靠性工程技術簡介

　　上，可靠性起源于第二次世界大戰，1944年納粹德國用V-2火箭襲擊倫敦，有80枚火箭在起飛臺上爆炸，還有一些掉進英吉利海峽。由此德國提出并運用了串聯模型得出火箭系統可靠度，成為*個運用系統可靠性理論的飛行器。當時美國誨軍統計，運往遠東的航空無線電設備有60℅不能工作。電子設備在規定使用期內僅有30℅的時間能有效工作。在此期間，因可靠性問題損失飛機2.1萬架，是被擊落飛機的1.5倍。由此，引起人們對可靠性問題的認識，通過大量現場調查和故障分析，采取對策，誕生了可靠性這門學科。

　　40年代萌芽時期：

　　現場調查、統計、分析，重點解決電子管可靠性問題。

　　50年代興起和形成時期：

　　1952年美國成立了電子設備可靠性咨詢組〔AGREE〕并于1957年發表了《軍用電子設備可靠性》的研究報告，該報告成為可靠性發展的奠基性文件，對影響都很大，是可靠性發展的重要里程碑。

　　60年代可靠性工程全面發展時期：

　　形成了一套較為*的可靠性設計、試驗和管理標準，如MIL-HDBK-217、MIL-STD -781、MIL-STD-785。并開展了FMEA與FTA分析工作。在這十年中美、法、日、蘇聯等工業發達國家相繼開展了可靠性工程技術研究工作。

　　70年代可靠性發展成熟時期：

　　建立了可靠性管理機構，制定一整套管理方法及程序，成立全國性可靠性數據交換網，進行信息交流，采用嚴格降額設計、熱設計等可靠性設計，強調環境應力篩選，開始了三E革命〔ESS EMC ESD〕，開展可靠性增長試驗及綜合環境應力的可靠性試驗。

　　80年代可靠性向更深更廣方向發展時期：

　　提高可靠性工作地位，增加了維修性工作內容、CAD技術在可靠性領域中應用，開始了三C革命〔CAD CAE CAM〕，開展軟件可靠性、機械可靠性及光電器件和微電子器件可靠性等的研究。zui有代表性是美國*于1985年推行了“可靠性與維修性2000年行動計劃”〔R&M2000〕，目標是到2000年實現可靠性增倍維修性減半。在1991年海灣戰爭中“2000年行動計劃”見到成效。

　　90年代可靠性步入理念更新時期：

　　在20世紀90年代，出現了新的可靠性理念，改變了一些傳統的可靠性工作方法，一些經典理論也在被修改，甚至失效率的“浴盆曲線”也被質凝，zui為典型的是英國*發表的一篇題為《無維修使用期》的文章，在歐州乃至世界可靠性界引起轟動。盡管本文是論述英國*尋求提高飛機可靠性的新思路，但對我們有很大啟示，為我們開展可靠性工作提供一個新思路。


可靠性模型建立

　　可靠性模型〔reliability model〕是指從可靠性觀點出發，依照系統各單元間存在的功能邏輯關系用框圖表達出來〔可靠性結構模型〕。用數學方法對這種關系加以描述，這就是可靠性數學模型。可靠性模型是可靠性結構模型（可靠性框圖）和對應的可靠性數學模型的總稱。系統的可靠性模型分為基本可靠性模型和任務可靠

  　主要可靠性模型有：可靠性并聯模型、可靠性串聯模型、（m,n）并聯模型、混合模型覆蓋模型、簡單旁聯模型、復雜結構模型。


產品可靠性指標預計

　　產品可靠性指標預計是可靠性工程重要工作項目之一，是可靠性設計、可靠性分析、可靠性試驗等工作的基礎。因此，國內外都投入大量人力、資金進行這項工作。可靠性指標預計方法經過三十多年的應用和發展，已不僅僅被*企業所采用。由于科技進步的速度越來越快，尤其是電子元器件水平與種類的迅速發展，傳統的可靠性預計方法也不斷遇到挑戰。美國MIL-KDBK-217已經過7次更新到目前的F版本，我國的GJB299經過3次更新到目前的GJB/Z299B，但這兩種預計手冊所推薦的方法存在如下的缺陷：

1. 不能用于產品的研發早期階段，尤其是方案階段，更為重要的是在產品招標、投標確定可靠性指標時不能應用；
2. 由于電子元器件發展迅猛，新種類的元器件不斷涌現。因而，用這兩個手冊進行預計有時無法進行；
3. 由于元器件的技術設計及制造工藝日新月異的更新，其可靠性水平也不斷提高，所以用這兩個手冊進行預計結果偏保守；
4. 用這兩種手冊進行預計時，所用參數眾多，且取值很難掌握，難以操作，預計費時多，離差較大。因此，工程技術人員有抵觸情緒。
　　為此，國內外各廠家都在積極研究符合自己企業需要的預計方法，象Bellcore的RPP和Lucent的RIN這些預計方法王錫吉同志于80年代在通過大量各類電子產品調查和研究，創引出《簡單枚舉不*歸納可靠性快速預計方法》在國內外一些企業已推廣應用，簡稱CW法（China Wang）在CW法基礎上又垣推出NCW法，經過大量工程實踐效果很好，達到快速、準確、易操作的目的。NCW預計方法分為兩種，適用系統（或整機）為NCWA，適用于單板模塊單元為NCWB。


