可靠性設計——VI.系統(tǒng)的可靠性設計（方法）高嵩2/6/20231可靠性設計本章內(nèi)容系統(tǒng)可靠性設計的內(nèi)容及其準則元器件的降額設計耐環(huán)境設計（系統(tǒng)的熱設計、三防設計、抗振設計）印制板的可靠性設計2/6/20232可靠性設計1.系統(tǒng)可靠性設計的內(nèi)容及其準則2/6/20233可靠性設計系統(tǒng)可靠性設計系統(tǒng)可靠性設計是為了在設計過程中挖掘、分析和確定系統(tǒng)或設備中的薄弱環(huán)節(jié)及其隱患，采取設計預防和改進措施，以清除薄弱環(huán)節(jié)和隱患，提高設備和系統(tǒng)的固有可靠性。2/6/20234可靠性設計系統(tǒng)可靠性設計的內(nèi)容一般包括：元器件的選擇和降額設計元器件的容差和漂移設計對高可靠性系統(tǒng)進行冗余設計環(huán)境保護設計、熱設計和三防設計抗振動、沖擊設計電磁兼容設計和防電磁泄漏設計可維性和可用性設計軟件可靠性設計系統(tǒng)可測試性設計容錯技術2/6/20235可靠性設計系統(tǒng)可靠性設計準則系統(tǒng)可靠性設計準則是把已有的、相似的設備或系統(tǒng)的工程經(jīng)驗和教訓總結起來，使其條理化、科學化、系統(tǒng)化，成為設計人員進行可靠性設計所遵循的原則和應滿足的要求。一般都是針對某個設備或系統(tǒng)的，也可以把各種型號的產(chǎn)品的可靠性設計準則的共性內(nèi)容綜合成某種類型的設備的可靠性設計準則。如軍用飛機控制系統(tǒng)和高可靠性計算機系統(tǒng)的準則，繼承了多年設備和系統(tǒng)的可靠性設計經(jīng)驗，貫徹規(guī)范化設計，將其綜合起來作為計算機應用系統(tǒng)可靠性準則，具有重要意義。2/6/20236可靠性設計系統(tǒng)可靠性設計準則可靠性設計準則，不僅可指導工程技術人員進行系統(tǒng)可靠性設計，而且在項目評審時可用于審查設計的合理性。如果設備或系統(tǒng)的設計方案與可靠性設計準則相符，說明該設備或系統(tǒng)的可靠性定性要求已經(jīng)滿足；如果因種種原因不能滿足可靠性設計準則，則需要對該設計方案提出疑問，并做進一步的研究和改進設計。制定可靠性設計準則是進行可靠性設計的重要依據(jù)；貫徹可靠性設計準則可以提高系統(tǒng)的固有可靠性；是使可靠性設計和性能設計相結合的有效方法；貫徹可靠性設計準則，其工程實用價值高，費用低；可靠性設計準則是各種工程經(jīng)驗、教訓的總結。2/6/20237可靠性設計系統(tǒng)可靠性設計準則系統(tǒng)可靠性設計準則的內(nèi)容簡化設計準則冗余設計準則耐環(huán)境設計準則熱設計準則降額設計準則元器件選擇與控制準則電磁兼容設計準則安全性設計準則人機工程設計準則采用新技術準則穩(wěn)定性設計準則2/6/20238可靠性設計2.元器件的降額設計2/6/20239可靠性設計降額設計的概念元器件的可靠性試驗表明，失效率將隨著工作電壓、環(huán)境溫度的增加而成倍地增加，降額設計就是使元器件或設備、系統(tǒng)工作時承受的工作應力適當降低于元器件或設備、系統(tǒng)規(guī)定的應力額定值的條件下工作，從而達到降低基本故障率、提高使用可靠性的目的。2/6/202310可靠性設計降額設計的機理對電子設備最有影響的應力包括電應力（電壓、電流、功率和頻率）、溫度應力（溫度、濕度）、機械應力（振動、沖擊）等。