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靠性工程技術(shù)簡介

　　上，可靠性起源于第二次世界大戰(zhàn)，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(lián)模型得出火箭系統(tǒng)可靠度，成為*個運用系統(tǒng)可靠性理論的飛行器。當時美國誨軍統(tǒng)計，運往遠東的航空無線電設(shè)備有60℅不能工作。電子設(shè)備在規(guī)定使用期內(nèi)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(xiàn)場調(diào)查和故障分析，采取對策，誕生了可靠性這門學(xué)科。

　　40年代萌芽時期：

　　現(xiàn)場調(diào)查、統(tǒng)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(shè)備可靠性咨詢組〔AGREE〕并于1957年發(fā)表了《電子設(shè)備可靠性》的研究報告，該報告成為可靠性發(fā)展的奠基性文件，對影響都很大，是可靠性發(fā)展的重要里程碑。

　　60年代可靠性工程全面發(fā)展時期：

　　形成了一套較為完善的可靠性設(shè)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(lián)等工業(yè)發(fā)達國家相繼開展了可靠性工程技術(shù)研究工作。

　　70年代可靠性發(fā)展成熟時期：

　　建立了可靠性管理機構(gòu)，制定一整套管理方法及程序，成立全國性可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)，進行信息交流，采用嚴格降額設(shè)計、熱設(shè)計等可靠性設(shè)計，強調(diào)環(huán)境應(yīng)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(huán)境應(yīng)力的可靠性試驗。

　　80年代可靠性向更深更廣方向發(fā)展時期：

　　提高可靠性工作地位，增加了維修性工作內(nèi)容、CAD技術(shù)在可靠性領(lǐng)域中應(yīng)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(xiàn)可靠性增倍維修性減半。在1991年海灣戰(zhàn)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(xiàn)了新的可靠性理念，改變了一些傳統(tǒng)的可靠性工作方法，一些經(jīng)典理論也在被修改，甚至失效率的“浴盆曲線”也被質(zhì)凝，zui為典型的是英國*發(fā)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(fā)，依照系統(tǒng)各單元間存在的功能邏輯關(guān)系用框圖表達出來〔可靠性結(jié)構(gòu)模型〕。用數(shù)學(xué)方法對這種關(guān)系加以描述，這就是可靠性數(shù)學(xué)模型?？煽啃阅Ｐ褪强煽啃越Y(jié)構(gòu)模型（可靠性框圖）和對應(yīng)的可靠性數(shù)學(xué)模型的總稱。系統(tǒng)的可靠性模型分為基本可靠性模型和任務(wù)可靠

　主要可靠性模型有：可靠性并聯(lián)模型、可靠性串聯(lián)模型、（m,n）并聯(lián)模型、混合模型覆蓋模型、簡單旁聯(lián)模型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型。


產(chǎn)品可靠性指標預(yù)計

　　產(chǎn)品可靠性指標預(yù)計是可靠性工程重要工作項目之一，是可靠性設(shè)計、可靠性分析、可靠性試驗等工作的基礎(chǔ)。因此，國內(nèi)外都投入大量人力、資金進行這項工作?？煽啃灾笜祟A(yù)計方法經(jīng)過三十多年的應(yīng)用和發(fā)展，已不僅僅被企業(yè)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(fā)展，傳統(tǒng)的可靠性預(yù)計方法也不斷遇到挑戰(zhàn)。美國MIL-KDBK-217已經(jīng)過7次更新到目前的F版本，我國的GJB299經(jīng)過3次更新到目前的GJB/Z299B，但這兩種預(yù)計手冊所推薦的方法存在如下的缺陷：

