测控仪器设计的可靠性设计精选文档.ppt

本讲稿第一页，共六十七页讲课内容讲课内容1、可靠性设计的原则2、原器件的筛选与降额设计3、漂移设计4、热设计5、电磁兼容设计本讲稿第二页，共六十七页 仪表是由许多电子元器件及机械零部件组成的，当元器件质量指标较仪表是由许多电子元器件及机械零部件组成的，当元器件质量指标较低时，采用提高可靠性的设计方法显得特别重要。低时，采用提高可靠性的设计方法显得特别重要。可靠性设计方法包括安全系数与降额使用的选择、冗余设计、漂移设计还要考可靠性设计方法包括安全系数与降额使用的选择、冗余设计、漂移设计还要考虑在恶劣的环境条件下仪表能正常工作的措施，这就是所谓的虑在恶劣的环境条件下仪表能正常工作的措施，这就是所谓的三防设计与耐环境三防设计与耐环境设计。设计。随着自控系统的大型化，由变送器、传输线、记录仪、巡回检测装随着自控系统的大型化，由变送器、传输线、记录仪、巡回检测装置等构成的多路检测回路需要进行集中控制。这类检测系统往往受周置等构成的多路检测回路需要进行集中控制。这类检测系统往往受周围环境的电磁场干扰，不能稳定工作，因此还要考虑围环境的电磁场干扰，不能稳定工作，因此还要考虑抗电磁干扰的设计抗电磁干扰的设计。另外所有的仪表都必须经由包装、运输途径送到用户手中，运输过程则另外所有的仪表都必须经由包装、运输途径送到用户手中，运输过程则是典型的随机冲击振动。如：汽车在崎岖不平的道路上行驶时，最大冲击是典型的随机冲击振动。如：汽车在崎岖不平的道路上行驶时，最大冲击力可达到力可达到100g100g。经统计仪表受到。经统计仪表受到20g20g以下的冲击值的概率为以下的冲击值的概率为9090。故设计。故设计时，就需要考虑时，就需要考虑耐冲击振动的设计耐冲击振动的设计措施，来应付这种高概率的冲击作用。措施，来应付这种高概率的冲击作用。有些仪表在炎热的环境中，需要采用电扇强行冷却才能正常工作。有些仪表在炎热的环境中，需要采用电扇强行冷却才能正常工作。如果在仪表设计之初就采取一定的措施，即为如果在仪表设计之初就采取一定的措施，即为“热设计热设计”。概概 述述本讲稿第三页，共六十七页第一节第一节 可靠性设计的原则可靠性设计的原则 由由于于产产品品类类型型不不同同，复复杂杂程程度度不不同同，各各类类产产品品失失效效模模式式不不同同，以以及及工工作作条条件件不不同同等等，产产品品的的可可靠靠性性设设计计内内容容也不尽相同。具体可靠性设计均应考虑下列一些设计原则。也不尽相同。具体可靠性设计均应考虑下列一些设计原则。1 1、收集可靠性数据，确定可靠性指标、收集可靠性数据，确定可靠性指标 进进行行产产品品设设计计时时，应应先先确确定定产产品品的的可可靠靠性性指指标标。指指标标的的确确定定，一一是是按按标标准准规规定定，二二是是由由用用户户提提出出，三三是是由由设设计计者者提提出出，四四是由各方协商确定。是由各方协商确定。要求首先收集和掌握国内、外同类产品或相近产品的可靠性数据。要求首先收集和掌握国内、外同类产品或相近产品的可靠性数据。不切实际地追求产品高可靠性指标。就存在能否实现与成本问题。不切实际地追求产品高可靠性指标。就存在能否实现与成本问题。确定可靠性指标一要切实可行，二要指标先进，有利于促进产品可靠性水平不断提高。确定可靠性指标一要切实可行，二要指标先进，有利于促进产品可靠性水平不断提高。本讲稿第四页，共六十七页 2 2、考虑明确产品的使用条件及工作环境、考虑明确产品的使用条件及工作环境 因为产品的可靠性，是针对一定的工作条件而言的，这种工作条件包括两个因为产品的可靠性，是针对一定的工作条件而言的，这种工作条件包括两个方面：一是方面：一是使用条件使用条件，主要是指现场操作条件及维护条件，二是，主要是指现场操作条件及维护条件，二是工作环境条工作环境条件件，包括工作地点的温度、湿度；水分、灰尘、腐蚀介质，包括工作地点的温度、湿度；水分、灰尘、腐蚀介质等等。等等。3 3、系统设计、系统设计 系统设计首先确定系统的组成及系统类型。当系统类型确定之后，系统设计首先确定系统的组成及系统类型。当系统类型确定之后，系统可靠性设计方式有两种系统可靠性设计方式有两种：一是根据零件：一是根据零件(元件元件)或子系统可靠性预测或子系统可靠性预测结果计算系统可靠性指标，即结果计算系统可靠性指标，即系统可靠性预测，系统可靠性预测，预测结果满足指标要求预测结果满足指标要求即可，二是当预测结果没有满足规定的指标时，应进行即可，二是当预测结果没有满足规定的指标时，应进行可靠性分配可靠性分配，把系统，把系统的可靠性指标，分配到子系统甚至分配到零件上。