電子產(chǎn)品可靠性設計d課件

電子產(chǎn)品可靠性設計Oct/9/2009~11/15/202210/10/20211ElectronicProduct’sReliabilityDesign電子產(chǎn)品的可靠性電子產(chǎn)品可靠性設計電子產(chǎn)品設計方案的可靠性選擇電子元器件的選擇與使用(GJB546-88，電子元器件可靠性保證大綱

)降額設計(GJB/Z35-93，元器件降額準則

)熱分析熱設計(GJBZ27-92，電子設備可靠性熱設計手冊

)簡化設計余度設計參數(shù)優(yōu)化設計元器件的篩選(GJB1032-90，電子產(chǎn)品環(huán)境應力篩選方法

)失效分析簡介Oct/9/2009~11/15/202210/10/20212ElectronicProduct’sReliabilityDesign可靠性問題的提出二戰(zhàn)中美國武器故障引出可靠性問題的研究1957年電子設備可靠性咨詢組(AGREE)發(fā)表《軍用電子設備可靠性》研究報告，標志著可靠性已經(jīng)成為一門獨立的學科。我國對可靠性問題的重視電子產(chǎn)品的可靠性Oct/9/2009~11/15/202210/10/20213ElectronicProduct’sReliabilityDesign2)平均無故障時間（MTBF,MeanTimeBetweenFailures）

MTBF=1/λ例1：某電子系統(tǒng)含有1塊PCB,小規(guī)模集成電路2個，中規(guī)模IC4個,大規(guī)模IC16個，1個超大規(guī)模IC,電阻10個，電容24個，1個50腳連接器，求其MTBF為多少。λ=1000+2×90＋4×160＋16×250＋500＋10×10＋24×15=7280FIT=7280個故障/109小時MTBF=1/λ=15.6年電子產(chǎn)品的可靠性Oct/9/2009~11/15/202210/10/20215ElectronicProduct’sReliabilityDesign1）元器件的生命周期故障率t夭折期衰退期正常工作壽命圖1電子元件故障曲線---浴缸曲線溫度每升高10C0,IC的故障率大約翻一倍。怎樣保證電子產(chǎn)品的可靠性Oct/9/2009~11/15/202210/10/20216ElectronicProduct’sReliabilityDesign2）可靠性保證始于設計可靠性觀念（零故障還是可維修）方案選擇、元件選擇和設計優(yōu)化系統(tǒng)結構選擇（熱設計、EMC和支撐保護等方面）3）可靠性與經(jīng)濟性的合理折中合理的可靠性（鼠標有效壽命的確定）可靠性與市場價格的合理折中4）出廠前的老化根據(jù)具體產(chǎn)品的特性確定老化的規(guī)范有的產(chǎn)品出廠前老化200小時，可將90%故障暴露出來電子產(chǎn)品的可靠性返回Oct/9/2009~11/15/202210/10/20217ElectronicProduct’sReliabilityDesign電子元器件的選擇與使用電子元器件的選擇與正確使用