1. 不能用于產(chǎn)品的研發(fā)早期階段，尤其是方案階段，更為重要的是在產(chǎn)品招標、投標確定可靠性指標時不能應(yīng)用；
2. 由于電子元器件發(fā)展迅猛，新種類的元器件不斷涌現(xiàn)。因而，用這兩個手冊進行預(yù)計有時無法進行；
3. 由于元器件的技術(shù)設(shè)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(yù)計結(jié)果偏保守；
4. 用這兩種手冊進行預(yù)計時，所用參數(shù)眾多，且取值很難掌握，難以操作，預(yù)計費時多，離差較大。因此，工程技術(shù)人員有抵觸情緒。
　　為此，國內(nèi)外各廠家都在積極研究符合自己企業(yè)需要的預(yù)計方法，象Bellcore的RPP和Lucent的RIN這些預(yù)計方法王錫吉同志于80年代在通過大量各類電子產(chǎn)品調(diào)查和研究，創(chuàng)引出《簡單枚舉不歸納可靠性快速預(yù)計方法》在國內(nèi)外一些企業(yè)已推廣應(yīng)用，簡稱CW法（China Wang）在CW法基礎(chǔ)上又垣推出NCW法，經(jīng)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(yù)計方法分為兩種，適用系統(tǒng)（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(tǒng)的可靠性指標按照一定的準則分配給系統(tǒng)各組成單元而進行的工作。其目的是將整個系統(tǒng)的可靠性定量要求轉(zhuǎn)換為每一個分系統(tǒng)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?？煽啃苑峙浞椒ㄓ泻芏啵?jīng)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(jīng)過長時間研究和工程實踐，創(chuàng)引出工程加權(quán)分配法，該方法科學(xué)、合理、可操作性好。加權(quán)因素有：重要性因素、復(fù)雜性因素、環(huán)境因素、標準化因素、維修性因素、元器件質(zhì)量因素等。


熱設(shè)計

　　通過各種熱設(shè)計方法使元器件、零部件、設(shè)備等在低于規(guī)定的環(huán)境中工作，以提高可靠性。設(shè)計早期就應(yīng)制定產(chǎn)品熱設(shè)計的具體要求。熱設(shè)計的核心：沒計一個冷卻系統(tǒng)，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(chǎn)品可靠姓影響極大，尤其對半導(dǎo)體器件zui為敏感，，幾乎半導(dǎo)體品件所有參數(shù)都與溫度有關(guān)。

熱傳遞的三種方式：傳導(dǎo)散熱、對流換熱、輻射換熱。


緩沖減振設(shè)計

　　電子設(shè)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(nèi)，經(jīng)歷各種機械環(huán)境。雖然家用電器在使用過程中沒有經(jīng)受什么機械環(huán)境，但在產(chǎn)品出廠后經(jīng)過運輸、搬運過程，仍然承受機械環(huán)境。機械環(huán)境對電子設(shè)備影響是比較嚴重的。

　　經(jīng)驗證明，在各種機械環(huán)境中，主要威脅來自振動應(yīng)力。設(shè)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(shè)備中，振動損壞率比沖擊損壞率大4倍。能經(jīng)受50—70g沖擊的元器件，在持續(xù)振動的環(huán)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(shè)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(shù)，使設(shè)備正常工作時，足以耐受沖擊或振動。

　　對電子設(shè)備的振動與沖擊防護設(shè)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(shè)計---接地設(shè)計

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

　　接地設(shè)計的基本原理 ：好的接地系統(tǒng)是抑制電磁干擾的一種技術(shù)措施，其電路和設(shè)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(tǒng)，可以通過地線產(chǎn)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(tǒng)的功能受到影響。從而影響產(chǎn)品的可靠性。

　　接地設(shè)計的基本原則是電位相同、內(nèi)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(zhì)的電路有一個統(tǒng)一的基準電位，保證電路功能的順利實現(xiàn)。 電位相同要求不同的地就近相連。內(nèi)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(yīng)考慮哪一方占主導(dǎo)地位。 當設(shè)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(shè)備對外來干擾的抵御能力上升為主要矛盾，這時，各種地應(yīng)合并為大面積接地。


