元器件的可靠性技術(shù)

1、元器件的可靠性技術(shù)     一、概論 可靠性問題是軍用電子設備得特殊問題，是在第二次世界大戰(zhàn)提出 并開始致力解決的問題。隨著軍事大系統(tǒng)的復雜化和智能化，促使可靠性技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展，逐步形成一套系統(tǒng)的、規(guī)范的方法。 可靠性技術(shù)基于兩個重要的理論基礎：失效物理和概率統(tǒng)計，同時，它產(chǎn)生了兩個重要的應用領(lǐng)域，即系統(tǒng)可靠性和元器件可靠性。在元器件可靠性領(lǐng)域又進一步可分為元器件固有可靠性和使用可靠性。前者主要研究元器件的設計和制造過程中的可靠性，后者側(cè)重研究在電子系統(tǒng)研制過程中如何選好、買好、用好和管好元器件，防止、控制引入過應力而損壞可靠元器件和接收、

2、使用可靠性不能滿足要求得元器件。 1.元器件的失效 失效是元器件不能完成規(guī)定任務的一種狀況，即在元器件執(zhí)行任務 過程中功能終止或性能參數(shù)超出容許的權(quán)限。正是因為存在元器件失效，人們提出和發(fā)展了可靠性技術(shù)?？煽啃约夹g(shù)就是研究失效發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律及糾正、控制和預防的一整套辦法。 元器件失效判據(jù)是針對某個元器件在特定應用條件下的一種具體規(guī)定，其范圍一般寬于該元器件的合格判據(jù)。如 某電阻器的判據(jù)是阻值100±20%才算失效。而在某種應用時，阻值變化超出100±20%才算失效。這就是元器件可靠性與元器件質(zhì)量兩個概念的不同之處。 元器件可靠性是在元器件設計、制造過程中形成的固有特性，在

3、一定的使用應力作用下，工作到某個時刻發(fā)生失效，可靠性是t=T時的質(zhì)量。 2.失效模式 失效模式是失效的一種表現(xiàn)形式，如開路、短路、時好時壞、參數(shù)超出極限等等。不同元器件失效模式不盡相同。一種元器件往往有多種失效模式，每種失效模式出現(xiàn)的概率是不同的。 了解各種元器件失效及其分布對正確使用元器件很重要：以開路為主要失效模式的元器件，不宜串聯(lián)使用；以短路為主要失效模式的元器件，不宜并聯(lián)使用；以參數(shù)漂移為主要失效模式的元器件應采取必要的補償或控制措施。 3.失效原因 元器件失效總是有原因的，具體原因可能多種多樣，但從應力與強度關(guān)系看可分為兩大類：第一類是元器件存在本質(zhì)缺陷，強度太低，在正確工作應力下失

4、效，叫固有失效或責任失效；第二類是使用中引入過應力導致的元器件失效，叫使用失效或從屬失效。 元器件固有失效按其性質(zhì)和原因又可分為系統(tǒng)性和偶然性的。系統(tǒng)性的失效是在設計或制造或試驗過程中控制不良引入某種固有缺陷所致。而偶然失效則是隨機的，沒有一個主導失效原因在起作用，是設計、制造水平?jīng)Q定的。 使用中過應力失效往往是由于選擇不當，或應用不合理或操作失誤所致。元器件在工作過程中遇到的電、熱、機械、輻照、粒子等單項或綜合應力超出了元器件所能承受的程度，就失效。 4.失效后果 元器件失效后果的嚴重程度取決于元器件在系統(tǒng)中的地位和作用。按照失效對系統(tǒng)的最終影響可分為災難性的、關(guān)鍵的、嚴重的和一般的。 災難

