电子设备的可靠性设计Word文件下载.docx

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对电子设备的操纵要求,原则上可归纳为以下几点:

（1）为操纵者创造良好的工作条件.例如:

设备不会产生令人厌恶的噪声,且色彩调和给人以好感,安装位置适当,能令操作者精神安宁,注意力集中,从而提高工作质量.

（2）设备操作简单,能很快地进入工作状态,不需要很熟练的操作技术.

（3）设备安全可靠,有保险装置.当操纵者发生误操作时,应不会损坏设备,更不能危及人身安全.

（4）控制机构轻便,尽可能减少操纵者的体力消耗.指示系统清晰,便于观察,且长时间观察不易疲劳,也不损伤视力.

从维护方便的角度出发,对结构设计提出以下要求:

（1）在发生故障时,便于打开维修或能迅速更换备用件.如采用插入式和折叠式结构,快速装拆结构以及可换部件式结构等.

（2）可调组件,测试点应布置在设备的同一面;

经常更换的元器件应布置在易于装拆的部位;

对于电路单元应尽可能采用印制板并用插座与系统连接.

（3）元器件的组装密度不宜过大,即体积填充系数在可能的条件下应取得低一些（一般最好不超过0.3）,以保证元器件间有足够的空间,便于装拆和维修.

（4）设备应具有过负荷保护装置（如过电流,过电压保护）,危险和高压处应有警告标志和自动安全保护装置（如高压自动断路门开关）等,以确保维修安全.

（5）设备最好具备监测装置和故障预报装置,能使操纵者尽早地发现故障或测试失效元器件,及时更换维修,以缩短维修时间,防止大故障出现.

2.1.3生产方面

1.生产条件对电子设备的要求

任何电子设备在它的研制之后都要投入生产.生产厂的设备情况,技术和工艺水平,生产能力和生产周期以及生产管理水平等因素都属于生产条件.设备若要顺利地投产,必须满足生产条件对它的要求,否则就不可能生产优质的产品,甚至根本无法投产.

生产条件对产品的要求一般有以下几个方面:

（1）设备中的零部件,元器件,其品种和规格应尽可能少,尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品.因为这样便于生产管理,有利于提高产品质量,降低成本.

（2）设备中的机械零部件必须具有较好的结构工艺性,能够采用先进的工艺方法和流程.

（3）设备中的零部件,元器件及其各种技术参数,形状,尺寸等,应最大限度地标准化和规格化;

还应尽可能采用生产厂家以前曾经生产过的零部件,充分利用生产厂家的先进经验,使产品具有继承性.

（4）设备所使用的原材料的品种规格越少越好,应尽可能少用或不用贵重材料,立足于使用国产材料和来源多,价格低的材料.

（5）设备（含零部件）的加工精度要与技术条件要求相适应,不允许无根据地追求高精度.在满足产品性能指标的前提下,其精度等级应尽可能低,装配也应简易化,尽量不搞选配和修配,力求减少装配工人的体力消耗,便于自动流水生产.

2.经济性对电子设备的要求

电子设备的经济性有两方面的内容:

使用经济性和生产经济性.使用经济性包括设备在使用,贮存和运输过程中所消耗的费用.

为了提高产品的经济性,在设计阶段就应充分考虑以下几个方面:

（1）研究产品与零部件技术条件,分析产品设计参数,研讨和保证产品性能和使用条件,正确制定设计方案,这是产品经济性的首要环节.

（2）根据产量确定产品结构形式和产品类型.产量的大小决定着生产批量的规模,生产批量不同,其生产方式类型也不同,因而其生产经济性也不同.

（3）运用价值工程观念,在保证产品性能的条件下,按最经济的生产方法设计零部件.在满足产品技术要求的条件下,选用最经济合理的原材料和元器件,以求降低产品的生产成本.

（4）全面构思,周密设计产品的结构,使产品具有良好的操纵维修性能和使用性能,以降低设备的维修费用和使用费用.

2.2电子元器件的选用

2.2.1电子元器件的选用准则

电子元器件选用时应遵循下列原则:

（1）根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适的元器件,元器件的技术条件,技术性能,质量等级等均应满足设备工作和环境的要求,并留有足够的裕量.