的可靠性指标，分配到子系统甚至分配到零件上。提高系统可靠性，也是从两方面着手，一是采用贮备系统，比如并提高系统可靠性，也是从两方面着手，一是采用贮备系统，比如并联系统，表决系统，旁联系统等；二是提高元件或零件的可靠性；实联系统，表决系统，旁联系统等；二是提高元件或零件的可靠性；实际上采用哪种方法提高系统可靠性要作具体分析，视具体情况而定。际上采用哪种方法提高系统可靠性要作具体分析，视具体情况而定。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第五页，共六十七页 4 4、采用标准件，选用外购件、采用标准件，选用外购件 为保证所设计的产品的可靠性高，易于维修，应尽量采用标准化零件。为保证所设计的产品的可靠性高，易于维修，应尽量采用标准化零件。对于外购件、外协件，应选用经过考验的厂家生产的高质量产品，而且对于外购件、外协件，应选用经过考验的厂家生产的高质量产品，而且对外购件、对外协作要提出可靠性要求，产品进厂时要进行抽验，以确对外购件、对外协作要提出可靠性要求，产品进厂时要进行抽验，以确保系统的可靠性。保系统的可靠性。5 5、方案简化，结构简单、方案简化，结构简单 从可靠性角度出发，产品在满足要求情况下，组成系统的单元越少，结构设计从可靠性角度出发，产品在满足要求情况下，组成系统的单元越少，结构设计越简单越好。对于新材料、新技术、新结构的应用，要有充分的把握，有的需越简单越好。对于新材料、新技术、新结构的应用，要有充分的把握，有的需经过试验并经一段时间试用证明确有保证时，再大批使用。经过试验并经一段时间试用证明确有保证时，再大批使用。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第六页，共六十七页 6 6、耐环境设计、耐环境设计 所谓耐环境设计，就是研究环境应力的影响，采取提高耐环境应力的能力措施。主要有下面几个方面。所谓耐环境设计，就是研究环境应力的影响，采取提高耐环境应力的能力措施。主要有下面几个方面。(1)(1)温度影响。温度影响。比如高温、低温、热冲击、热辐射、温度循环比如高温、低温、热冲击、热辐射、温度循环(如四季温差变化如四季温差变化)等都会对产品产生热应力的影响。解决等都会对产品产生热应力的影响。解决温度应力影响所采取的措施称为耐热设计，比如防寒设施，通风冷却，隔热等。温度应力影响所采取的措施称为耐热设计，比如防寒设施，通风冷却，隔热等。(2)(2)湿度影响湿度影响。比如湿度，降雨，降雪，雾气，河水，海水，腐蚀性气体等湿度、水分应力影响。比如湿度，降雨，降雪，雾气，河水，海水，腐蚀性气体等湿度、水分应力影响。(3)(3)冲击、振动影响。冲击、振动影响。研究冲击、振动产生的原因、影响，设计时采取防止或减少冲击、振动的措施，如用缓冲、研究冲击、振动产生的原因、影响，设计时采取防止或减少冲击、振动的措施，如用缓冲、减震装置等。减震装置等。(4)4)日照，风砂，风力，灰尘等影响。日照，风砂，风力，灰尘等影响。(5)(5)其他影响。其他影响。如各种场如各种场(电场、磁场、重力场等电场、磁场、重力场等)的影响及各种辐射作用的影响，的影响及各种辐射作用的影响，第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第七页，共六十七页 7 7、维修性设计、维修性设计 所谓维修性设计，就是在设计时应考虑产品的故障容易发现，易于检查，所谓维修性设计，就是在设计时应考虑产品的故障容易发现，易于检查，便于尽快修复，甚至在未出现故障时，就便于尽快修复，甚至在未出现故障时，就采取必要的措施加以预防或消采取必要的措施加以预防或消除故障于未然。进行维修性设计，主要考虑以下几点，除故障于未然。进行维修性设计，主要考虑以下几点，(1)(1)在满足要求情况下，结构尽量简单。在满足要求情况下，结构尽量简单。零件数目尽量少，调整环节简便。零件数目尽量少，调整环节简便。对于易发生故障件、故障发生影响大或故障部位不易发现处，应设置故障对于易发生故障件、故障发生影响大或故障部位不易发现处，应设置故障诊断、检测及指示装置，以便能快速判别故障并报警。诊断、检测及指示装置，以便能快速判别故障并报警。(2)(2)可达性设计。可达性设计。即对于容易出故障的部位或零部件，能够容易接近，装拆及更换。即对于容易出故障的部位或零部件，能够容易接近，装拆及更换。(3)(3)尽可能采用独立的结构单元尽可能采用独立的结构单元。