5、性的是指造成系統(tǒng)任務失效和人員傷亡； 關(guān)鍵的是指造成系統(tǒng)任務失效； 嚴重的是指造成系統(tǒng)任務降低或暫時中斷； 輕微的是指造成現(xiàn)場使用中要對系統(tǒng)進行調(diào)整或維修。 5.失效的規(guī)律 元器件失效引起的嚴重后果，迫使人們?nèi)パ芯渴Оl(fā)生的規(guī)律。通過大量觀測和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，把保險界用于壽命預測的“浴盤曲線”作為元器件失效分布規(guī)律，研究分析元器件的失效時期。 元器件失效率的高低是與它工作經(jīng)歷的時間相關(guān)，大體可分為三個時期，對應三類失效。 O早期失效期-某一特定產(chǎn)品母體壽命的初期階段，此階段發(fā)生的失效是由于設計制造過程控制不良等原因引起的。早期失效可用篩選的方法剔除。 O偶然失效期-也叫使用壽命期，某特定產(chǎn)品母

6、體壽命的第二階段，在此階段僅發(fā)生隨機失效。失效率近似為常數(shù)，其高低取決于設計水平。 O耗損失效期-某特定產(chǎn)品母體壽命的第三階段，在此階段發(fā)生耗損引起的失效。對付這個階段的失效，只有進行更換，如液體鉭電容漏液。 二、可靠性的度量 1.可靠性 可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下，規(guī)定時間內(nèi)為完成規(guī)定任務而不失效的概率?？煽啃允黔h(huán)境應力、工作應力、使用時間和要完成任務的復合函數(shù)，是用失效發(fā)生是隨機的，失效的概率Q是0-1之間的一個數(shù)值，可靠性是不失效的概率，等于1減失效概率，即R=1-Q。 2.失效率 定義：已工作到t時刻的產(chǎn)品（元器件），在t時刻后單位時間內(nèi)失效的概率，也稱失效率函數(shù)，簡稱失效率。 元器件

7、的失效率是一個條件概率，即工作到t時刻未發(fā)生失效的條件，在t時刻元器件在單位時間內(nèi)失效的百分比。 用數(shù)值表示的元器件質(zhì)量水平： =3×10-51/時 亞五級 =1×10-51/時 五級 W =1×10-61/時 六級 L =1×10-71/時 七級 Q =1×10-81/時 八級 B =1×10-91/時 九級 J =1×10-101/時 十級 S 一般情況下，電子系統(tǒng)的可靠性用平均壽命MTTF或 （MTBF）來度量，而元器件的可靠性一般用來表示。 元器件的基本失效率b水平即固有可靠性高低取決于元器件設計、制造水平，如結(jié)構(gòu)形

8、式、材料和工藝水平等。工作失效率P則于b、使用應用的高低和環(huán)境的惡劣程度等因素有關(guān)。 3.失效率模型 失效率模型是通過對大量失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得的，如單片集成電路工作失效率模型為： P =QC1TV+（C2+C3）E L 式中：Q質(zhì)量倍數(shù) E環(huán)境系數(shù) L成熟系數(shù) T溫度應力系數(shù) V電壓應力系數(shù) C1及C2電路復雜度系數(shù) C3封裝復雜度系數(shù) 元器件可靠性的分析、計算、控制都是在其失效率模型上進行的，對元器件失效模型有一個了解，對正確選擇與合理使用元器件是最起碼的要求。 4、元器件可靠性對系統(tǒng)可靠性的影響 任何一個復雜系統(tǒng)分解到最低層都是由元器件、零件、材料、工藝、計算機軟件和人組成的，系統(tǒng)的可靠

9、性是各部分可靠性的連乘積： RS=R元件R零件R軟件R操作 系統(tǒng)可靠性水平低于組成系統(tǒng)任何一個部分的可靠性水平。系統(tǒng)越復雜且可靠性要求越高，對組成系統(tǒng)的各個部分的可靠性要求就更高。要全面分析，抓住關(guān)鍵少數(shù)。 假設除電子元器件外其余各部分可靠性為1，元器件失效是相互獨立的，如果要保證系統(tǒng)可靠性為0.98，則組成系統(tǒng)的元器件數(shù)量越多，對單個元器件的可靠性要求就越高。所以，系統(tǒng)越復雜，即使用的元器件品種、數(shù)量越大，使用環(huán)境越惡劣，可靠性問題越突出，對元器件可靠性要求就越高，也就是失效率越低。 上述數(shù)據(jù)說明電子元器件質(zhì)量狀況令人擔憂，國產(chǎn)元器件質(zhì)量問題嚴重，進口元器件也有不少問題，使用不當問題日益突出