降額包括有意識地降低元器件所承受的應力和元器件的降額使用。如元器件承受突然的應力變化，如電壓波動等，應注意瞬時值也不應該超過額定值。同時也要考慮批量元器件可靠性參數(shù)的分布情況。過度降額并無益處。如金屬膜電阻器的基本故障率隨工作應力的變化。2/6/202311可靠性設計降額設計的主要考慮降額設計主要考慮三個問題：降額的基準值，即從什么樣的溫度、電應力值開始降額；降額尺度，即降額多少合適；降額效果。如薄膜電阻器的降額曲線。ABC曲線反映了該型電阻器降額的基準值I、II、III級降額曲線反映了不同的降額尺度降額效果可以通過對元器件的故障率預計模型獲得2/6/202312可靠性設計降額等級一般地，元器件的降額可分為三個等級I級降額，是最大程度地降額，適用于設備故障將會危及安全、導致任務失敗和造成嚴重的經(jīng)濟損失情況時的降額設計。它是保障設備可靠性所必需的最大降額，若采用比他還大的降額，不但設備可靠性不會增長多少，而且設計上難以接受。II級降額，是中等程度地降額，適用于設備故障將會使工作任務降級和發(fā)生不合理的維修費用情況下的降額設計。這級降額仍處于降低工作應力可對設備可靠性提高有明顯作用的范圍內(nèi)，它比I級降額易于實現(xiàn)。III級降額，是最小程度的降額，適用于設備故障只會對任務的完成有小的影響并易于修復的情況，這級降額的可靠性增長效果最大，設計上也不會有什么困難。2/6/202313可靠性設計降額標準對于數(shù)字電路，實際扇出系數(shù)與額定扇出系數(shù)之比應小于0.9。規(guī)定的電源電壓不能超出。一般電容器的電壓降額系數(shù)取為0.4-0.5，其失效率約為額定失效率的1/10。電阻器的功率降額系數(shù)取為0.5左右。對于開關及連接件，其電流降額系數(shù)應在0.5以下。如繼電器，指的是觸點電流降額。降額設計不能隨便用，降額不足或降額太大都可能出現(xiàn)危險。2/6/202314可靠性設計3.耐環(huán)境設計2/6/202315可靠性設計耐環(huán)境設計的內(nèi)容1971年，美國對機載電子設備全年發(fā)生的故障進行剖析，結果發(fā)現(xiàn)，50%以上的故障都與環(huán)境因素有關，其中，溫度、濕度、振動、沖擊造成的故障占44.69%。因此，為了提高系統(tǒng)可靠性和對各種環(huán)境的適應能力，需要進行耐環(huán)境設計。包括：抗氣候環(huán)境設計。即進行熱設計和三防設計?？箼C械環(huán)境設計，即抗振動、沖擊設計。抗輻射環(huán)境設計，即針對核輻射進行的防護設計?？闺姶鸥蓴_設計，即電磁兼容性設計。2/6/202316可靠性設計系統(tǒng)熱設計熱設計產(chǎn)生溫度是影響電子產(chǎn)品可靠性的一個重要環(huán)境因素。一般地,電子產(chǎn)品的故障率隨著環(huán)境溫度的增長呈指數(shù)增長。半導體元器件、尤其是集成電路對溫度最為敏感。除了故障率隨溫度的增加呈指數(shù)增長，耐壓值、漏電流、放大倍數(shù)等參數(shù)均是溫度的函數(shù)。熱設計的必要性與目的在航空航天等高科技產(chǎn)品中熱設計技術日益得到重視。對電子產(chǎn)品熱設計分析的目的是基于對系統(tǒng)熱交換過程的分析和熱場的計算或測量，從熱源、熱流、散熱等方面對電子產(chǎn)品進行熱控制，以達到減少參數(shù)漂移，保持電氣性能穩(wěn)定，提高產(chǎn)品可靠性的目的。