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标题: #技术风云榜#现代电子产品可靠性研究 [打印本页]

作者: angern 时间: 2020-11-12 10:45
标题: #技术风云榜#现代电子产品可靠性研究
一、现代电子产品的特点
电子产品是指利用电子技术制造出来的以电能为工作基础的相关产品，包括电力/电气设备和微电子仪器、设备和系统等。电子产品广泛应用于国防、国民经济各部门及人民生活的各个领域。
早期的电子产品主要以电子管为基础元件进行制造，功能比较简单，电路和结构也不复杂，制造难度不大。伴随着生产和科学技术的发展、新工艺和新材料的应用，以及超小型化元器件和中大规模、超大规模集成电路的研制和推广，电子产品在电路上和结构上发生了巨大的变化，小型化、超小型化、微型化结构的出现，使得一些传统的设计方法逐渐被机电结合、光电结合等新技术所取代。
随着产品性能的不断增强、复杂程度的不断提高和应用领域的不断拓展，电子产品的可靠性要求日益提高，特别是在军用、通信、生命医疗和航空/航天等领域，电子产品的可靠性已成为衡量电子产品使用性能的重要指标。
与早期的电子产品相比，现代电子产品具有以下特点。
（1）产品组成更复杂，组装密度更大
早期的电子产品通常由少量电子管及分立元件通过简单连接搭建而成，功能单一。现代电子产品通常具有多种功能，产品组成更复杂，元器件、零部件数量更多，同时产品的体积和质量更小，因此组装密度更大。尤其是超大规模集成电路及其衍生的各种功能模块的出现，使电子产品的组装密度较过去大幅提高。
（2）设备使用范围广，所处工作环境复杂
随着应用场合的不断拓展，电子产品需要适应的工作环境的范围不断扩大。现代电子产品往往要在恶劣而苛刻的环境下工作，如地质钻探、海上作业、南极科考、深空探测等。此时产品需要承受高温、低温和巨大温差变化，高湿度和低气压，强烈的冲击和振动，外界的电磁干扰与宇宙射线辐射等。这些都会对电子产品的正常工作产生影响。
（3）设备可靠性要求高、寿命长
早期电子产品由于结构简单、功能单一、所用元器件数量少，往往不容易出现使用问题，而且即使偶尔出现故障，维修起来也相对容易。而现代电子产品复杂程度、精密性更高，元器件数量更多，如果出现故障，维修的难度和代价将大幅提升，因此要求具有更高的可靠性和足够长的工作寿命，而可靠性低的电子产品将失去使用价值。为获得高可靠性电子产品，不仅要求所使用的元器件质量等级更高，在电路设计和结构设计中也要做出更大的努力。
（4）产品要求高精度、多功能和自动化
现代电子产品往往要求高精度、多功能和自动化，有的还引入了智能控制单元，因而其控制系统更为复杂。精密机械广泛地应用于电子产品是现代电子设备的另一大特点。自控技术、遥控遥测技术、计算机数据处理技术和精密机械的紧密结合，智能化的人机交互，使电子产品的精度和自动化程度达到了相当高的水平。
上述电子产品的特点，只是对整体而言，具体到某种产品又各具特点。当代电子产品具有上述特点，对电路设计和结构设计的要求更高，设计、生产人员只有充分了解这些特点，才能研制出满足使用要求的现代电子产品。
二、电子产品的可靠性要求
可靠性是产品质量的一个重要方面，通常所说的产品质量好包含两层意思：一是达到预期的技术指标，二是在使用中很可靠。可靠性直接关乎产品的使用性能，影响着客户体验和满意度，在军工、导航、通信及航空/航天等领域，可靠性是用户最为关注的核心指标之一。
评价一个电子产品，一是看功能是否先进、外观是否美观，这属于产品的电路及结构设计问题；二是看能否以高效率、低成本的方式制造出来，这属于产品的可制造性问题；三是看质量是否稳定、产品是否可靠，这属于产品的使用性问题。其中，电路和结构决定了电子产品的功能、外观和性能指标，是设计师关注的核心问题；产品的可制造性决定了设计方案能否以高效率、低成本的方式转化为实际产品，是制造厂家关注的重点；而产品的可靠性决定了产品能否在各种条件下经久耐用，是用户关注的问题，代表了产品设计水平，也是企业核心竞争力的重要体现。