電子元器件的質(zhì)量等級元器件的選擇控制目的原則管理元器件的正確使用Oct/9/2009~11/15/202210/10/20219ElectronicProduct’sReliabilityDesign電子元器件的選擇與正確使用電子元器件是電子、電氣系統(tǒng)的基礎產(chǎn)品，是能夠完成預定功能而不能再分割的電路基本單元，其自身的可靠性是十分重要的；設計人員注重元器件的功能與性能，不關心其“質(zhì)量等級”；元器件的采購缺乏“質(zhì)量等級”概念“，渠道不暢、不穩(wěn)；元器件的使用：近一半的元器件失效并非由于元器件本身的固有可靠性不高，而是由于使用者對元器件選擇不當或使用有誤。返回Oct/9/2009~11/15/202210/10/202110ElectronicProduct’sReliabilityDesign質(zhì)量等級：是指元器件裝機使用之前，在制造、試驗及篩選過程中其質(zhì)量的控制等級。它對元器件的失效率有很大的影響。目前，預計國外、國內(nèi)元器件失效率時，用質(zhì)量系數(shù)πQ作為不同質(zhì)量等級對元器件工作失效率影響的調(diào)整系數(shù)。國外電子元器件的質(zhì)量等級電子元器件的質(zhì)量等級Oct/9/2009~11/15/202210/10/202111ElectronicProduct’sReliabilityDesign元器件的選擇與控制目的保證元器件的性能、質(zhì)量等應滿足產(chǎn)品要求；保證暢通的采購渠道、穩(wěn)定的貨源；減少品種；降低采購費用；正確的使用。選擇控制的總原則元器件的技術性能、質(zhì)量等級、使用條件等應滿足產(chǎn)品要求；優(yōu)先選用經(jīng)實踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應渠道可靠的標準元器件；在產(chǎn)品設計時，應最大限度地壓縮元器件的品種、規(guī)格及其生產(chǎn)廠點；要嚴格控制新研元器件的使用。Oct/9/2009~11/15/202210/10/202113ElectronicProduct’sReliabilityDesign元器件的選擇與控制元器件的控制大綱建立元器件控制機構建立控制方案控制策略：全面、重點，即廣度與深度控制元器件的名稱與種類規(guī)定選用的順序元器件優(yōu)選清單(PPL)QPL：QualifiedProductList經(jīng)過質(zhì)量鑒定合格的元器件清單(合格元器件清單)PPL：PreferredPartsList優(yōu)選元器件品清單制定降額準則、熱設計準則及其他使用指南元器件篩選對轉承制方的元器件選用要求及控制對選用非優(yōu)選元器件的控制程序繼續(xù)Oct/9/2009~11/15/202210/10/202114ElectronicProduct’sReliabilityDesignPPL清單優(yōu)選清單格式Oct/9/2009~11/15/202210/10/202115ElectronicProduct’sReliabilityDesign元器件的選擇與控制國產(chǎn)電子元器件的優(yōu)選順序按國家標準（GB）、國家軍用標準（GJB）、“七?！奔夹g條件（QZJ）、電子工業(yè)部標準（SJ）執(zhí)行“七?！碑a(chǎn)品推薦品種保留品種適用品種國外電子元器件的優(yōu)選國外已形成了一系列的軍用標準和規(guī)范《國外元器件質(zhì)量等級、命名標志及選購指南》問題忽視檢測概念模糊，選擇不當：“軍用溫度范圍”當“軍品”要求不明，采購不當渠道混亂，受騙上當返回Oct/9/2009~11/15/202210/10/202117ElectronicProduct’sReliabilityDesign元器件的正確使用使用中存在的問題對元器件的性能掌握不夠。測試不當或測量儀器接地不當而燒毀電路。調(diào)機不當，造成損傷靜電損傷值得注意措施使用中的降額設計熱設計抗輻射設計防靜電設計操作過程中的問題儲存與保管的問題Oct/9/2009~11/15/202210/10/202118ElectronicProduct’sReliabilityDesign元器件的正確使用抗輻射設計航天器中使用的元器件：外空間的各種輻射核爆炸環(huán)境：高能中子和射線防靜電設計制造過程(人的靜電防護)儲存運輸過程操作過程中的問題安裝的機械損傷儲存與保管的問題存儲環(huán)境返回Oct/9/2009~11/15/202210/10/202119ElectronicProduct’sReliabilityDesign降額準則說明Oct/9/2009~11/15/202210/10/202121ElectronicProduct’sReliabilityDesign降額設計原則降額設計原則各類元器件均有一個最佳的降額范圍，在此范圍內(nèi)應力變化對其故障率影響較大。過度的降額也不可取，增加元器件的數(shù)量；降額到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；過度降額反而有害：大功率晶體管在小電流下，大大降低放大系數(shù)而且參數(shù)穩(wěn)定性降低；繼電器的線包電流不僅不能降低，反而應在額定值之上，否則影響可靠的接觸；電應力降額容易，對溫度降額，主要依靠熱設計；降額提高可靠性，但要綜合考慮可靠性、體積、重量和費用等問題；根據(jù)設計、可靠性等的需要進行，一般參照GJB/Z-35《元器件降額準則》。Oct/9/2009~11/15/202210/10/202122ElectronicProduct’sReliabilityDesign降額準則的制定與實施降額準則的制定在工程型號中制定降額準則，指導降額設計；參照GJB/Z-35制定降額準則根據(jù)可靠性需求、以往的經(jīng)驗或相似型號的降額準則確定元器件的種類及其在不同重要性要求下的降額等級；系統(tǒng)/分系統(tǒng)及其要求的降額等級；確定具體的參數(shù)應力；編制降額準則初稿；廣泛征求意見，修改降額準則初稿；確定正式的“降額準則”；Oct/9/2009~11/15/202210/10/202123ElectronicProduct’sReliabilityDesign熱分析、熱設計熱分析、熱設計的概念熱分析：獲得產(chǎn)品的溫度分布熱設計：采取相應的溫度控制措施，控制電子設備的溫度原因與目的電子產(chǎn)品可靠性對溫度是非常敏感提高可靠性熱分析的內(nèi)容與手段溫度計算熱測熱設計的方法電路板布局散熱措施Oct/9/2009~11/15/202210/10/202125ElectronicProduct’sReliabilityDesign熱分析、熱設計—原因和目的原因與目的電子產(chǎn)品可靠性對溫度非常敏感，如圖所示，但溫度高時，器件故障率迅速增大；電路板變形合理溫度布局，控制溫度，提高可靠性0.100.050.150.200.30050100150200電阻可變電阻晶體管(硅50%)微電子器件(雙極數(shù)字電路)微電子器件(CMOS器件)溫度(℃)