2/6/202317可靠性設計系統(tǒng)熱設計——方法熱交換的途徑熱交換的方式主要有三種：熱傳導、熱對流、熱輻射。在固體材料內(nèi)部由于分子之間相互作用而產(chǎn)生的熱交換，稱之為熱傳導；在固體表面與流體表面之間的熱交換，稱之為熱對流；以電磁波傳播的形式由物體表面直線輻射出去的熱交換，稱之為熱輻射。2/6/202318可靠性設計系統(tǒng)熱設計——方法電子產(chǎn)品熱環(huán)境的影響因素電子產(chǎn)品在工作過程中都存在著各種能量（如電能、動能）向熱能的轉換，根據(jù)其發(fā)熱的多少形成大小不同的熱源。電子產(chǎn)品中熱源產(chǎn)生的方式一般有以下幾種：電能轉化為熱能機械摩擦產(chǎn)生熱能航空航天產(chǎn)品中的空氣動力加熱熱設計中，只考慮發(fā)熱量這個因素往往是不夠的，還必須考慮熱耗散密度問題。2/6/202319可靠性設計系統(tǒng)熱設計——方法電子產(chǎn)品常用的冷卻方法自然冷卻完全靠自然對流、傳導和輻射進行散熱，是最簡單、最經(jīng)濟的散熱方法，廣泛使用。散熱能力較差。強迫空氣冷卻采用風機進行吹氣或抽氣冷卻的方式，熱耗散能力較高。缺點是內(nèi)部污染問題，引入不干凈氣流和噪聲污染。冷板式冷卻比以上方式熱耗散能力都要高的方式。2/6/202320可靠性設計系統(tǒng)熱設計——方法元器件的布局與安裝除了要考慮元器件工作溫度的控制和元器件的自然散熱情況外，主要應考慮的問題是元器件的布局與安裝。主要原則有：發(fā)熱元器件的位置安排應盡可能分散；為盡量提高產(chǎn)品的可靠性，應使熱敏感元器件處于溫度最低區(qū)域；采用短通路，加大安裝面積，采用導熱率高的材料，盡量減少傳導熱阻；應采取措施使接觸面的熱阻降到最小。2/6/202321可靠性設計系統(tǒng)熱設計——方法機箱的熱設計機箱設計的任務是在保證設備承受外界各種環(huán)境和應力的前提下，采用各種必要的散熱手段，最大限度地把設備產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。在設計時，應根據(jù)設備的實際情況建立機箱與設備的熱模型，進行熱分析計算及溫度測試，改進方案優(yōu)化設計，使機箱的熱設計達到預期效果。機箱的形式主要有密封機箱、通風機箱和強制風冷通風機箱三種。2/6/202322可靠性設計系統(tǒng)熱設計熱分析手段進行電子產(chǎn)品熱分析的目的是確定電子產(chǎn)品及其組成部分的溫度及分布，并對熱設計的成果進行檢驗和優(yōu)化。獲得電子產(chǎn)品溫度場的途徑主要有數(shù)值分析計算和熱測量兩種方式。熱場的數(shù)值分析計算方法主要適用于產(chǎn)品的設計過程，此時尚無實物產(chǎn)品可供測量。采用熱測量的方式確定實物產(chǎn)品表面溫度及溫度場很方便，所得結果也較準確。2/6/202323可靠性設計系統(tǒng)熱設計熱分析手段BETAsoft可以對印刷電路板的熱效應進行準確，可靠的分析。通過確定印刷電路板的溫度及其梯度，器件和焊點的溫度，設計者可以方便地確定設計中潛在的散熱及可靠性問題。由于采用了局部變步長的有限元微分算法，與傳統(tǒng)的有限元算法相比，其計算速度大大提高。針對熱傳導，對流和輻射情況，BETAsoft可建立復雜的三維氣流與熱場模型，并考慮器件上是否加裝了散熱片，芯片風扇及導熱墊等散熱裝置。BETAsoft