可靠性指標分配

　　可靠性指標分配是為了把系統的可靠性指標按照一定的準則分配給系統各組成單元而進行的工作。其目的是將整個系統的可靠性定量要求轉換為每一個分系統或單元的可靠性要求，它是一個由整體到局部，由上到下的分解過程。可靠性分配方法有很多，經常使用方法有：評分分配法、比例組合法、AGREE等分配方法。但這些分配方法都有其不足之處，經過長時間研究和工程實踐，創引出工程加權分配法，該方法科學、合理、可操作性好。加權因素有：重要性因素、復雜性因素、環境因素、標準化因素、維修性因素、元器件質量因素等。


熱設計

　　通過各種熱設計方法使元器件、零部件、設備等在低于規定的環境中工作，以提高可靠性。設計早期就應制定產品熱設計的具體要求。熱設計的核心：沒計一個冷卻系統，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量順利傳遞出去。

　　溫度對電子產品可靠姓影響極大，尤其對半導體器件zui為敏感，，幾乎半導體品件所有參數都與溫度有關。

熱傳遞的三種方式：傳導散熱、對流換熱、輻射換熱。


緩沖減振設計

　　電子設備裝載在諸如飛機、艦船、裝甲車等平臺上，在它整個壽命周期內，經歷各種機械環境。雖然家用電器在使用過程中沒有經受什么機械環境，但在產品出廠后經過運輸、搬運過程，仍然承受機械環境。機械環境對電子設備影響是比較嚴重的。

　　經驗證明，在各種機械環境中，主要威脅來自振動應力。設備中由于振動而造成的損壞大大超過沖擊引起的損壞。例如在通信或雷達設備中，振動損壞率比沖擊損壞率大4倍。能經受50—70g沖擊的元器件，在持續振動的環境中，zui大也只能承受2—3g的振動。

　　其基本方法有兩種：一是采用隔離措施，利用減振裝置把設備保護起來或把振動源隔離開；二是選用合適的材料和合理的安裝技術，使設備正常工作時，足以耐受沖擊或振動。

　　對電子設備的振動與沖擊防護設計，歸納起來有以下幾種常用方法:

　1） 消除和減弱振源 2）對振源進行隔離 3）去諧 4）去耦 5）阻尼 6）小型化和剛性化


電磁兼容設計---接地設計

　　接地技術是電子通訊設備必須采用的重要技術，*，電磁兼容設計三大措施為：接地、屏敞和濾波。通過現場和試驗統計調查，有80%以上的故障源于接地設計不良，正確的接地不僅是保護設備和人身安全的必要手段，也是電子設備穩定可靠工作的重要條件。如果接地設計不好，輕則導致設備運行不穩定，如程控數字交換機的呼損增大、光電傳輸設備的誤碼率增加、故障率上升，重則導致設備無法正常工作、甚至發生重大事故、使設備毀壞，這方面的例子很多，造成的損失無法估量。

　　接地設計的基本原理 ：好的接地系統是抑制電磁干擾的一種技術措施，其電路和設備地線任意兩點之間的電壓與線路中的任何功能部分相比較，都可以忽略不計；差的接地系統，可以通過地線產生寄生電壓和電流偶合進電路，地線或接地平面總有一定的阻抗，該公共阻抗使兩兩接地點間形成一定的壓降，引起接地干擾，使系統的功能受到影響。從而影響產品的可靠性。

　　接地設計的基本原則是電位相同、內部電路不互相干擾、抵御外來干擾。各種地電位相同使不同性質的電路有一個統一的基準電位，保證電路功能的順利實現。 電位相同要求不同的地就近相連。內部電路不互相干擾要求不同的地在較遠處相連。所以，電位相同和不互相干擾是一對矛盾的雙方，在何處相連應考慮哪一方占主導地位。 當設備受到的外來干擾（例如：ESD干擾，EFT干擾，輻射干擾）較大時，提高設備對外來干擾的抵御能力上升為主要矛盾，這時，各種地應合并為大面積接地。


電子設備靜電放電（ESD）防護

　　靜電是物體表面的靜止電荷。物體在接觸、摩擦、分離、感應、電解等過程中，發生電子或離子的轉移，正電荷和負電荷在局部范圍內失去平衡，就形成了靜電。當物體表面的靜電場梯度大到一定的程度，正電荷和負電荷發生中和，就出現了靜電放電（ESD）。靜電放電可以出現在兩個物體之間，也可由物體表面靜電荷直接向空氣放電。

