电子系统可靠性设计.

电子系统可靠性设计程真英2011.9电子系统可靠性设计元器件的选用与控制(GJB546-88，电子元器件可靠性保证大纲)电子系统可靠性设计原则降额设计(GJB/Z35-93，元器件降额准则)冗余设计最坏情况设计电路漂移设计元器件误差统计分析电磁兼容性设计热设计(GJBZ27-92，电子设备可靠性热设计手册）电子元器件的选择与使用为什么要控制选择与正确使用电子元器件电子元器件的失效规律我国电子元器件的标准概况元器件的选择控制元器件的正确使用返回为什么要控制电子元器件的选择与正确使用电子元器件是电子、电气系统的基础产品，是能够完成预定功能而不能再分割的电路基本单元，其自身的可靠性是十分重要的；设计人员注重元器件的功能与性能，不关心其“质量等级”、“失效率等级”；元器件的采购缺乏产品可靠性概念，渠道不畅、不稳；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，而是由于使用者对元器件选择不当或使用有误。航天部半导体器件失效分析中心的统计数字：使用失效的比例年份19891990199119921993比例（%）6140564546电子元器件的失效规律电子元器件的失效原因制造质量问题可靠性问题耗损问题设计问题电子元器件的失效规律电子元器件的典型失效率曲线返回电子元器件的质量等级质量等级：是指元器件装机使用之前，在制造、试验及筛选过程中其质量的控制等级。它对元器件的失效率有很大的影响。目前，预计国外、国内元器件失效率时，用质量系数πQ作为不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。国外元器件的质量等级元器件类别质量等级集成电路S,S-1,B,B-1,B-2,D,D-1半导体分立器件JANTXV,JANTX,JAN有可靠性指标的电容器D,C,S,R,B,P,M,L有可靠性指标的电阻器S,R,P,M有可靠性指标的射频模制线圈S,R,P,M有可靠性指标的继电器R,P,M,L国外电子元器件的质量等级半导体集成电路质量系数等级质量等级质量要求说明质量要求补充说明πQA1执行GJB597-88《微电路总规范》且经军用电子元器件质量认证合格的S级产品A2执行GJB597-88，且经军用电子元器件质量认证合格的B级产品0.1AA3执行GJB4589.1-84《半导体集成电路总规范》，且经中国电子元器件质量认证委员会认证合格的Ⅱ类产品；执行SJ331-83《半导体集成电路总技术条件》的Ⅰ类产品按QZJ840614～840615“七专”技术条件组织生产的Ⅰ，ⅠA类产品0.25B1按GBJ597-88的筛选要求进行筛选的B2质量等级的产品，执行SJ331-83的Ⅱ类产品按“七九○五”七专质量控制技术协议组织生产的产品0.5BB2执行SJ331-83的Ⅲ类产品1.0C1执行SJ331-83的Ⅳ类产品4.0CC2低档产品或用有机材料（如环氧树脂等）封装的产品14.0返回国内元器件的质量等级电子元器件的质量等级元器件的选择与控制目的保证元器件的性能、质量等应满足产品要求；保证畅通的采购渠道、稳定的货源；减少品种；降低采购费用；正确的使用。选择控制的总原则元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足产品要求；优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件；在产品设计时，应最大限度地压缩元器件的品种、规格及其生产厂点；要严格控制新研元器件的使用。元器件的选择与控制国产电子元器件的优选顺序按国家标准（GB）、国家军用标准（GJB）、“七专”技术条件（QZJ）、电子工业部标准（SJ）执行“七专”产品推荐品种保留品种适用品种国外电子元器件的优选国外已形成了一系列的军用标准和规范《国外元器件质量等级、命名标志及选购指南》问题忽视检测概念模糊，选择不当：“军用温度范围”当“军品”要求不明，采购不当，渠道混乱，受骗上当返回元器件的正确使用使用中存在的问题对元器件的性能掌握不够。测试不当或测量仪器接地不当而烧毁电路。调机不当，造成损伤静电损伤值得注意措施降额使用热设计抗辐射设计防静电设计操作过程中的问题储存与保管的问题元器件的正确使用抗辐射设计航天器中使用的元器件：外空间的各种辐射核爆炸环境：高能中子和射线防静电设计制造过程(人的静电防护)储存运输过程操作过程中的问题安装的机械损伤储存与保管的问题存储环境返回电子系统可靠性设计基本原则􀀁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、模块化、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。降额设计降额：使元器件在低于其额定值的应力条件下工作。降额设计降额设计概念与目的降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当降低于元器件或设备的额定值；降低基本故障率、提高使用可靠性的目的；降额主要因素：电应力和温度降额设计的关键：降额的程度与效果；降额等级Ι级降额：最大适用于故障危及安全、导致任务失败和造成重大经济损失的情况；Π级降额：适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用；Ш级降额：适用于故障对任务完成影响很小和少量的维修。