分离方便，使整个单元进行迅速更换，这有分离方便，使整个单元进行迅速更换，这有利于提高设利于提高设 备的有效度及维修度，替换下的结构单元采用事后维修，更备的有效度及维修度，替换下的结构单元采用事后维修，更容易保证维修质量。容易保证维修质量。(4)(4)尽量采用标准零部件。尽量采用标准零部件。加强互换性，还应考虑使用标准维修工具。加强互换性，还应考虑使用标准维修工具。(5)(5)尽量设法减少或避免因某一零件更换需装拆其相邻的零件。尽量设法减少或避免因某一零件更换需装拆其相邻的零件。(6)(6)要考虑维修人员作业方便与安全要考虑维修人员作业方便与安全。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第八页，共六十七页 8 8、人、人-机工程设计机工程设计 由人操纵或控制的系统，不少故障发生是由于人的失误所致。工程心理由人操纵或控制的系统，不少故障发生是由于人的失误所致。工程心理学认为人犯技术学认为人犯技术 错误的概率为错误的概率为1010-2-2一一1010-5-5，一般为，一般为1010-3-3。要减少人的差错，可以从两个方面着手解决，一是人的可靠性问题，其要减少人的差错，可以从两个方面着手解决，一是人的可靠性问题，其中包括人员责任感、人员技术水平及人所处的工作环境；另一方面是考虑中包括人员责任感、人员技术水平及人所处的工作环境；另一方面是考虑人机关系。人员操作错误的原因与人本身、机器及环境有关，为了减少人人机关系。人员操作错误的原因与人本身、机器及环境有关，为了减少人犯差错的概率，就应在人一机工程设计上下功夫。犯差错的概率，就应在人一机工程设计上下功夫。具体内容包含：具体内容包含：（1 1）人的操作可靠性）人的操作可靠性 人人-机系统可靠度为：机系统可靠度为：(1)(1)式中，式中，R RMM为仪表的可靠度，为仪表的可靠度，R RH H为人操作的可靠度，即操作者无差错完成为人操作的可靠度，即操作者无差错完成功能的概率。功能的概率。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第九页，共六十七页由此可见，要提高人操作的可靠性，就应从减少人操作中发生错误的概由此可见，要提高人操作的可靠性，就应从减少人操作中发生错误的概率及即使发生操作错误不致引起设备的故障方面进行设计。率及即使发生操作错误不致引起设备的故障方面进行设计。（2 2）指示系统可靠性设计，解决系统向人传递信息可靠性问题）指示系统可靠性设计，解决系统向人传递信息可靠性问题 a)a)合理地确定信息显示方式。合理地确定信息显示方式。比如计算显示或数字显示，标量显示；比如计算显示或数字显示，标量显示；定性显示等。定性显示等。b)b)显示器配置设计。显示器配置设计。人观察各种显示器时，一般要离开相当距离，比如工业人观察各种显示器时，一般要离开相当距离，比如工业仪表，读取可靠的最佳距离与仪表外形尺寸有关，一般推荐下式：仪表，读取可靠的最佳距离与仪表外形尺寸有关，一般推荐下式：（3 3）式中，式中，L L为读取距离；为读取距离；D D为仪表实际尺寸。为仪表实际尺寸。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第十页，共六十七页 当环境好时，可取大值，环境较差时取小值。此外，显示器位置角度要当环境好时，可取大值，环境较差时取小值。此外，显示器位置角度要合理，如从正面观看，视线与仪表板成合理，如从正面观看，视线与仪表板成 60600 0时，读取误差小。当有多种信时，读取误差小。当有多种信息显示时，必须设置集中控制的板面或控制台，控制台位置也要合理。息显示时，必须设置集中控制的板面或控制台，控制台位置也要合理。c)c)显示器的可靠性显示器的可靠性，这主要是指显示器本身可靠性。，这主要是指显示器本身可靠性。(3)(3)操作、控制系统可靠性设计操作、控制系统可靠性设计-人向系统传达指令的可靠性人向系统传达指令的可靠性 a)a)控制、操作机构及仪器精度高。控制、操作机构及仪器精度高。b)b)控制、操作机构及仪器容易识别。控制、操作机构及仪器容易识别。c)c)控制、操作机构及仪表适于人的使用习惯。控制、操作机构及仪表适于人的使用习惯。d)d)控制台设计的可靠。控制台设计的可靠。(4)(4)操作环境的可靠性设计操作环境的可靠性设计 环境的可靠性设计，是使操作者所处环境尽量适于人的工作需要，环境的可靠性设计，是使操作者所处环境尽量适于人的工作需要，减少造成疲劳、干扰减少造成疲劳、干扰 操作的因素，这些因素主要有：温度过高或过低操作的因素，这些因素主要有：温度过高或过低，气压，湿度，照明，色彩，噪声，振动，冲击，雨，气压，湿度，照明，色彩，噪声，振动，冲击，雨 雪，污染物等。