随着材料技术、元器件技术和电子学设计技术的不断发展，电子产品的功能越来越复杂、集成度越来越高，对电子产品的可靠性也提出了更高的要求。提高产品的可靠性，使其发挥最佳性能，是提升一个电子产品品质的关键因素，也直接影响着最终用户的评价。电子产品的可靠性提升是一个极其重要且具备极大挑战的工作，从某种意义上说，提高了产品的可靠性也就提高了产品的核心竞争力，科技进步的体现就是产品质量的升级及可靠性的提高。
三、电子产品可靠性简介
1.可靠性的概念
GJB 450中对可靠性的定义是：系统、机械设备或零部件，在规定的工作条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠度在军用标准中也有相关释义，即在规定的条件和时间内，完成规定功能的概率，它是衡量可靠性水平高低的一个重要指标。
可靠性的概念包含以下三层含义。
（1）产品的可靠性以“规定的工作条件”为前提
所谓“规定的工作条件”是指在规定的时间内产品使用时的应力条件、环境条件和储存条件等。规定的条件不同，产品的可靠性也不同。例如，一般半导体元器件使用时的输出功率越小其可靠性越高。又如，同一台电子设备在不同使用环境下，可靠性可能相差很大，环境条件越恶劣，设备的可靠性越低。
（2）产品的可靠性与“规定的时间”密切相关
一般说来，产品经过老化时间后，有一个较长时间的稳定使用期，以后，随着时间的推移，稳定性逐渐下降，可靠性降低。使用时间越长，可靠性越低。
（3）产品的可靠性用完成“规定功能”来衡量
这里的“功能”是指产品的全部功能，而不是其中一部分功能。产品只有完成全部规定功能，才被认为是可靠的。
2.可靠性的分类
可靠性的形成和评估和多方面因素有关，既取决于产品的设计制造过程，又受环境及使用条件等影响。
可靠性主要可分为以下三种：
（1）固有可靠性
固有可靠性是指产品在设计、制造时内在的可靠性。对于元器件产品来说，原料品质、制造工艺、工作参数等均会影响其固有可靠性。而对电子产品来说，固有属性则受产品的复杂程度、电路和元器件的选择与使用、元器件的工作参数及可靠性及机械结构和制造工艺等因素的影响。总体而言，电路及结构越复杂，所用的元器件越多，制造工序越多，则产品的固有可靠性越低。
（2）使用可靠性
使用可靠性是指使用和维护人员对产品可靠性的影响。它包括使用与维护的程序是否正确、设备选用是否合理、操作方法是否得当及其他人为因素。使用可靠性在很大程度上取决于使用设备的人。熟练而正确的操作、及时的维护和保养都能显著提高产品的使用可靠性。使用可靠性与人机工程的设计有直接关系。
（3）环境适应性
环境适应性是指产品所处的环境条件对可靠性的影响，包括自然环境、机械环境和电磁环境等，提高设备的环境适应性，主要是对设备采取各种有效的防护措施。
四、影响电子产品可靠性的主要因素
一般来说，电子产品的可靠性与寿命有关。电子元器件的平均寿命越长，电子产品的可靠性往往越高。但可靠性与寿命又不是同一个概念，电子产品的可靠性高，不一定寿命就长，寿命长其可靠性也不一定高，这都与使用要求有关。
影响电子产品可靠性的要素主要包括以下几个：
（1）自然环境
电子元器件在工作中受环境因素影响较大，如温度、湿度、盐雾、气压、海拔高度、大气污染颗粒等都会对电子元器件的正常运行产生影响，使其电气性能下降，甚至损伤元器件，从而引发故障。
（2）机械结构
电子产品的机械结构设计要满足使用工况的要求，强烈的机械振动或碰撞会使设备产生机械结构的损伤变形，甚至导致电子元器件的物理损伤或失效，致使电子产品无法正常运行。
（3）电磁环境
环境中的电磁波无处不在，电子产品在运行中，无时无刻不与空间中的电磁信号进行接触。在电磁信号的影响下，电子电路的噪声会变大，稳定性会变差，如果干扰严重，甚至会导致设备运行故障，或危及人身安全。
（4）组装工艺
除元器件品质及设计因素外，制造过程也会直接影响产品的可靠性，组装工艺的不同会直接影响连接牢固度、密封性、耐环境腐蚀能力等，进而影响电子产品的质量和可靠性。
事实上，除使用可靠性外，电子产品的固有可靠性和环境适应性，都是由设计、制造过程决定的，也就是说，电子产品制造出来后，电子产品的主要可靠性指标已经固定不变了，外部环境只是对可靠性的一种考验，因此，提高电子产品可靠性的关键在于提高设计和制造水平。
