断地调整、修正，处理突发性。推理性、创造性等工作都适合人来承担。由于人和机器交往的主要媒介物是显示器、控制器及它们的标记。因此必须按照人体的特性合理地设计显示器、控制器和标记。（9）印制电路板计算机辅助设计为了保证设计可靠性的实现，还必须进行工艺性设计，使可靠性在制造过程中不出现较大的退化。其中印制电路板设计是工艺性设计的主要内容，过去传统的方法是由手工设计，费时、费力、精凌低、质量差，这里介绍一种先进的印制电路板计算机辅助设计技术（简称PCBCAD），它是采用把电路、数据直接输入计算机系统，自动进行印制线路板线路布线。然后，由笔绘图仪绘制成套工艺图纸，由光绘图仪绘制印制板所需的成套照相底片，同时，还能扫印输出元器件清单等。PCBCAD有以下优点：提高了印制板的设计效率计算机布线的效率一般比人工的高35 倍，而用光绘图仪制作照相底片，其效率一般比人工高10 倍以上。提高了印制板的质量由于保证了焊盘的合理形状及公差，可以减少连焊及缺焊，降低了焊点不良率。提高了印制板的设计精度由于焊盘与钻孔的精确定位，使其更适宜于自动插件工艺，因此可以减少因手工操作误插所造成的质量问题。下面简单介绍用上海广播电视技术研究所的印制板计算机辅助TRIT 系统所进行的设计过程。首先要建立元件外形库。印制板计算机辅助设计中的元件库包括元件外形库，符号库和器件库。一般先建立元件外形库。元件外形的建立主要供印制板上元件布局以及绘丝网图用，在计算机的元件外形库里已存储了许多基本元器件外形。建立了元件外形库后，再建立元件符号库。符号库是一些单个的常用的电路符号，如电阻、电容、二极管、三极管、门电路等。库里也已存储了许多元件符号，特殊元件的符号可根据需要自行建立。在建立了元件外形库和符号库后再建立元件的器件库。器件库里已存储一部分器件，器件库是由单个或多个符号组成的可命名的部件，它主要用于构成电原理图，使用时，既可以用库里的现有器件，也可以根据需要自行建立。完成基本元件库之后，可用画电原理图或输入接线表两种方式，向计算机输入元器件间的连接关系。元器件布局是印制板CAD 设计过程中最重要的过程之一，布局是否合理直接影响自动布线的布通率。对于模拟电路还要影响它的电性能，元器件布局一般是以人机交互式输入，既可用光笔输入，也可通过键盘用座标法输入。完成布局之后，就可以进行自动布线。在布线之前，先要对焊盘和走线数字化，、使计算机获得必要的布线数据。自动布线可根据需要选择单层、模拟、逻辑、多层等布线方案。对于一般密度的印制板，单层自动布线的布通率通常在80左右。多层板自动布线，一般密度的印制板，它的布通率通常在90左右。