雪，污染物等。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第十一页，共六十七页 9 9、安全性设计、安全性设计 系统发生故障后，故障产生的影响及其后果随故障类型不同而异。但我系统发生故障后，故障产生的影响及其后果随故障类型不同而异。但我们从安全性角度们从安全性角度 考虑，可把机械产品失效分为两种情况，考虑，可把机械产品失效分为两种情况，一是一是失效导致失效导致功能失效，生产暂停，服务中断。功能失效，生产暂停，服务中断。二是二是 失效除产生上述结果外，还可失效除产生上述结果外，还可能造成人员伤亡，环境破坏及财产的巨大损失。对于这后一种能造成人员伤亡，环境破坏及财产的巨大损失。对于这后一种 情况，情况，就存在安全性问题。进行安全性设计，目的在于保证系统危险性故障就存在安全性问题。进行安全性设计，目的在于保证系统危险性故障发生的概率最小发生的概率最小 或一旦发生故障使其造成的损失最小。或一旦发生故障使其造成的损失最小。概括地说，安全性设计内容和程序如图概括地说，安全性设计内容和程序如图1 1所示。所示。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）图图l l 安全性设计内容和程序安全性设计内容和程序本讲稿第十二页，共六十七页 (1)(1)安全分析安全分析 从安全角度对系统进行分析称为安全性分析。安全性分析主要包括如下从安全角度对系统进行分析称为安全性分析。安全性分析主要包括如下几点：几点：a)a)寻找所有零件寻找所有零件(或部件或部件)故障模式，故障模式，研究各种故障对系统及其他零、部件的影研究各种故障对系统及其他零、部件的影响，并确定哪些故障对系统安全性影响最大。响，并确定哪些故障对系统安全性影响最大。b)b)确定系统全部不安全失效模式，找出最危险失效模式。确定系统全部不安全失效模式，找出最危险失效模式。c)c)确定系统安全方面的最薄弱环节确定系统安全方面的最薄弱环节，采取改进及预防措施。，采取改进及预防措施。常用的安全分析方法有；常用的安全分析方法有；a)a)失效模式、影响及致命度分析，常写为失效模式、影响及致命度分析，常写为FMECAFMECA(Failure Model Effect and Criticality (Failure Model Effect and Criticality Analysis)Analysis)。b)b)事件树分析事件树分析ETA(Event Tree Analysis)ETA(Event Tree Analysis)。c)c)故障树分析故障树分析FTA(Fault Tree Analysis)FTA(Fault Tree Analysis)。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第十三页，共六十七页 （2 2）安全技术设计）安全技术设计 在在确确定定系系统统失失效效模模式式后后，要要在在技技术术上上采采取取措措施施，来来保保证证系系统统具具有有一一定定的的安安全全水水平平，安安全全技技术术设设计计可可从从以以下下几方面考虑。几方面考虑。a)a)消消除除产产生生致致命命故故障障的的危危险险因因素素。如如提提高高危危险险零零部部件件的的可可靠靠度度；进进行行安安全全保保险险设设计计，设设立立保保险险装装置置和和防防止止出出现现误操作设计。误操作设计。b)b)异常状态的监测、报警。异常状态的监测、报警。对于致命性故障源，要设立故障监测装置，以防患于未然。对于致命性故障源，要设立故障监测装置，以防患于未然。例如：火车中的轴承！例如：火车中的轴承！c)c)人员防护设计，人员防护设计，设立安全防护装置。设立安全防护装置。（3 3）安全评价）安全评价 估计出现失效的概率大小。估计出现失效的概率大小。（4 4）风险评价）风险评价 估计故障后果的影响程度与损失大小。估计故障后果的影响程度与损失大小。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第十四页，共六十七页 1010、可靠性增长、可靠性增长 在新产品从开发研制一直到定型生产之前，一般要经过：设计在新产品从开发研制一直到定型生产之前，一般要经过：设计试制试制试验试验修改修改小批生产小批生产检验检验改进改进定型生产。在这一过程中，产品可靠性定型生产。