　　靜電作為一種普遍物理現象，近十多年來伴隨著集成電路的飛速發展和高分子材料的廣泛應用，靜電的作用力、放電和感應現象引起的危害十分嚴重，美國統計，美國電子行業部門每年因靜電危害造成損失高達100多億美元，英國電子產品每年因靜電造成的損失為20億英鎊，日、本電子元器件的不合格品中45％是因為靜電放電（ESD）造成的。不僅如此，由于ESD在許多領域給人們帶來重大損失和危害；如在*個阿波羅載人宇宙飛船中，由于ESD導致火災和爆炸，使三名宇航員喪生。

靜電防護主要措施 ：

a. 防止靜電產生；
b.消除已產生的靜電；              
c.設計保護電路。

防靜電的基本方法：

a. 靜電泄漏法；
b. 靜電中和法；
c. 靜電屏蔽法；
d. 濕度控制法。

ESD耦合到電子通訊設備有三種方式

1. 直接傳導
2. 電容耦合（電場耦合）
3. 電感耦合（磁場耦合）
　　電子設備的ESD防護主要應針對這幾種耦合方式采取措施，可總結為下列24字方針：

靜電屏蔽，濾波去耦，絕緣隔離，接地泄放，良好搭接，瞬態抑制。


電子設備雷擊浪涌保護設計

　　對雷電防治原則是“綜合治理，整體防御，多重保護，層層設防”。運用“疏導、隔離、均壓”的方法，防雷是系統工程，必須因地制宜綜合考慮，將內、外部防雷措施（接閃、分流、均壓、屏蔽、接地布線、過壓保護等諸多因素）作為一個整體來統一考慮。

電子通訊設備的雷擊浪涌保護分為一級保護和二級保護。一級保護的機理是等電位連接。通訊設備附近的金屬構件如水管、燃氣管、走線架、走線槽以及設備的金屬機殼等接等電位連接棒；信號線端口和電源線端口通過保護器件等電位連接棒。當遭受雷擊時，保護器件動作，端口與金屬機殼和機房內的金屬構件連接，形成等電位體，雷電流通過接地電阻到地使得等電位體的對地電位升高，但是設備的端口對金屬機殼和機房內的金屬構件的電位差卻很小。二級保護的機理是接地泄放，即通過雷擊浪涌保護器件把浪涌電流旁路到地，使過電壓箝制在內部電路和器件能經受得住的范圍內，保護電路和器件免遭損壞。


環境防護設計

　　環境條件是指產品在貯存、運輸和工作過程中可能遇到的一切外界影響因素環境條件對產品可靠性起著重要的影響。環境防護設計就是調查環境對產品可靠性影響，以便研究對策，采取有效措施，設計和制造耐環境的產品，提高產品的可靠性，這就是環境防護設計。

　　為了提高產品的可靠性，必須在方案論證與確定及設計階段就考慮產品的環境防護。環境防護的*步是確定產品的工作環境，第二步是確定在這種環境條件下所用的元器件及材料的性能。若是這種性能不能滿足產品可靠性要求或處于臨界狀態量，就要采取環境防護措施，并且選擇耐環境的元器件和材料等。不同環境條件，對電子設備影響程度有所不同。

　　“三防”設計的基本概念：所謂“三防”設計，即防潮濕、防鹽霧、防霉菌。

　　防潮濕：潮濕的影響在于，當空氣相對濕度大于80%時，很多電子設備中的有機及無機材料構件由于受潮將增加重量，發脹，變形，金屬構件腐蝕加速。如果絕緣材料選用及工藝處理不當，則絕緣電阻下降，以致絕緣擊穿，性能破壞，造成故障。為保證可靠性應進行潮濕設計。

　　防鹽霧：鹽霧的影響是鹽霧與潮濕空氣結合時，其中所含的半徑很小的氯離子對金屬保護膜有穿透作用。鹽和水結合能使材料導電，故可使絕緣電阻降低，引起金屬電蝕、化學腐蝕加速，使金屬件與電鍍件受破壞。二氧化硫、氯氣、氨氣等有害氣體與潮濕空氣會合便產生酸性、堿性氣體。這些氣體也有加速金屬構件的腐蝕作用，使絕緣性下降。

　　防霉菌：霉菌、白蟻等生物類也都在不同情況下對產品產生影響。例如霉菌在一定溫度、濕度（一般25℃--35℃相對濕度80%以上）的環境條件，繁殖生長迅速，其分泌物形成的斑點影響產品外觀；這些分泌物所含的弱酸會使電工儀表的金屬細線腐蝕斷，損壞電路功能。尤其在光學儀器上長霉，會是玻璃的反射和透光明顯下降，破壞光學性能，所以設計中也進行防霉設計。

　　“三防”設計技術

電子設備“三防”技術是一門綜合科技，它主要包含“三防”電路設計技術、“三防”結構設計技術、“三防”工藝技術、“三防”試驗技術及“三防”檢測技術等。同時 “三防”又是一項系統工程。在電子設備方案論證與確定時，就應進行系統的“三防”設計方案論證與確定，根據電子設備壽命剖析和任務剖面所經歷的環境條件，確定有效的“三防”系統設計方案。在技術設計階段，在電路設計上應采用“三防”電路設計技術和選用符合“三防”要求的元器件原材料。