10、。 三、元器件可靠性增長工程 通過實踐和系統(tǒng)總結(jié)元器件可靠性工作經(jīng)驗與教訓，加深對元器件問題和重要性的認識。 首先，電子元器件在新產(chǎn)品中使用量越來越多，擔負的任務越來越重要。元器件雖小，作用和影響卻巨大，必須引起重視，把元器件作為型號的一個重要組成部分去抓，而且要堅持不斷地抓。 其次，新產(chǎn)品研制、裝備周期太長，而電子元器件更新?lián)Q代在型號方案論證時選擇的元器件到型號定型時就已經(jīng)該淘汰了。這給設計選用提出了新課題，既要繼承成熟技術(shù)，選用標準元器件，又要不斷采用新技術(shù)，淘汰陳舊過時的元器件，在新方案論證時就要考慮定型后改進和替代品問題。 第三、諸如選用品種多、用量少與供應商要上規(guī)模、增效益之間的矛盾

11、日益突出，設計余量小與元器件參數(shù)散布大之間的矛盾，以及元器件可靠性上水平與我國工業(yè)基礎薄弱，材料、工藝水平不高的現(xiàn)狀之間的矛盾等等都是亟待解決而又一時難以解決的問題。 解決元器件問題要各方面協(xié)同作戰(zhàn)，把軍用元器件研制費、技術(shù)改造費、用戶采購費和生產(chǎn)單位 產(chǎn)品開發(fā)、改進費捆梆起來使用，從提高元器件固有可靠性和使用可靠性兩個方面努力，以重點工程需求為牽引，實施元器件可靠性增長工程。從系統(tǒng)甲套的角度出發(fā)，應建立一個高可靠性元器件的“公用平臺”。這個“公用平臺”搞好了，可以覆蓋各型號用的品種的70-80。從提高國產(chǎn)元器件可靠性人手帶動元器件國產(chǎn)化和新品研制問題。 1.元器件可靠性增長工程的目標 以需求

12、牽引，通過工程實施爭取在3-5年內(nèi)達到 1)基本消除元器件臟、斷、掉、傷、漏等常見的失效模式； 2)主要元器件失效降低盡效率入降低一個數(shù)量級，關(guān)鍵參數(shù)標準偏差減半； 3)重點工程元器件裝機后批次更換為“零”； 4)制訂和形成一套高可靠元器件采購規(guī)范和質(zhì)量保證規(guī)范。 2.工程主要內(nèi)容 1)優(yōu)選壓縮品種、廠點，重點抓好品種技術(shù)攻關(guān)，點重點工序改造。 2)組織技術(shù)攻關(guān)，重點解決鍵合強度、剪切力散布大、水氣含量高、內(nèi)部劃傷、腐蝕、多余物等問題曠 3)實施技術(shù)改造，結(jié)合技術(shù)攻關(guān)進行關(guān)鍵設備技術(shù)改造，提高工藝裝備水平。 4)制訂可靠性增長要求和驗收方案，成采購規(guī)范體系。 5)完善檢測、試驗、分析手段。 6)建立信息系統(tǒng)，收集、分析、評價工程進展和效果。 3.改進管理 實行聯(lián)合領(lǐng)導、多方籌措、統(tǒng)一策劃、集中管理，充分利用已有成果，充分發(fā)揮已有專業(yè)機構(gòu)的作用。做到有限目標，重點，數(shù)據(jù)說話，科學決策。 四、改進使用可靠性 1.加強設計師的責