在这一过程中，产品可靠性水平在不断提高，称为可靠性增长。水平在不断提高，称为可靠性增长。建立可靠性增长模型是在新产品研制过程中一项有效的可靠性设计新技术，它有建立可靠性增长模型是在新产品研制过程中一项有效的可靠性设计新技术，它有助于定量地对新产品可靠性水平作出估计，监控产品研制进展情况，并确定出产品助于定量地对新产品可靠性水平作出估计，监控产品研制进展情况，并确定出产品投产时的可靠性水平。投产时的可靠性水平。第一节第一节 可靠性设计的原则（续）可靠性设计的原则（续）本讲稿第十五页，共六十七页 电子产品的电子产品的“硬件硬件”故障，大部分直接以元器件的各种故障方式表现故障，大部分直接以元器件的各种故障方式表现出来。其故障原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不少是选用不当造出来。其故障原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不少是选用不当造成的。例如在电路设计时元器件的工作成的。例如在电路设计时元器件的工作 应力超过产品的额定值，或是应力超过产品的额定值，或是对元器件失效机理不清楚，用于不适当的环境条件等等。对元器件失效机理不清楚，用于不适当的环境条件等等。因此元器件的选用及筛选成为电子产品可靠性设计的重要环节之一。因此元器件的选用及筛选成为电子产品可靠性设计的重要环节之一。为了为了保证元器件的使用可靠度，合理地进行降额使用元器件，可大幅度地降低保证元器件的使用可靠度，合理地进行降额使用元器件，可大幅度地降低元器件的失效率，因此降额设计已成为电子产品可靠性保障设计的最有效元器件的失效率，因此降额设计已成为电子产品可靠性保障设计的最有效的方法之一。的方法之一。一、可靠性筛选一、可靠性筛选 筛选是一种用于剔除不符合要求产品的挑选技术。筛选是一种用于剔除不符合要求产品的挑选技术。可靠性筛选是在一批产品中剔除那些由于原材料、工艺制造等潜在的不良可靠性筛选是在一批产品中剔除那些由于原材料、工艺制造等潜在的不良因素所造成的缺陷而早期失效的产品。因素所造成的缺陷而早期失效的产品。在筛选以前，产品的参数性能一般都是合格的，只有对产品施加各种应力条件在筛选以前，产品的参数性能一般都是合格的，只有对产品施加各种应力条件或采用特殊的检查手段后，才能发现有隐患的早期失效产品。一批产品，由于或采用特殊的检查手段后，才能发现有隐患的早期失效产品。一批产品，由于通过筛选剔除了早期失效的产品，就可以提高该批产品的可靠性水平。失效率通过筛选剔除了早期失效的产品，就可以提高该批产品的可靠性水平。失效率可以降低半个到一个数量级，个别的甚至可以降低两个数量级。可以降低半个到一个数量级，个别的甚至可以降低两个数量级。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计 本讲稿第十六页，共六十七页 例如，某工厂生产的二极管，在加大功率的条件下进行试验，试验时间例如，某工厂生产的二极管，在加大功率的条件下进行试验，试验时间与失效率的数据列入下表：与失效率的数据列入下表：由表中数据可以看出，从由表中数据可以看出，从0.1h0.1h到到10h10h进行加大功率时的可靠性筛选以后，其失进行加大功率时的可靠性筛选以后，其失效率下降效率下降1.200/0.0041.200/0.004300300倍，即从原来的倍，即从原来的6 6级下降到级下降到8 8级。级。对于电子元器件，其失效机理是产品本身具有的固有特性对于电子元器件，其失效机理是产品本身具有的固有特性，当产品，当产品生产后，它的失效机理就完全确定了，而可靠性筛选不能改变其失效生产后，它的失效机理就完全确定了，而可靠性筛选不能改变其失效机理。所以，可靠性筛选不能提高单个元件的可靠性，只有当一批产机理。所以，可靠性筛选不能提高单个元件的可靠性，只有当一批产品的早期失效产品被剔除后，才能提高该批产品的可靠性水平。同时品的早期失效产品被剔除后，才能提高该批产品的可靠性水平。同时要求，在整批产品的特性上，可靠性筛选不该影响其失效机理、失效要求，在整批产品的特性上，可靠性筛选不该影响其失效机理、失效模式和正常工作，因此筛选试验应力对优良产品的损伤要尽可能的小。模式和正常工作，因此筛选试验应力对优良产品的损伤要尽可能的小。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第十七页，共六十七页 筛选方法种类较多，按其方法复杂程度可分类如下。筛选方法种类较多，按其方法复杂程度可分类如下。