8. 電子系統和電子元器件可靠性設計分析
系統可靠性設計分析技術是在對電子產品研究的基礎上發展起來的，其中的許多技術不但適用於電子產品也同樣適用於非電子產品，這些技術已在前面介紹過了。本章將介紹一些電子產品專用或具有較強電子產品特色的技術，如降額設計、熱設計、冗餘設計、電磁相容性設計等技術。電子元器件可靠性設計是指在功能設計的同時，針對產品在規定的條件下和規定的時間內可能出現的失效模式，採取相應的設計技術，以消除或控制其失效模式，使產品滿足規定的可靠性要求。
電子產品的可靠性設計分析工作首先是電子元器件的選擇和使用，正確有效的開展此項工作是實現高可靠性水平系統設計的基礎。此外電子產品的可靠性設計分析工作還應考慮環境條件的影響，耐環境設計技術是其重要手段。
4.1 降額設計
所謂降額設計,就是使元器件運用於比額定值低的應力狀態的一種設計技術。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產品的壽命,必須有意識地降低施加在器件上的工作應力（如：電、熱、機械應力等）,降額的條件及降額的量值必須綜合確定,以保證電路既能可靠地工作,又能保持其所需的效能。
降額的措施也隨元器件型別的不同而有不同的規定,如電阻降額是降低其使用功率與額定功率之比;電容降額是使工作電壓低於額定電壓;半導體分立器件降額是使功耗低於額定值;接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應用有關的限制。
電子元器件的降額,通常有乙個最佳的降額範圍,在這個範圍內,元器件的工作應力的變化對其失效率有顯著的影響,設計也易於實施,而且不需要裝置的重量、體積、成本方面付出太大的代價。因此,應根據元器件的具體應用情況來確定適當的降額水平。因為若降額不夠則元器件的失效率會比較大,不能達到可靠性要求;反之,降額過度,將使裝置的設計發生困難,並將在裝置的重量、體積、成本方面付出較大的代價,還可能使元器件數量產生不必要的增加,這樣反而會使裝置可靠性下降。
降額的等級分為三個等級,分別稱為ⅰ級降額、ⅱ級降額和ⅲ級降額。
ⅰ級降額是最大降額,超過它的更大降額,元器件的可靠性增長有限,而且使設計難以實現。ⅰ級降額適用於下述情況：裝置的失效將嚴重危害人員的生命安全,可能造成重大的經濟損失,導致工作任務的失敗,失敗後無法維修或維修在經濟上不合算等。
ⅱ級降額指元器件在該範圍內降額時,裝置的可靠性增長是急劇的,且裝置設計較ⅰ級降額易於實現。ⅱ級降額適用於裝置的換效會使工作水平降級或需支付不合理的維修費用等場合。
ⅲ級降額指元器件在該範圍內降額時裝置的可靠性增長效益最大,且在裝置設計上實現困難最小,它適用於裝置的失效對工作任務的完成影響小、不危及工作任務的完成或可迅速修復的情況。
4.2 熱設計
由於現代電子裝置所用的電子元器件的密度越來越高,這將使元器件之間通過傳導、輻射和對流產生熱耦合。因此,熱應力已經成為影響電子元器件失效率的乙個最重要的因素。對於某些電路來說,可靠性幾乎完全取決於熱環境。
所以,為了達到預期的可靠性目的,必須將元器件的溫度降低到實際可以達到的最低水平。有資料表明：環境溫度每提高10℃,元器件壽命約降低1/2。
這就是有名的「10℃法則」。熱設計包括散熱、加裝散熱器和製冷三類技術,這裡主要介紹散熱技術。應用中常採用的方法：
第一種是傳導散熱方法,可選用導熱係數大的材料來製造傳熱元件,或減小接觸熱阻並盡量縮短傳熱路徑。
第二種是對流散熱方式,對流散熱方式有自然對流散熱和強迫對流散熱兩種方法。自然對流散熱應注意以下幾點：
1 設計印製板和元器件時必須留出多餘空間;
2 安排元器件時,應注意溫度場的合理分布;