的分析結果與實際測量誤差小于10%，可確保分析的準確性。2/6/202324可靠性設計系統(tǒng)熱設計熱分析手段2/6/202325可靠性設計系統(tǒng)三防設計“三防”是指對潮濕、鹽霧和霉菌的防護?！叭馈痹O計就是防潮濕、防鹽霧和防霉菌的設計，也包含防塵及其它腐蝕氣體。潮濕、鹽霧、霉菌和灰塵對系統(tǒng)可靠性的影響主要表現(xiàn)在使系統(tǒng)設備的絕緣性能降低、霉爛腐蝕和其他性能惡化或斷路失效。一般是：絕緣材料被水汽所濕潤，縫隙中侵入水汽后結露；高溫、高濕時霉菌容易生長，使器件變質(zhì)失效；金屬表面產(chǎn)生電化腐蝕和使氧化作用加?。粔m埃的堆積和水汽的濕潤會造成各種材料的腐蝕。2/6/202326可靠性設計系統(tǒng)三防設計潮濕使有機和無機材料受潮、發(fā)漲、變形，使金屬材料加速腐蝕，使絕緣材料絕緣性能降低甚至擊穿。鹽霧引起金屬電化學腐蝕，也使其絕緣電阻降低。氯氣、氨氣及二氧化硫等有害氣體與潮濕氣體結合，會產(chǎn)生酸、堿性氣體，加速金屬件的腐蝕作用，直接影響電子設備的絕緣性能。霉菌可使絕緣電阻大大降低，抗電強度降低，加速塑料老化、金屬材料腐蝕，破壞漆膜的保護作用。2/6/202327可靠性設計系統(tǒng)三防設計對潮濕、鹽霧、霉菌和灰塵的防護采用結構性防護、材料防護、隔離防護和工藝防護，即設計或選擇良好的預防結構，選用良好的防護材料和裝置，采用優(yōu)良的制造工藝和可靠的涂覆層或鍍層。具體有：采用元件密封、組件密封、零件涂覆等措施，防止腐蝕性氣體介質(zhì)與材料接觸，如用氣體、液體填充，實現(xiàn)全密封、硅覆蓋陶瓷等氣密性結構。通過排濕氣、冷卻方法消除潮濕、霉菌、鹽霧等影響，改善工作環(huán)境。采用不受潮濕、鹽霧、霉菌腐蝕的材料，如聚氨樹脂漆、有機硅漆等，以及采用對金屬可起防護作用的油漆、有機薄膜、電鍍構成防護層。對整機或系統(tǒng)采用加固式防護外殼。印制板電路和組件涂覆防潮材料。采用表面不易被破壞和防塵的結構，密封或灌封是有效的三防措施。2/6/202328可靠性設計系統(tǒng)抗振動、沖擊設計振動、沖擊對系統(tǒng)可靠性的影響機械振動沖擊對系統(tǒng)的可靠性也會產(chǎn)生影響，該類振動包括變頻振動、線性加速等沖擊。在系統(tǒng)設備中，振動、沖擊會造成元器件變形，接觸不良，嚴重的還會造成元器件損壞。因此，進行抗振動沖擊設計，就是在設計上采用各種有效措施，減輕機械環(huán)境對系統(tǒng)設備可靠性的影響。2/6/202329可靠性設計系統(tǒng)抗振動、沖擊設計抗振動、沖擊的措施消除相關振源消除設備內(nèi)外的相關振源是設備振動與沖擊防護的主要措施。提高結構剛度，防止低頻激振設備的振動特性由其質(zhì)量、剛度和阻尼特性確定。當激振頻率較低時，在不增加質(zhì)量和改變阻尼特性的情況下，通過提高結構剛度，來提高設備及元器件的固有頻率與激振頻率的比值，達到防振的目的。采用隔離措施，防止高頻激振當激振頻率較高時，通過提高結構的剛度等措施來改變設備的振動特性不可取，這時可在設備和傳遞振動的基礎結構之間采取隔離措施（如安裝減振器）。2/6/202330可靠性設計系統(tǒng)抗振動、沖擊設計抗振動、沖擊的措施采用去耦措施，優(yōu)化固有頻率振動過程中，印制板及其所裝配的元器件之間會出現(xiàn)相互振動耦合，從而使設備的固有頻率分布很寬，容易與外界激振產(chǎn)生共振。