(1)(1)分布截尾筛选。分布截尾筛选。对产品参数性能的筛选。对产品参数性能的筛选。(2)(2)应力强度筛选。应力强度筛选。对产品施加一定强度的应力后进行测量评定分选。对产品施加一定强度的应力后进行测量评定分选。(3)(3)老炼筛选。老炼筛选。在规定的时间内对产品施加各种应力条件后进行测试挑选。在规定的时间内对产品施加各种应力条件后进行测试挑选。例如采用高温老炼筛选、功率老炼筛选及离心老炼筛选等。例如采用高温老炼筛选、功率老炼筛选及离心老炼筛选等。(4)(4)线性鉴别筛选。线性鉴别筛选。采用适当检查手段及筛选项目进行试验，获得数采用适当检查手段及筛选项目进行试验，获得数据，运用数理统计方法进行判别挑选。据，运用数理统计方法进行判别挑选。(5)(5)精密筛选。精密筛选。在接近产品的使用条件下进行长期老炼，并多次精确地测量在接近产品的使用条件下进行长期老炼，并多次精确地测量参数的变化量进行挑选和预测。参数的变化量进行挑选和预测。前两种方法简单易行，但对剔除早期失效产品的效果较差；后两种方法前两种方法简单易行，但对剔除早期失效产品的效果较差；后两种方法需要专门的设备需要专门的设备 和较长的时间，费用较高，但对剔除早期失效产品的效和较长的时间，费用较高，但对剔除早期失效产品的效果较好。通常要根据产品的使用要求、质量水平及费用等情况合理地选择果较好。通常要根据产品的使用要求、质量水平及费用等情况合理地选择筛选方法。筛选方法。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第十八页，共六十七页 目前目前老炼筛选老炼筛选是可靠性筛选的主要方法，精密筛选由于费用高、周期长、是可靠性筛选的主要方法，精密筛选由于费用高、周期长、通常用于高可靠性的元器件筛选，如卫星元件、军工产品及海底电缆通信通常用于高可靠性的元器件筛选，如卫星元件、军工产品及海底电缆通信元件等。元件等。例如，半导体集成电路的典型筛选程序是：例如，半导体集成电路的典型筛选程序是：高温老炼储存：高温老炼储存：1501500 0C C1751750 0C C，96h96h。离心老炼离心老炼20000g20000g，lminlmin 高温功率老炼：高温功率老炼：1251250 0C C，96h96h，在额定电压、额定负载下动态老炼。，在额定电压、额定负载下动态老炼。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第十九页，共六十七页二、降额设计二、降额设计 1 1减额设计的理论依据减额设计的理论依据 电子元器件在使用或贮存过程中，总是存在着某种比较缓慢的物理化学变化。电子元器件在使用或贮存过程中，总是存在着某种比较缓慢的物理化学变化。当这一物理化学变化过程发展一定阶段时，元器件的特性退化、功能丧失，即当这一物理化学变化过程发展一定阶段时，元器件的特性退化、功能丧失，即失效。例如：失效。例如：半导体器件半导体器件-上述物化作用形成导电沟道时，使器件反向漏电电流上述物化作用形成导电沟道时，使器件反向漏电电流变大，击穿电压下降；器件表面复合速度变大，晶体管的电流放大系数降低等等变大，击穿电压下降；器件表面复合速度变大，晶体管的电流放大系数降低等等。物化过程与温度有密切关系，当温度升高以后，这些物理变化过程大大加快，物化过程与温度有密切关系，当温度升高以后，这些物理变化过程大大加快，器件的失效过程被加速。器件的失效过程被加速。在我国电子工业部颁发的在我国电子工业部颁发的电子设备可靠性预测手册电子设备可靠性预测手册中绘制了电子元中绘制了电子元器件降额曲线。器件降额曲线。对于不同的元件，降额的方法是不一样的，对于不同的元件，降额的方法是不一样的，电阻器电阻器的降额方法是降低功率比，的降额方法是降低功率比，电容器电容器是降低其工作电压，是降低其工作电压，半导体器件半导体器件的降额方法是将工作功耗保持在额定功的降额方法是将工作功耗保持在额定功耗之内，耗之内，数字集成电路数字集成电路通过降低周围环境温度和电荷来降额，通过降低周围环境温度和电荷来降额，线性集成电路、线性集成电路、大规模集成电路和半导体存贮器大规模集成电路和半导体存贮器也是通过降低周围环境温度来实现降额的也是通过降低周围环境温度来实现降额的，轴承轴承则以负荷比为降额系数。则以负荷比为降额系数。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第二十页，共六十七页 2 2降额原则降额原则 主要考虑三个问题：一主要考虑三个问题：一是降额从怎样的温度、电是降额从怎样的温度、电应力值开始；二是降额多应力值开始；二是降额多少为合适；三是降额的效少为合适；三是降额的效果。