3 充分重視應用煙囪撥風原理;
4 加大與對流介質的接觸面積。
第三種是利用熱輻射特性方式,可以採用加大發熱體表面的粗糙度、加大輻射體周圍的環境溫差或加大輻射體表面的面積等方法。
在熱設計中,最常採用的方法是加散熱器,其目的是控制半導體的溫度,尤其是結溫tj,使其低於半導體器件的最大結溫,從而提高半導體器件的可靠性。散熱器熱阻是選擇散熱器的主要依據。
電子產品常用的冷卻方法主要要：自然冷卻、強迫空氣冷卻、冷板式冷卻等。自然冷卻是最簡單、最經濟的散熱方法，缺點是散熱能力較差。
4.3 冗餘設計
冗餘設計是用一台或多台相同單元（系統）構成併聯形式,當其中一台發生故障時,其它單元仍能使系統正常工作的設計技術。冗餘按特點分為熱冗餘儲備和冷冗餘儲備;按冗餘程度分,有兩重冗餘、三重冗餘、多重冗餘;安冗餘範圍分,有元器件冗餘、部件冗餘、子系統冗餘和系統冗餘。這種設計技術通常應用在比較重要,而且對安全性及經濟性要求較高的場合,如鍋爐的控制系統、程式控制交換系統、飛行器的控制系統等。
4.4 電磁相容性設計
電磁相容性設計也就是耐環境設計。首先要明白什麼是電磁相容性問題,電磁相容性問題可以分為兩類：一類是電子電路、裝置、系統在工作時由於相互干擾或受到外界的干擾使其達不到預期的技術指標;另一類電磁相容性問題就是裝置雖然沒有直接受到干擾的影響,但不能通過國家的電磁相容標準,如計算機裝置產生超過電磁發射標準規定的極限值,或在電磁敏感度、靜電敏感度上達不到要求。
為了使裝置或系統達到電磁相容狀態,通常採用印製電路板設計、遮蔽機箱、電源線濾波、訊號線濾波、接地、電纜設計等技術。印製電路板在設計布置時,應注意以下幾點：
1 各級電路連線應盡量縮短,盡可能減少寄生耦合,高頻電路尤其要注意；
2 高頻線路應盡量避免平行排列導線以減少寄生耦合,更不能象低頻電路那樣連線紮成一束；
3 設計各級電路應盡量按原理圖順序排列布置,避免各級電路交叉排列；
4 每級電路的元器件應盡量靠近各級電路的電晶體和電子管,不應分布得太遠,應盡量使各級電路自成迴路；
5 各級均應採用一點接地或就近接地,以防止地電流迴路造成干擾,應將大電流地線和沁電流迴路的地線分開設定,以防止大電流流進公共地線產生較強的耦合干擾；
6 對於會產生較強電磁場的元件和對電磁場感應較靈敏的元件,應垂直布置、遠離或加以遮蔽以防止和減小互感耦合；
7 處於強磁場中的地線不應構成閉合迴路,以避免出現地環路電流而產生干擾；
電源供電線應靠近（電源的）地線並平行排列以增加電源濾波效果。
電子可靠性技術
目錄目錄第一部分降額設計規範 1 0 概述 1 1 降額總則 1 2 電阻降額 2 2.1 定值電阻 2 2.2 電位器 3 2.3 熱敏電阻 3 3 電容降額 3 3.1 固定電容器 3 3.2 電解電容器 4 3.3 可調電容器 4 4 積體電路降額 4 4.1 放大器 4 4.2 比較器 5 ...
可靠性設計要求
本標準規定了可靠性設計的一般要求和詳細要求。本標準適用於公司所有產品的可靠性設計工作。iec60300 2 1992可靠性管理第2部分可靠性程式元素和任務 gb6993 86系統和裝置研製生產中的可靠性程式 gjb 450 88裝備研製與生產的可靠性通用大綱 gjb 451 90可靠性維修性術語 g...
可靠性報告
關於節能燈的壽命的可靠性虛擬試驗分析報告 1 關可靠性試驗的相關概念解釋 1 可靠性試驗 可靠性試驗是對產品進行可靠性調查 分析和評價的一種手段。試驗結果為故障分析 研究採取的糾正措施 判斷產品是否達到指標要求提供依據。其分類方法按照慣例分為以下五種 環境試驗 壽命試驗 篩選試驗 現場使用試驗 鑑定...