故障率(故障數(shù)F/106h)Oct/9/2009~11/15/202210/10/202126ElectronicProduct’sReliabilityDesign熱分析、熱設計—熱分析的內(nèi)容與手段熱分析的內(nèi)容結點溫度：元器件PN結溫度，一般是元件的最高溫度；殼溫度：元器件的殼的外表面的溫度；電路板溫度：連續(xù)的二維溫度分布，各點的溫度是厚度方向的平均值；電路板溫度梯度：沿著長度方向的溫度變化率，也是二維的；

熱分析手段計算：解析法（傳熱方程的解析解）和數(shù)值法（利用計算機求解溫度分布，軟件）；熱測設備測量Oct/9/2009~11/15/202210/10/202127ElectronicProduct’sReliabilityDesign簡化設計簡化設計的概念在保證產(chǎn)品性能要求的前提下，盡可能使產(chǎn)品設計簡單化原因與目的簡化設計可以提高產(chǎn)品的固有可靠性和基本可靠性簡化設計的內(nèi)容與手段①盡可能減少產(chǎn)品組成部分的數(shù)量及其相互間的聯(lián)接。例如采用集成了A/D,PWM,Flash和SRAM等必要功能的MCU芯片；②盡可能實現(xiàn)零、部、組件的標準化、系列化與通用化，控制非標準零、部、組件的比率。盡可能減少標準件的規(guī)格、品種數(shù)。爭取用較少的零、部、組件實現(xiàn)多種功能；③盡可能采用經(jīng)過考驗的可靠性有保證的零、部、組件以至整機；④盡可能采用模塊化設計⑤邏輯電路的簡化簡化設計的例子F/A-18A的發(fā)動機F-404只有14300個元件，而F-4的發(fā)動機J-79有22000個元件，也就是說F-404所有元件數(shù)為J-79的三分之二，但推力兩者幾乎相等，而F-404的可靠性卻比J-79提高了4倍。返回Oct/9/2009~11/15/202210/10/202129ElectronicProduct’sReliabilityDesign余度設計余度設計的概念“余度”就是指系統(tǒng)或設備具有一套以上完成給定功能的單元，只有當規(guī)定的幾套單元都發(fā)生故障時，系統(tǒng)或設備才會喪失功能，這就使系統(tǒng)或設備的任務可靠性得到提高原因與目的當元器件或零部件質(zhì)量與可靠性水平比較低、采用一般設計無法滿足設備的可靠性要求；或系統(tǒng)對于可靠性要求相當高，需要冗余的熱備份功能單元。余度設計的內(nèi)容與手段通常是針對系統(tǒng)中的可靠性關鍵環(huán)節(jié)采用余度技術①確定余度等級(根據(jù)任務可靠性和安全性要求確定余度系統(tǒng)抗故障工作的能力)②選定余度類型(根據(jù)產(chǎn)品類型及約束條件和采用余度的目的來確定)③確定余度配置方案④確定余度管理方案余度設計的例子服務器的雙機熱備份返回Oct/9/2009~11/15/202210/10/202130ElectronicProduct’sReliabilityDesign參數(shù)優(yōu)化化設計電路系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的三次設計