果。(1)(1)降额区域降额区域 一般元器件规范中都附有一般元器件规范中都附有温度、电应力的降额曲线。温度、电应力的降额曲线。对于不同类型的元器件，对于不同类型的元器件，电电 应力可以是电压、电流应力可以是电压、电流或功率等。降额的第一步或功率等。降额的第一步是使用降额曲线，曲线内是使用降额曲线，曲线内的区域为允许工作区，曲的区域为允许工作区，曲线本身又由两部分组成线本身又由两部分组成（图（图3 3）。）。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第二十一页，共六十七页 与与T T轴平行的轴平行的ABAB段表示当工作环境温度低于段表示当工作环境温度低于T TS S时，器件可满载使用。时，器件可满载使用。BCBC段表段表示温度高于示温度高于T TS S后需要遵循的降额率曲线。温度达后需要遵循的降额率曲线。温度达T Tmaxmax后，由于管芯已达最高后，由于管芯已达最高结温，所以允许负荷的值只能为零。结温，所以允许负荷的值只能为零。这条这条ABCABC曲线表示要保证元器件正常工作所允许的最大电应力与环境温度曲线表示要保证元器件正常工作所允许的最大电应力与环境温度之间的函数关系。我们要讨论旨在提高设备可靠性的降额，就必须是在曲线之间的函数关系。我们要讨论旨在提高设备可靠性的降额，就必须是在曲线ABCABC内的区域，可将内的区域，可将ABCABC曲线作为降额开始的基准线。曲线作为降额开始的基准线。(2)(2)降额图降额图 一般用降额图来表示元器件可取的降额值范围。图一般用降额图来表示元器件可取的降额值范围。图4 4就是典型的半导体器件就是典型的半导体器件的降额图。图中分三个区域：的降额图。图中分三个区域：R R：禁用区域：禁用区域-在这一区域内，元器件应力超过其额定值，不能使用。在这一区域内，元器件应力超过其额定值，不能使用。这一区域界线就是上面所说的降额曲线。这一区域界线就是上面所说的降额曲线。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第二十二页，共六十七页 QQ：有问题区域：有问题区域在这一区域在这一区域内，元器件在其额定值内工作，但不内，元器件在其额定值内工作，但不可能获得足够的可靠性值。在该区内可能获得足够的可靠性值。在该区内长期使用，元器件可靠性会降低。电长期使用，元器件可靠性会降低。电路设计时，尽量不要选用。该区实在路设计时，尽量不要选用。该区实在不能避开时，设计者应十分谨慎。不能避开时，设计者应十分谨慎。A A：合格使用区：合格使用区可靠性与费可靠性与费用之比是最佳的区域，可提供最用之比是最佳的区域，可提供最佳安全系数。元器件在这一区域佳安全系数。元器件在这一区域内使用，预计不会产生可靠性退内使用，预计不会产生可靠性退化。化。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第二十三页，共六十七页 例如，对于电子元器件的老炼，温度相差例如，对于电子元器件的老炼，温度相差100C，则寿命相差，则寿命相差l/21/1.5倍。倍。3降额设计的局限性降额设计的局限性 元元器器件件的的降降额额使使用用并并不不是是降降额额越越多多越越好好，因因为为降降低低元元器器件件电电负负荷荷过过多多，将将会会增增加加设设备备的的体体积积、重重量量及及成成本本；而且也不是任何情况下都能有效的，这是因为而且也不是任何情况下都能有效的，这是因为 (1)当当可可靠靠性性已已达达到到要要求求时时，再再用用降降额额来来继继续续提提高高可可靠靠性性就就多多余余了了。同同一一设设备备中中的的各各种种元元器器件件可可靠靠性性水水平平要要协协调。对其中某些元器件大幅度的降额，使其可靠性远离于其它元器件，这种降额也是不必要的。调。对其中某些元器件大幅度的降额，使其可靠性远离于其它元器件，这种降额也是不必要的。(2)单单纯纯用用降降额额来来提提高高可可靠靠性性是是有有限限度度的的。因因为为无无论论是是温温度度应应力力还还是是电电应应力力，降降额额到到一一定定程程度度后后，这这时时即即使使再再大大幅度的降额，失效率也只有微小下降。幅度的降额，失效率也只有微小下降。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第二十四页，共六十七页 (3)(3)对于有些元器件过度降额反而有害。对于有些元器件过度降额反而有害。