电子产品可靠性设计d

Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign1电子产品可靠性设计刘东升Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign2电子产品的可靠性电子产品可靠性设计电子产品设计方案的可靠性选择电子元器件的选择与使用(GJB546-88，电子元器件可靠性保证大纲)降额设计(GJB/Z35-93，元器件降额准则)热分析热设计(GJBZ27-92，电子设备可靠性热设计手册)简化设计余度设计参数优化设计元器件的筛选(GJB1032-90，电子产品环境应力筛选方法)失效分析简介Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign3可靠性问题的提出•二战中美国武器故障引出可靠性问题的研究•1957年电子设备可靠性咨询组(AGREE)发表《军用电子设备可靠性》研究报告，标志着可靠性已经成为一门独立的学科。•我国对可靠性问题的重视电子产品的可靠性Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign4可靠性的定义1）单个元件的单位时间故障率λλ=8个故障102芯片×105小时=8×10-7故障/小时/芯片电子产品的可靠性系统及其组成部分在无故障、无退化或对保障系统无要求的情况下执行其功能的能力。-----美国国防部1991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。--------GJB451AOct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign52)平均无故障时间（MTBF,MeanTimeBetweenFailures）MTBF=1/λ例1：某电子系统含有1块PCB,小规模集成电路2个，中规模IC4个,大规模IC16个，1个超大规模IC,电阻10个，电容24个，1个50脚连接器，求其MTBF为多少。λ=1000+2×90＋4×160＋16×250＋500＋10×10＋24×15=7280FIT=7280个故障/109小时MTBF=1/λ=15.6年电子产品的可靠性Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign61）元器件的生命周期故障率t夭折期衰退期正常工作寿命图1电子元件故障曲线---浴缸曲线温度每升高10C0,IC的故障率大约翻一倍。怎样保证电子产品的可靠性Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign72）可靠性保证始于设计•可靠性观念（零故障还是可维修）•方案选择、元件选择和设计优化•系统结构选择（热设计、EMC和支撑保护等方面）3）可靠性与经济性的合理折中•合理的可靠性（鼠标有效寿命的确定）•可靠性与市场价格的合理折中4）出厂前的老化根据具体产品的特性确定老化的规范•有的产品出厂前老化200小时，可将90%故障暴露出来电子产品的可靠性返回Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign81）尽可能采用优选电路•优选电路的来源（标准的电路模块、成熟的新技术，验证过的借鉴产品）•优选电路的应用（接口、仿真、验证）2）对于设计方案进行创新性优选优化以提高可靠性•6sigma(DMAIC)---DMADV(+TRIZ)-C3）可靠性预计(GJB/Z299C-2006)和可靠性分配•可靠性预计（由单元求系统可靠度）数学模型法、上下限法、蒙特卡洛法•可靠性分配（由系统求单元可靠度）等分配、预计值、阿林斯、代数分配电子产品设计方案的可靠性选择返回4）设计方案的各种分析•必要的保护电路和潜在电路、最坏情况、电路漂移、瞬态、过渡过程分析•FMECA实例：电容式传感器系统Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign9电子元器件的选择与使用电子元器件的选择与正确使用电子元器件的质量等级元器件的选择控制–目的–原则–管理元器件的正确使用Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign10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”；元器件的采购缺乏“质量等级”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。返回Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign11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电子元器件的质量等级Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign12电子元器件的质量等级半导体集成电路质量系数等级国内元器件的质量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Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign13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。Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign14元器件的选择与控制元器件的控制大纲–建立元器件控制机构–建立控制方案•控制策略：全面、重点，即广度与深度•控制元器件的名称与种类•规定选用的顺序–元器件优选清单(PPL)•QPL：QualifiedProductList经过质量鉴定合格的元器件清单(合格元器件清单)•PPL：PreferredPartsList优选元器件品清单–制定降额准则、热设计准则及其他使用指南–元器件筛选–对转承制方的元器件选用要求及控制–对选用非优选元器件的控制程序继续Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign15PPL清单XX型飞机电子元器件优选目录（1994）序号元器件名称型号主要技术参数结构外形适用标准生产厂家适用类别精密金属模电阻器RJ25-1/2阻值范围：温度范围：Φ3.9×10.5RUO.467.028JT718厂优选分频器54LS673MIL-STD-883MOTOROLA优选优选清单格式Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign16军用电子元器件合格产品目录（1995）序号产品名称产品型号质量认证合格证书编号详细规范编号及确认号主要性能与认证范围鉴定合格水平制造厂名称生产线名称及合格证书编号鉴定实验室名称对应企业型号有可靠性指标的金属膜固定电阻器RJK53COC-P-006-94GJB244/2-87额定功耗：阻值范围：允许偏差：温度系数：L北京第二无线电器件厂有可靠性指标的金属膜固定电阻器生产线COC-L-001-94中国电子产品可靠性与环境试验研究所质检中心返回QPL清单Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign17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Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign18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–使用中的降额设计–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Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign19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Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign20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（例子：陶瓷电源）；–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。降额设计原则降额准则的制定与实施Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign21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Oct/9/2009~2020/9/17ElectronicProduct’sReliabilityDesign22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