①系統(tǒng)設計選定系統(tǒng)結構組成，以適應特定的功能要求

②參數(shù)設計優(yōu)化系統(tǒng)元件的參數(shù)組合，提高性能穩(wěn)定性

③容差設計元件調(diào)整，以平衡電路系統(tǒng)的功能質(zhì)量成本實例：用Pspice設計惠斯登電橋返回Oct/9/2009~11/15/202210/10/202131ElectronicProduct’sReliabilityDesign元器件的篩選(GJB1032-90)元器件篩選的概念與目的元器件篩選：在產(chǎn)品出廠前，有意將環(huán)境應力施加到產(chǎn)品上，使產(chǎn)品的潛在缺陷加速發(fā)展成早期故障，并加以排除，從而提高產(chǎn)品的可靠性;通過試驗剔除不合格或有早期失效的產(chǎn)品。早期故障期偶然故障期耗損故障期t(t)目的：淘汰有缺陷的器件：材料缺陷、工藝缺陷、設備狀況等因素引入；根據(jù)使用要求，篩去不符合的器件：壽命、使用環(huán)境，如溫度、輻射、振動等Oct/9/2009~11/15/202210/10/202132ElectronicProduct’sReliabilityDesignESS的應用及效益軌道故障減少50%美國衛(wèi)星MTBF從1150h提高到9534h，提高7.3倍ANIUYK20V計算機MTBF從15000h提高到44362h，提高約3倍AG3變換器內(nèi)場故障減少43%A-A17慣導系統(tǒng)外場故障從23.5%降到8%電子燃料噴射系統(tǒng)現(xiàn)場維修次數(shù)減少50%HEWLITT臺式計算機故障率降低40～70%我國某飛機的大氣數(shù)據(jù)計算機元器件的篩選環(huán)境應力篩選(ESS)—應用及效益Oct/9/2009~11/15/202210/10/202133ElectronicProduct’sReliabilityDesign元器件的篩選篩選的原則與難點原則：既要剔除不合格的產(chǎn)品、又不能將好的產(chǎn)品弄壞難點：篩選時的方法、應力大小和時間篩選的種類一次篩選（篩選）、二次篩選（目的：篩選應力不夠、針對性差、檢驗）器件篩選、電路板篩選設備級篩選篩選應力溫度循環(huán)(75%～

