浅谈电子产品的可靠性设计

    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。