電子設(shè)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(yīng)、電解等過程中，發(fā)生電子或離子的轉(zhuǎn)移，正電荷和負電荷在局部范圍內(nèi)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(fā)生中和，就出現(xiàn)了靜電放電（ESD）。靜電放電可以出現(xiàn)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(xiàn)象，近十多年來伴隨著集成電路的飛速發(fā)展和高分子材料的廣泛應(yīng)用，靜電的作用力、放電和感應(yīng)現(xiàn)象引起的危害十分嚴重，美國統(tǒng)計，美國電子行業(yè)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(chǎn)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(lǐng)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(dǎo)致火災(zāi)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(chǎn)生；
b.消除已產(chǎn)生的靜電；
c.設(shè)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(shè)備有三種方式

1. 直接傳導(dǎo)
2. 電容耦合（電場耦合）
3. 電感耦合（磁場耦合）
　　電子設(shè)備的ESD防護主要應(yīng)針對這幾種耦合方式采取措施，可總結(jié)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(tài)抑制。


電子設(shè)備雷擊浪涌保護設(shè)計

　　對雷電防治原則是“綜合治理，整體防御，多重保護，層層設(shè)防”。運用“疏導(dǎo)、隔離、均壓”的方法，防雷是系統(tǒng)工程，必須因地制宜綜合考慮，將內(nèi)、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(tǒng)一考慮。

電子通訊設(shè)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(shè)備附近的金屬構(gòu)件如水管、燃氣管、走線架、走線槽以及設(shè)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(nèi)的金屬構(gòu)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(shè)備的端口對金屬機殼和機房內(nèi)的金屬構(gòu)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(nèi)部電路和器件能經(jīng)受得住的范圍內(nèi)，保護電路和器件免遭損壞。


環(huán)境防護設(shè)計

　　環(huán)境條件是指產(chǎn)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(huán)境條件對產(chǎn)品可靠性起著重要的影響。環(huán)境防護設(shè)計就是調(diào)查環(huán)境對產(chǎn)品可靠性影響，以便研究對策，采取有效措施，設(shè)計和制造耐環(huán)境的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的可靠性，這就是環(huán)境防護設(shè)計。

　　為了提高產(chǎn)品的可靠性，必須在方案論證與確定及設(shè)計階段就考慮產(chǎn)品的環(huán)境防護。環(huán)境防護的*步是確定產(chǎn)品的工作環(huán)境，第二步是確定在這種環(huán)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(chǎn)品可靠性要求或處于臨界狀態(tài)量，就要采取環(huán)境防護措施，并且選擇耐環(huán)境的元器件和材料等。不同環(huán)境條件，對電子設(shè)備影響程度有所不同。

　　“三防”設(shè)計的基本概念：所謂“三防”設(shè)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(shè)備中的有機及無機材料構(gòu)件由于受潮將增加重量，發(fā)脹，變形，金屬構(gòu)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(yīng)進行潮濕設(shè)計。

　　防鹽霧：鹽霧的影響是鹽霧與潮濕空氣結(jié)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(jié)合能使材料導(dǎo)電，故可使絕緣電阻降低，引起金屬電蝕、化學(xué)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(chǎn)生酸性、堿性氣體。這些氣體也有加速金屬構(gòu)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(chǎn)品產(chǎn)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(huán)境條件，繁殖生長迅速，其分泌物形成的斑點影響產(chǎn)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(xué)儀器上長霉，會是玻璃的反射和透光明顯下降，破壞光學(xué)性能，所以設(shè)計中也進行防霉設(shè)計。

　　“三防”設(shè)計技術(shù)

電子設(shè)備“三防”技術(shù)是一門綜合科技，它主要包含“三防”電路設(shè)計技術(shù)、“三防”結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、“三防”工藝技術(shù)、“三防”試驗技術(shù)及“三防”檢測技術(shù)等。同時 “三防”又是一項系統(tǒng)工程。在電子設(shè)備方案論證與確定時，就應(yīng)進行系統(tǒng)的“三防”設(shè)計方案論證與確定，根據(jù)電子設(shè)備壽命剖析和任務(wù)剖面所經(jīng)歷的環(huán)境條件，確定有效的“三防”系統(tǒng)設(shè)計方案。在技術(shù)設(shè)計階段，在電路設(shè)計上應(yīng)采用“三防”電路設(shè)計技術(shù)和選用符合“三防”要求的元器件原材料。