（2）优先选用经实践证明质量稳定,可靠性高,有发展前途的标准元器件,不选用淘汰和禁用的元器件.

（3）应最大限度地压缩元器件的品种规格,减少生产厂家,提高它们的复用率.

（4）除特殊情况外,所有电子元器件应按不同的要求经过必要的可靠性筛选后,才能用到产品中.

（5）优先选用有良好的技术服务,供货及时,价格合理的生产厂家的元器件.对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定.

（6）仔细分析比较同类元器件在品种,规格,型号和制造厂商之间的差异,择优选用.要注意统计在使用过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据,作为以后选用的依据.

2.2.2电子元器件的主要技术参数

1.电阻器的主要技术参数

（1）标称阻值和允许偏差.标称阻值是指电阻器上所标示的名义阻值,所有标称阻值都必须符合标称阻值系列.常用的标称阻值有E6,E12和E24系列,如表2.1所示.实际阻值与标称阻值的相对误差称为允许偏差.普通电阻的允许偏差有Ⅰ级（±

5%）,Ⅱ级（±

10%）和Ⅲ级（±

20%）,精密电阻允许偏差要求更高,如±

2%,±

1%,±

0.5%～±

0.001%等.

表2.1电阻器标称阻值系列

（2）额定功率.电阻器的额定功率是指在正常大气压力及额定温度条件下,在电阻器的使用过程中电阻器所能承受而不致将其烧毁的最大限度功率值.它是根据电阻器本身的阻值以及所通过的电流和其两端所加的电压来确定的,是选择电阻器的主要参数之一.常用电阻器额定功率的系列值如表2.2所示.

表2.2常用电阻器额定功率的系列值

（3）温度系数.温度系数是指温度每升高或降低1℃所引起的电阻值的相对变化.温度系数越小,电阻器的稳定性就越好.

2.电容器的主要技术参数

（1）标称容量和允许偏差.电容器标称容量及允许偏差的基本含义同电阻一样,标称容量越大,电容器贮存电荷的能力就越强.

（2）耐压值（额定工作电压）.耐压值是指在允许的环境温度范围内,电容器在电路中长期可靠地工作所允许加的最大直流电压或交流电压的有效值.在选择电容器时,电容器的耐压值应该大于实际工作承受的电压,否则电容器中的介质会被击穿造成电容器的损坏.常用的耐压系列值如下所示（单位:

V）:

（3）绝缘电阻.绝缘电阻是指电容器两极之间的电阻,也称漏电阻.一般电容器绝缘电阻在108～1010Ω之间,电容量越大绝缘电阻就越小,所以不能单凭所测绝缘电阻值的大小来衡量电容器的绝缘性能.

3.半导体二极管的主要技术参数

（1）最大正向电流IF.最大正向电流是指长期运行时晶体二极管允许通过的最大正向平均电流.

（2）反向饱和电流Is.反向饱和电流是指二极管未击穿时的反向电流值.反向饱和电流主要受温度影响,该值越小,说明二极管的单向导电性越好.

（3）最大反向工作电压URM.最大反向工作电压指正常工作时,二极管所能承受的反向电压最大值.

（4）最高工作频率fM.最高工作频率指晶体二极管能保持良好工作性能条件下的最高工作频率.

4.半导体三极管的主要技术参数

（1）交流电流放大系数.交流电流放大系数包括共发射极电流放大系数（β）和共基极电流放大系数（α）.它是表明晶体管放大能力的重要参数.

（2）集电极最大允许电流ICM.集电极最大允许电流指放大器的β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流值,或者说集电极电流所能达到的晶体三极管允许的极限值.

（3）集电极最大允许耗散功率PCM.集电极最大允许耗散功率是指集电极因受热而引起晶体三极管的参数变化不超过规定允许值时,集电极所能消耗的最大功率,或者说晶体管集电极温度升高到不致将集电结烧毁所消耗的最大功率.

（4）集-射间反向击穿电压（UCEO）.集-射间反向击穿电压指三极管基极开路时,集电极和发射极之间允许加的最高反向电压.

5.集成电路的主要技术参数

1）TTL"

与非门"

集成电路的主要静态参数

（1）输出高电平UOH.输出高电平UOH是指输入端有一个（或几个）为低电平时的输出电平.UOH典型值约为3.6V.