這時可用硅橡膠封裝整個印制板組件，使之成為一個整體，消除元器件與印制板之間的相互振動耦合，使設備的固有頻率分布變窄，達到不易共振的目的。阻尼減振技術可以采用粘彈阻尼材料粘貼或噴涂在需要減振的結構上進行減振。采用阻尼減振技術，可以達到在不增加設備質(zhì)量和提高系統(tǒng)剛度的情況下，提高設備的振動防護能力。2/6/202331可靠性設計系統(tǒng)抗振動、沖擊設計具體措施在結構設計上，應盡量提高產(chǎn)品的耐振能力，它與產(chǎn)品的重量、剛度和安裝布局均有密切的關系。減輕重量有利于產(chǎn)品耐振，但有一定的限制，主要應保證產(chǎn)品有足夠的剛度。對于系統(tǒng)的框架結構，既要保證穩(wěn)定可靠，又要保證使用靈活。必要部位都應加裝彈簧墊圈。結構布局應利于耐振，重量分布應當均勻，重心位置應居于設備中心，較重的物體應盡量靠近整機中心位置。2/6/202332可靠性設計系統(tǒng)抗振動、沖擊設計具體措施對于電子元器件，應當注意防止斷線、斷腳或拉脫焊點等故障。對電容、電阻或二極管等，一般應該臥裝。對較重的元器件及印制板都應采用固定結構?？刹捎铆h(huán)氧樹脂粘接、加卡或緊固螺釘。導線、線束及電纜應進行綁扎，分段固定。可調(diào)電位器使用方便，但盡量少裝，調(diào)整后應鎖緊，固定阻值。2/6/202333可靠性設計系統(tǒng)抗振動、沖擊設計具體措施采用局部或整機灌封結構是提高耐震能力的有效辦法，同時，也有利于三防，但不利于散熱，且會導致重量增加，不便維修等。2/6/202334可靠性設計4.印制板的可靠性設計2/6/202335可靠性設計印制板可靠性設計的目的PCB可靠性設計的目的，是為了實現(xiàn)PCB良好地散熱和電磁兼容性，保證PCB上的元器件和功能電路工作可靠。為了提高PCB裝配的可靠性，必須在結構選材、元器件及電路布局和制造工藝等方面滿足電路性能要求。PCB裝配板常出現(xiàn)的失效模式有：信號干擾、印制線剝落和銹蝕、元器件引線蝕斷、耐用沖擊性能差、接插件斷開、電暈打火、板面翹曲及元器件損壞等。2/6/202336可靠性設計印制板可靠性提高的措施覆銅箔印制板的選擇印制板按結構形式分為：單面印制電路板雙面印制電路板多層印制電路板撓性印制電路板平面印制電路板根據(jù)覆銅箔板材料不同可分為：酚醛紙基覆銅箔板(紙銅箔板)環(huán)氧酚醛玻璃布覆銅箔板(布銅箔板)環(huán)氧玻璃布覆銅箔板聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板2/6/202337可靠性設計印制板可靠性提高的措施類型工作溫度范圍特點覆銅箔環(huán)氧酚醛玻璃布層壓板小于100℃適用于制作工作頻率較高的電子/電器設備中的印制板覆銅箔環(huán)氧玻璃布層壓板可達130℃透明性好，適用于制作電子/電器設備中的印制板覆銅箔聚四氟乙烯玻璃布層壓板可在200℃下長期工作介質(zhì)損耗小、介電常數(shù)低，價格昂貴，適用于制作國防尖端產(chǎn)品和高頻微波設備中的印制板常用覆銅箔層壓板的工作溫度范圍和特性表2/6/202338可靠性設計印制板可靠性提高的措施覆銅箔印制板的選擇實際中，基板的選材應依據(jù)整機的性能指標，使用條件（如氣候、電氣環(huán)境、化學條件酸堿度等）以及經(jīng)濟性，否則可能會影響電路正常穩(wěn)定工作或者造成浪費。