85%)隨機振動循環(huán)(15%～

25%)，兩者綜合：90%Oct/9/2009~11/15/202210/10/202134ElectronicProduct’sReliabilityDesign無冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品溫度：最高–55+125oC一般–40+95oC最低–40+75oC溫變率：最高20oC/min 一般15oC/min 最低5oC/min隨機振動：若一個方向10min 不止一個方向每個方向5min 頻率202000Hz 功率譜密度0.04g2/Hz元器件的篩選環(huán)境應力篩選(ESS)—機理及基本方法Oct/9/2009~11/15/202210/10/202135ElectronicProduct’sReliabilityDesign元器件的篩選的方法元器件篩選方法分類非破壞性試驗：對好的器件無損傷破壞性試驗；試驗后器件損壞，不能使用非破壞性試驗項目（GJB597、GJB33）內(nèi)/外部目檢（封帽前）：封裝前后目視檢查有無問題；老練篩選：根據(jù)失效率特征（浴盆曲線），使器件在一定的溫度下工作一段時間；（時間和溫度）溫度循環(huán)：高低循環(huán)環(huán)境下放置一段時間檢漏：密封性檢查，氦質(zhì)譜細檢、氟油初檢。。。。破壞性試驗開帽目檢：打開封裝目視檢查芯片剪切強度試驗：變頻振動試驗：變頻振動循環(huán)環(huán)境下放置一段時間Oct/9/2009~11/15/202210/10/202136ElectronicProduct’sReliabilityDesign注意的事項環(huán)境應力篩選(ESS)—應注意的事項制定產(chǎn)品的ESS大綱，并嚴格執(zhí)行；不必準確模擬產(chǎn)品真實的環(huán)境條件；不應改變產(chǎn)品的失效機理；篩選可以提高批產(chǎn)品的可靠性水平，但不能提高產(chǎn)品的固有可靠性，只有改進設計、工藝等才能提高后者；它不是可靠性鑒定、驗收試驗，但經(jīng)過篩選的產(chǎn)品有利于鑒定和驗收試驗的順利進行；對關鍵產(chǎn)品要做到三個100%（元器件、電路板、整機）的ESS。破壞性試驗；試驗后器件損壞，不能使用Oct/9/2009~11/15/202210/10/202137ElectronicProduct’sReliabilityDesign耐環(huán)境設計(一)1971年，美國對機載電子設備全年的故障統(tǒng)計結果環(huán)境條件對產(chǎn)品可靠性的影響Oct/9/2009~11/15/202210/10/202138ElectronicProduct’sReliabilityDesign耐環(huán)境設計(二)設計方法：確定產(chǎn)品工作環(huán)境確定產(chǎn)品在這種環(huán)境下所用元器件及材料的性能防潮濕設計、防鹽霧和腐蝕設計、防霉菌設計、抗沖擊、振動和噪聲設計、電子設備抗輻射設計、熱設計、等等環(huán)境條件氣候環(huán)境條件機械環(huán)境條件輻射條件生物條件電條件人為條件環(huán)境影響和故障模式單一環(huán)境復合環(huán)境Oct/9/2009~11/15/202210/10/202139ElectronicProduct’sReliabilityDesign失效分析失效定義1特性劇烈或緩慢變化2不能正常工作3不能自愈失效種類1致命性失效：如過電應力損傷2緩慢退化：如MESFET的IDSS下降3間歇失效：如塑封器件隨溫度變化間歇失效Oct/9/2009~11/15/202210/10/202140ElectronicProduct’sReliabilityDesign失效物理模型應力－強度模型失效原因：應力>強度強度隨時間緩慢減小如:過電應力（EOS）、靜電放電（ESD）、閂鎖（latchup)應力－時間模型（反應論模型）失效原因：應力的時間累積效應，特性變化超差。如金屬電遷移、腐蝕、熱疲勞Oct/9/2009~11/15/202210/10/202141ElectronicProduct’sReliabilityDesign溫度應力－時間模型M溫度敏感參數(shù),E激活能,k玻耳茲曼常量,T絕對溫度,t時間,A常數(shù)T大,反應速率dM/dt大，壽命短E大，反應速率dM/dt小，壽命長Oct/9/2009~11/15/202210/10/202142ElectronicProduct’sReliabilityDesign溫度應力的時間累積效應失效原因：溫度應力的時間累積效應，特性變化超差Oct/9/2009~11/15/202210/10/202143ElectronicProduct’sReliabilityDesign與力學公式類比Oct/9/2009~11/15/202210/10/202144ElectronicProduct’sReliabilityDesign失效物理模型小結應力－強度模型：不考慮激活能和時間效應，適用于偶然失效，失效過程短，特性變化快，屬劇烈變化，失效現(xiàn)象明顯。.應力－時間模型（反應論模型）：需考慮激活能和時間效應，適用于緩慢退化，失效現(xiàn)象不明顯。Oct/9/2009~11/15/202210/10/202145ElectronicProduct’sReliabilityDesign失效模式的概念和種類失效的表現(xiàn)形式叫失效模式按電測結果分類：開路、短路或漏電、參數(shù)漂移、功能失效Oct/9/2009~11/15/202210/10/202146ElectronicProduct’sReliabilityDesign失效機理的概念失效