五、提高电子产品可靠性的主要措施
提高电子产品可靠性主要是指提高其固有可靠性，入手点在于源头设计和制造过程，主要措施需根据影响可靠性的相关因素制定，包括元器件的品质选择、结构及电路的设计、组装工艺的选择等方面。
1.可靠性设计
提高产品可靠性的措施，在设计层面主要包括以下几个方面：
（1）可靠性预计
可靠性预计属于设计层面的措施，是指针对产品的可靠性要求，在总体设计阶段对可靠性指标进行预先分解和评估，从而可为后续设计工作的顺利开展打下基础。
进行可靠性预计，应注意以下要求。
① 应根据所选用的电路形式、可靠性结构模型、元器件、工作环境及以前积累的数据，对电子产品的可靠性进行预计分析，以便提前采取措施，对这类产品在未来应用中可能发生的故障进行科学应对。
② 设计人员应给予电子产品可靠性预计足够的重视，并将相应的预计分析工作落实到位，确保这类产品可靠性预计的有效性。
（2）电子元器件的合理选用
对于电子产品而言，元器件的可靠性水平决定了整机的可靠性程度。电子产品可靠性设计工作的开展中，需要重视实践中与之相关的电子元器件的合理选用，从而满足其可靠性设计要求。
电子元器件选用应注意以下要求。
① 应综合考虑电路性能、运行环境、成本控制等要素，选择满足使用要求且性价比良好的电子元器件，为电子产品可靠性设计方案的形成提供支持。
② 在电子元器件的选用过程中，需要对不同类型的元器件进行对比分析，确定电子产品所需的最佳电子元器件。
③ 应对设计过程中选用电子元器件的实际应用效果进行科学评估，以确保这类元器件在电子产品应用中有良好的适用性。
④ 元器件降额使用。元器件选型过程中，通常将电子元器件的工作应力适度降低，低于规定的额定值，从而降低元器件的基本故障率。“降额设计”是降低基本故障率的常用手段，在最佳降额范围内，采取Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级降额等级，可实现可靠性提高和成本控制的最优方案。
（3）热设计
现代电子产品中元器件密度不断增大，元器件之间通过传导、辐射和对流产生大量的热耦合，热应力成为影响电子产品可靠性的重要因素之一。因此，需要对电子产品进行合理的热设计，以确保在其设计方案作用下的电子产品能够处于良好的应用模式。
热设计应注意以下要求。
① 电子产品热设计应根据使用要求，单独或综合采用散热、加装散热器和制冷三种基本技术手段，以获得理想的热设计方案，最大限度地满足电子产品的可靠性设计要求。
② 在电子产品的热设计过程中，需要设计人员结合实际情况，合理使用对流散热方式、传导散热方式和利用热辐射特性方式，使这些方式作用下的电子产品能够保持良好的散热状况。这样有利于增强电子产品可靠性设计的效果，使其在最终的设计方案应用中更具科学性。
（4）冗余设计
电子产品冗余设计是指利用一台或多台相同的系统构成并联形式，在其中某一系统发生故障时进行科学应对。在冗余设计的作用下，电子产品应用中的某一元器件发生故障时，其他元器件依然可以正常工作，从而满足电子产品可靠性设计要求。
进行冗余设计，应注意以下要求。
① 在遵循冗余理论的前提下，应充分结合实践经验，以确定电子产品所需的冗余设计方案，进而为其可靠性设计水平的提升提供保障。
② 冗余设计会增大整个系统的体积、质量和成本。因此只有在较重要的电子产品中（如导弹制导、原子弹引信等）才采用。
（5）电磁兼容性设计
在电子产品可靠性设计过程中，为了使最终得到的产品能够达到国家电磁兼容标准要求，避免电子电路运行中产生相互干扰，需要考虑电子产品的电磁兼容性设计。
电磁兼容性设计的一般要求如下。
① 设计人员应通过对印制电路板设计、电源线滤波、屏蔽机箱、信号线滤波、电缆设计、接地等技术的合理运用，使电子产品在应用中满足电磁兼容方面的要求，进而提升其应用价值。
② 在电子产品的电磁兼容性设计方案形成过程中，应充分考虑元器件的电磁特性和敏感特性，对电子产品的电路状况也应重点关注，必要时应进行改进处理。
③ 电磁兼容性设计过程中，应准确识别易受干扰电路和不易受干扰电路，并按照分类处理的原则采取针对性措施，从而保持电子产品具有良好的电磁兼容性。