對于高壓電路，應選用具有良好高壓絕緣性能的板材。如果選用絕緣性能差的酚醛紙基覆銅箔板，則可能會造成基板擊穿打火而產(chǎn)生火花放電干擾，嚴重時可能碳化短路；高頻電路要選擇高頻損耗小的基板，如聚四氟乙烯板。如果選用高頻特性差的酚醛板，將會由于高頻損耗過大而影響電路高頻性能；一般的低頻低壓及民用電路，則要求基板經(jīng)濟性好，價格低廉，如果選用成本較高的玻璃布板，則會造成不必要的浪費。2/6/202339可靠性設計印制板可靠性提高的措施覆銅箔印制板的選擇以袖珍晶體管收音機為例，由于機內(nèi)線路板本身尺寸小，印制板線條寬度較大，使用環(huán)境良好，整機售價較低，因此在選材上應十分注意考慮價格因素，故選用酚醛紙質(zhì)基板即可，而沒必要選用高性能的環(huán)氧玻璃布基板。在微型計算機等高檔電子產(chǎn)品中，由于元器件密度高，印制導線窄，板面尺寸大，線路板制造費用只占整機成本的一個很小的比例，所以在設計選材時，應以覆銅板的各項技術性能作為考慮因素，不能片面追求成本低廉。

2/6/202340可靠性設計印制板可靠性提高的措施印制板裝配的散熱印制板的散熱主要是設法將印制板及印制線上安裝的元器件工作時產(chǎn)生的熱量散布出去。選用厚度大的印制線，以利于導熱和自然對流散熱。應減少元器件引線腳與印制線間的熱阻。當元器件的發(fā)熱密度過大，單靠元器件引線腳和元器件本身不足以充分散熱時，可采用散熱網(wǎng)、匯流條、散熱管等措施，以增加元器件的熱傳導。若元器件的發(fā)熱密度非常高，可考慮安裝散熱器，并在元器件、散熱材料和散熱器之間涂抹導熱膏。對于安裝密度較高，采用上述措施后還不能充分散熱時，應采用導熱性能好的PCB，如金屬基底印制板和陶瓷基底印制板。2/6/202341可靠性設計印制板可靠性提高的措施元器件的布局設計印制電路板不僅僅是簡單地將各個元器件之間用印制導線連接起來，更重要的是應當考慮電路的特點和要求。如高頻電路對于低頻電路的影響，各元器件之間是否會產(chǎn)生有害的干擾，以及熱傳遞等方面的影響等。由于布局不正確帶來的分布參數(shù)的影響也不可以忽略，所以在設計印制電路板時應當充分考慮元器件的擺放位置。

2/6/202342可靠性設計印制板可靠性提高的措施元器件的安裝技術為了提高PCB裝配板的耐振動和沖擊的性能，元器件的安裝應有一定的措施。靜電敏感器件的安裝在等電位工作臺上進行，以免靜電損壞器件。對大電流器件（如整流二極管），其引腳有散熱作用，不可過短，也不宜套上絕緣管。必須保證焊接質(zhì)量，消除虛焊。焊接處的清潔是保證焊接質(zhì)量的首要條件。焊接組裝完畢后，需要進行檢查和清洗。表面貼裝技術的應用2/6/202343可靠性設計印制板可靠性提高的措施布線原則不相容的地線分別布置。為了防止公共地線阻抗耦合干擾，對不相容的地線如大電流與小電流、高頻與低頻、模擬與數(shù)字、不同電源電壓的地線應分別布置。對于單、雙面板而言，常采用軌線作為地線。為了減小其阻抗，應使之盡量加粗，但當干擾頻率很高時，地線上的干擾電壓仍可能加大，所以要采用分地的方法防止不同地回路間干擾互相影響。另外對雙面板或多層板可采用大面積接地或?qū)⒁幻孀鳛榈鼐€層，這時的地線電感量就變得很小。在分地過程中，還應注意的是不相容電路的回路不要有公共部分。同時應當在適當位置上連接起來。

2/6/202344可靠性設計印制板可靠性提高的措