降额准则说明降额等级降额参数Ι级Π级Ш级电源电压容限±3%±5%频率0.800.900.95输出电压0.800.900.95最高结温851001151006050700-5570108118126环境温度TA额定功率(%)1级2级3级降额设计原则降额设计原则各类元器件均有一个最佳的降额范围，在此范围内应力变化对其故障率影响较大。过度的降额也不可取，增加元器件的数量；降额到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；过度降额反而有害：大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数而且参数稳定性降低；继电器的线包电流不仅不能降低，反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触；电应力降额容易，对温度降额，主要依靠热设计；降额提高可靠性，但要综合考虑可靠性、体积、重量和费用等问题；根据设计、可靠性等的需要进行，一般参照GJB/Z-35《元器件降额准则》。返回冗余设计冗余设计：用一台或多台相同单元（系统）并行工作，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。如：并联系统储备系统等返回简化电路设计例6-1设有一数字逻辑电路，将其尽可能简化成相同功能的数字逻辑电路。原数字逻辑电路简化电路设计简化的数字逻辑电路最坏情况设计例6-2某反相器电路见图6-7，该图中电阻有±10%的极限误差，三极管的参数hfe变化为20~70，EC=5V，Vbes=0.8V，Vces=0.3V均不变。试问如何选择驱动信号VS才能使电路可靠工作？最坏情况设计解：由于故有上式中N为保证可靠地驱动该电路的系数，一般情况取N＝2，另外实际电路的驱动电流为了可靠地驱动该电路，必须在任何情况下都要求I＞Ib。最坏情况设计的目的是要求在最坏情况下，仍能够保证有足够的驱动电流，即：最坏情况设计返回电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计返回元器件误差统计分析2211221),,,(nnynyxfxfmmmfm元器件误差统计分析22112821rnnrRsrfrfrrrR元器件误差统计分析返回83.142361.473/803/1082222212RSrnrRsRKR用百分比表示的极限误差为：%8.13SRR电磁兼容性设计什么是电磁兼容性问题？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；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。印制电路板设计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屏蔽机箱电源线滤波信号线滤波接地电缆设计等电磁兼容性设计返回热设计原因与目的电子产品可靠性对温度是非常敏感，但温度升高时，器件故障率迅速增大；如电路板变形合理温度布局，控制温度，提高可靠性0.100.050.150.200.30050100150200电阻可变电阻晶体管(硅50%)微电子器件(双级数字电路)微电子器件(CMOS器件)温度(℃)故障率(故障数F/106h)对电子设备进行热设计的要求通过热设计在满足性能要求下尽可能减少仪器内部产生的热量；通过热设计设法减少热阻；通过热设计能保证设备和元器件能在较低的温度条件下工作，以便做到减少参数漂移保持电性能的稳定，从而提高可靠性。热设计对电子设备进行热设计的基本方法提高元件、材料的允许工作温度减少设备的发热量用冷却的方法改变环境温度并加快散热速度热设计散热传导散热方法对流散热方式利用热辐射特性方式加装散热器制冷自然冷却强迫空气冷却冷板式冷却热设计热设计热设计参数优化设计—三次设计第一次设计—系统设计第二次设计—参数（优化）设计采用优化设计方法，得到优良的参数组合，使产品具有较好的性能。第三次设计—容许差设计根据可靠性、精度、成本等方面的要求，确定各参数的允许变化范围。质量损失函数概念反映产品质量、性能指标等变化与经济性之间的关系由日本学者田口玄一研究质量经济性时提出的质量损失函数L(y)：若产品设计、出厂时未达到预定的指标值m，就会使使用成本Q增加，实际指标y带来的使用成本Q（y）与达到预定指标m带来的使用成本Q（m）之差L(y)=Q（y）-Q（m）=2)(myK质量损失函数功能界限Δ指产品性能指标偏离其中心值直到使产品功能完全丧失的范围容许差δ产品出厂公差的1/2，是产品合格与否的判据:m-δym+δDAmyDyL22)()(D-当产品的性能指标为功能界限时的质量损失D=L(m±Δ)A-使产品的性能指标达到标称中心值m时的质量损失质量损失函数举例电视机的电源电路直流输出电压的标称中心值为m=115V，功能界限Δ=25V，当电源的输出电压恰好在功能界限时，设此时的损失D=300元。设某工厂生产的该电视机输出电压为111V，试问该电视机是否可以使用，判断下列情况下该电视机能否作为合格品出厂：①该厂对这台电视机进行返修，使之达到标称中心值所需要的成本费A=3元；②该厂进行上述返修需要成本费A=8元