（6）可维修性设计
实践中通过对电子产品可修复性特点的考虑，需要在其可靠性设计中注重可维修性方面的设计，从而消除电子产品应用中可能存在的安全隐患。
进行电子产品可维修性设计，应注意以下要求。
① 应从维修便捷性、成本经济性等方面进行考虑，以确定电子产品所需的可维修性设计方案，从而为产品维修工作的开展提供科学指导。
② 应选用性能可靠的维修工具，使这类工具支持下的电子产品维修工作效率得以提高，并完善其可维修性设计方案。
③ 应处理好电子产品可维修性设计中的细节问题，以确保其设计方案应用的有效性。
（7）结构可靠性设计
电子产品在使用、运输中会受到各种环境因素的影响，这些环境因素可能会加速或造成电子产品的损坏，在电子产品结构设计过程中，要充分考虑这些不利因素的影响，提高电子产品的防护能力，进而提高电子产品的可靠性。
结构可靠性设计的作用及要求主要包括：
① 通过采用有效的散热装置控制元器件的温升；
② 消减振动、冲击、碰撞等机械因素对产品造成的危害；
③ 排除内部与外部的噪声干扰；
④ 加强防腐、防潮、防霉的研究，延长结构材料使用寿命；
⑤ 设计过程应遵循标准化、系列化、通用化要求。
2.可靠性试验验证
可靠性试验是研究失效及其影响结果，并为提高或评价试验对象的可靠性而进行的各种试验的总称。从广义上说，凡是为了了解、评价、考核、分析和提高可靠性而进行的试验，都可称为可靠性试验。可靠性试验技术是在20世纪50年代开始发展起来的，最早应用于军工产品，至今已在航空、航天、电子、自动化、汽车和计算机等行业广泛应用。可靠性试验是对产品的可靠性进行调研、分析和评估的一种重要手段，也是提高和保证产品可靠性的一个重要环节。
当一个产品制造出来后，原则上，其性能指标应该可以达到原设计所规定的可靠性要求，但实际情况要复杂得多。事实上，设计过程很难将所有的可靠性问题考虑周全，不同的可靠性指标间甚至存在矛盾或冲突，只能采用折中设计，对于复杂系统，这种情况更为明显。因此，有必要通过一系列可靠性试验验证可靠性指标的实现程度，或发现并判明各种故障和缺陷。
可靠性试验的原理是：模拟现场工作条件及寿命周期中的其他环境条件，将各种工作模式和各种应力条件按照一定的时间比例、一定的循环次序反复施加到受试产品上。经过对受试产品的失效进行分析和处理，将得到的信息反馈到设计、制造、材料和管理等部门进行改进，以提高产品的固有可靠性，同时依据试验的结果对电子产品的可靠性做出评定。可靠性试验要达到预期的效果，必须特别重视试验条件的选择、试验周期的设计和失效判据的确定。
值得注意的是，对于各种电子产品环境试验条件的拟定，必须根据具体的使用情况来考虑。例如，电子产品的循环试验，采用不同的试验顺序，所产生的试验结果就不一样。以气候因素的循环试验为
例，当采用高温→潮湿→低温的试验顺序时（即电子产品先在烘箱中进行加温，使元器件受热干燥。然后，将其放进潮湿箱，在毛细力作用下，使元器件吸潮。最后，将元器件置于冷冻箱中冷却），若产品质量不过关，则在热胀冷缩的作用下，极易引起破裂。而如果按潮湿→高温→低温的顺序进行，由于高温烘烤首先对元器件进行了去潮处理，则潮湿对产品的影响相当于被人为屏蔽了，此时试验过程只能反映出产品受冷热交替变化的影响，结果显然是不一样的。
六、电子产品可靠性试验介绍
1.可靠性试验的目的
据统计，在电子产品中，元器件和零部件缺陷、工艺缺陷及设计缺陷各占1/3左右。纠正这些缺陷，使产品的可靠性逐渐提高，达到设计的要求，所花费的时间是要求的MTBF的5～25倍。所以，一个产品从研制定型到批量生产，始终都离不开可靠性试验。尽管可靠性试验往往成本很高，但有效的可靠性试验可以成倍地提高初始样机的可靠度，从而取得更大的经济效益。
可靠性试验的目的就是发现产品全寿命周期中的可靠性问题，并加以分析、评估和处理。可靠性试验贯穿于产品设计、生产、使用、维护的各个阶段。
① 在研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷，评价电子产品可靠性达到预定指标的情况，保证出售产品的可靠性。