如大功率晶体管在小电流下工作，将大大降低放大系数且参数稳定性也下降。如大功率晶体管在小电流下工作，将大大降低放大系数且参数稳定性也下降。例如：例如：有的元件降额容易发生低电平失效，如聚苯乙烯电容有的元件降额容易发生低电平失效，如聚苯乙烯电容CL10CL10、涤纶电容、涤纶电容CLllCLll和漆膜电容和漆膜电容CQ10CQ10、CQ20CQ20等。等。对于电子管的灯丝电压和继电器的线包电流不仅不能降额，反而要控制在额定值上，否则将直接影响寿命和可靠对于电子管的灯丝电压和继电器的线包电流不仅不能降额，反而要控制在额定值上，否则将直接影响寿命和可靠的接触。的接触。(4)(4)电应力的降额比较容易做到，电应力的降额比较容易做到，对温度应力的控制主要靠改进热设计。对温度应力的控制主要靠改进热设计。(5)(5)采用降额技术来提高可靠性采用降额技术来提高可靠性，还要讲效益，即降额程度的取值需综合考虑可靠性指标要求及重量、体积、成本的，还要讲效益，即降额程度的取值需综合考虑可靠性指标要求及重量、体积、成本的限制。如果单靠降额来提高可靠性其综合效益不高时，就应采取改进设计，提高元器件强度等手段来提高可靠性。限制。如果单靠降额来提高可靠性其综合效益不高时，就应采取改进设计，提高元器件强度等手段来提高可靠性。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续)本讲稿第二十五页，共六十七页 仪仪器器仪仪表表同同其其他他电电子子设设备备一一样样，其其性性能能指指标标最最终终取取决决于于它它的的元元器器件件性性能能参参数数，而而元元器器件件的的性性能能参参数数由由于于制制造造公公差差、环环境境条条件件和和退退化化效效应应存存在在着着漂漂移移特特性性。这这使使得得初初期期工工作作性性能能好好的的仪仪器器仪仪表表随随环环境境变变化化、时时间间积积累累渐渐变变为为失失效效状状态态，这这种种失失效效称称作作漂漂移移失失效效。设设计计者者的的任任务务就就是是在在元元器器件件参参数数波波动动时时，仍仍能能保保证证仪仪器器仪仪表表正正常常工工作作。这这一一设设计计技技术术称称作作漂移设计或允差分析技术。漂移设计或允差分析技术。一、元器件的漂移特性及其对系统性能的影响一、元器件的漂移特性及其对系统性能的影响 仪器仪表性能的漂移失效一般有以下三个原因：仪器仪表性能的漂移失效一般有以下三个原因：一是组成系统的元器件参数通常是以一是组成系统的元器件参数通常是以标称值标称值表示的。表示的。其其与与实实际际数数值值之之间间存存在在着着公公差差，例例如如标标称称1000精精度度为为10%的的电电阻阻，其其实实际际阻阻值值在在9001100之之间间，机机械械零零件件的的加加工工精精度度也也有有公公差差。忽忽略略公公差差，系系统统性性能能参参数数可可能能超超出出允允许许范范围围，发发生生参参数数偏偏移移，机机械械传传动动可可能能卡卡死死或或过过于于松松动动。由由制制造公差造成的参数偏移一般呈正态分布。造公差造成的参数偏移一般呈正态分布。第三节第三节 漂移设计漂移设计本讲稿第二十六页，共六十七页 二二是是环环境境条条件件。例例如如温温度度的的变变化化会会使使机机械械零零件件膨膨胀胀或或收收缩缩，弹弹性性模模量量不不稳稳定定，使使电电子子元元器器件件参参数数发发生生温温漂漂。表表61示示出出了了国国产取产取TX碳膜电阻的温度系数。表碳膜电阻的温度系数。表62示出了涤纶、铝电解电容和铌电容在各种环境下的变化量。示出了涤纶、铝电解电容和铌电容在各种环境下的变化量。第三节第三节 漂移设计（续）漂移设计（续）本讲稿第二十七页，共六十七页 环境条件产生的参数偏移在许多情况下是可逆的，即随着条件而改变。呈现系环境条件产生的参数偏移在许多情况下是可逆的，即随着条件而改变。呈现系统性能不稳定。统性能不稳定。三是退化效应。三是退化效应。如腐蚀和氧化，漏电和绝缘击穿，表面上金属离子的迁移，如腐蚀和氧化，漏电和绝缘击穿，表面上金属离子的迁移，磨损和疲劳以及塑料的收缩和开裂，使磨损和疲劳以及塑料的收缩和开裂，使元器件参数随时间而缓慢变化元器件参数随时间而缓慢变化。退化效应引起的参数偏移是不可逆的退化效应引起的参数偏移是不可逆的。图。图5说明元器件受温度、湿度、说明元器件受温度、湿度、负荷等影响，其均值和标准偏差随时间发生缓慢变化。负荷等影响，其均值和标准偏差随时间发生缓慢变化。一个元器件特性值的漂移对系统性能的影响可用图一个元器件特性值的漂移对系统性能的影响可用图6表示。漂移通过相应的表示。漂移通过相应的传递函数，转化成系统性