② 对新材料、新产品、新工艺和新设计进行评价，研究新的试验方法。
③ 生产阶段为监控生产过程提供信息，暴露使用过程中出现的不确定因素，研究预防故障发生的措施。
④ 暴露和分析电子产品在不同环境和应力条件下的失效规律及有关的失效模式和失效机理。
⑤ 对定型产品进行可靠性鉴定或验收，研究电子产品的失效分布规律。
⑥ 为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案，为用户选用电子产品提供依据，为进行有效的可靠性管理提供依据。
2.可靠性试验的分类
根据试验的环境条件、试验的目的、产品的工作阶段、施加的应力强度、对可靠性的影响、试验产品的破坏程度、试验规模及抽样方案的类型等，可将可靠性试验分成很多种类。
一）按环境条件分类
按环境条件分类，可靠性试验包括：
（1）稳定性试验
将产品置于人工模拟的工作环境之中，按照技术指标的要求，考核产品抵抗每种环境影响因素的能力。如耐温、耐湿和耐压的稳定性，不渗水性，以及耐振动、冲击、加速度等各种稳定性项目的试验。
（2）综合性试验
考验产品在综合因素的作用下所能达到的性能指标。这种试验比较接近实际使用情况，所以在环境试验中占有重要地位。
二）按试验项目分类
按试验项目分类，可靠性试验包括：
（1）可靠性寿命试验
通常采用的是破坏性寿命试验，其任务是在规定的条件下，抽取一定数量的样品做寿命试验，记录每个元器件失效时间，进行全部数据的统计分析，求出元器件的可靠性指标，用以评价产品的可靠性水平，并进一步分析产品失效的原因，提出提高可靠性的措施。可靠性寿命试验是各种可靠性试验中最主要的内容，也是与统计方法关系最密切的内容。
（2）可靠性环境试验
可靠性环境试验研究各种环境条件对元器件的影响。环境应力是指产品工作时所承受的不利环境条件，如温度、湿度、电压、污染、振动、雾、辐射等。
（3）可靠性筛选试验
可靠性筛选试验是对合格产品进行全数检查，淘汰潜在的早期失效元器件，以提高整批元器件的可靠性。可靠性筛选试验是提高产品可靠性行之有效的基础工作。
（4）整机可靠性鉴定试验
整机可靠性鉴定试验安排在新产品试制成功以后，目的是验证设备设计能否在规定的环境条件下满足规定的性能及可靠性要求。这种试验是以寿命试验的方式进行的，要求对设备的平均寿命做出定量的鉴定。
（5）整机可靠性验收试验
当产品投入连续生产后，应对整机安排一系列定期试验，用以确定设备能否满足相应的性能和可靠性要求，用来确定每批产品是否可以出厂交付使用。可靠性验收试验虽然也是以寿命试验的方式进行的，但它只要求制定一个简单的验收方案和验收标准，供试验工作人员掌握并做出判断。整机可靠性验收方案及其验收标准称为可靠性抽样检验方案。
三）按试验目的分类
按试验目的分类，可靠性试验包括：
（1）可靠性工程试验
可靠性工程试验的目的是暴露产品设计、工艺、元器件和原材料等方面存在的缺陷或故障，对其进行分析，采取纠正措施并加以排除，使产品的固有可靠性得到提升，达到合同规定的可靠性要求。
（2）可靠性统计试验
可靠性统计试验的目的是验证产品是否达到了规定的可靠性水平，而不是暴露产品存在的缺陷或故障。可靠性统计试验又称为可靠性验证试验。对于不同的产品，为了达到不同的目的，可以选择不同的可靠性试验方法。
七、结语
电子产品与我们的生活密不可分。电子产品的质量在一定程度上也直接影响着我们的生活水平。电子产品的可靠性是衡量电子产品质量和使用性的重要指标，可靠性的提升是电子产品稳定运行的基本保障。
影响电子产品可靠性的因素很多，包括自然环境、机械环境和电磁环境等。可靠性设计工作就是围绕这些环境因素，在设计和制造中采取相应措施，以提高产品的防护能力和适用性，进而保证电子产品的质量，提升电子产品的核心竞争力

作者: Anda 时间: 2020-11-12 11:23
现代电子产品通常具有多种功能，产品组成更复杂，元器件、零部件数量更多，同时产品的体积和质量更小，因此组装密度更大。尤其是超大规模集成电路及其衍生的各种功能模块的出现，使电子产品的组装密度较过去大幅提高

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