（2）输出低电平UOL.输出低电平UOL是指在电路输出端接有额定负载（通常规定为带八个同类型的与非门负载）时,电路处于饱和导通状态时的输出电压.UOL一般应小于或等于0.35V.

（3）输入短路电流IIS.输入短路电流IIS是指当任何一个输入端接地而其余输入端悬空时,流过该输入端的电流值.IIS应小于1.5mA,且越小越好.

（4）输入漏电流IIH.输入漏电流IIH是指在电路中,当任一输入端接高电平,其余输入端接地时,流过接高电平输入端的电流.IIH应小于70μA,且越小越好.

（5）开门电压UON.开门电压UON是指在电路输出端接有负载（通常规定为带八个同类型的与非门负载）时,使输出电压为低电平时的最小输入电压.一般UON应小于或等于1.8V,典型值为1.4V.

（6）关门电压UOFF.关门电压UOFF是指输出电压值下降到规定值（即UON）的90%时的输入电压.一般UOFF应小于或等于0.8V,典型值为1V.

2）数字集成电路的主要动态参数

（1）平均传输延迟时间tpd.平均传输延迟时间是数字集成电路的一个重要动态参数.当门电路工作时,若输入一个脉冲信号,则输出脉冲会有一定的时间延迟,如图2.1所示.

（2）导通延迟时间trd.导通延迟时间是从输入脉冲上升沿的50%起,到输出脉冲下降沿的50%为止这段时间间隔.

（3）截止延迟时间tfd.截止延迟时间是从输出脉冲下降沿的50%起,到输出脉冲上升沿的50%为止这段时间间隔.

图2.1数字集成电路的动态参数

3）运算放大器的主要参数

（1）开环电压增益Aud.开环电压增益Aud是指运算放大器处于开环状态并且没有外部反馈时,其输出（直流）电压增量与输入（直流）差模电压增量之比,即Aud=ΔUo/ΔUi=Uo/Ui.

（2）共模抑制比CMRR.差模输入是指把输入信号电压加在运算放大器的两个输入端之间.

（3）输入偏置电流IB.输入偏置电流IB是指运算放大器在没有输入信号时,流入双极型晶体管的基极电流或场效应晶体管的栅极漏电流.一般规定IB值是流入两个输入端的输入偏置电流之和的一半.

（4）输入失调电流IOS.输入失调电流IOS是指当输入信号为零时,运算放大器的两个输入端的偏置电流的差值,即IOS=｜IB-｜-∣IB+∣.由于信号源内阻的存在,IOS会引起一输入电压变化,从而破坏运算放大器的平衡,使其输出电压值不为零,因此,要求IOS愈小愈好.

（5）输入失调电压UOS.在运算放大器的两个输入端上外加一直流补偿电压,以使其输出端为零电位,则外加的补偿电压就是输入失调电压UOS.UOS愈小,运算放大器的电路对称程度愈好.

2.2.3电子元器件的降额使用

元器件失效的一个重要原因是由于它工作在允许的应力水平之上.因此为了提高元器件可靠性,延长其使用寿命,必须有意识地降低施加在元器件上的工作应力,以使实际使用应力低于其规定的额定应力.对元器件有影响的应力有:

时间,温度,湿度,腐蚀,机械应力（直接负荷,冲击,振动等）和电应力（电压,电流,频率等）等.

1.电阻器的降额使用

电阻器按其功能可分为固定电阻器,电位器,热敏电阻器等.对于固定电阻器和电位器而言,影响其可靠性的最重要应力为电压,功率和环境温度;

对于热敏电阻而言,影响其可靠性的应力则主要是功率和环境温度.

2.电容器的降额使用

影响电容器可靠性的最重要应力是电压和环境温度.对于固定纸/塑料薄膜电容器而言,在应用时,交流峰值电压与直流电压之和不得超过其额定值.

3.半导体器件降额使用

可按GJB/Z35《电子元器件降额准则》对半导体器件合理地降额使用.需要降额的主要参数是结温,电压和电流.

半导体器件的降额系数S取0.5以下,温度低于50℃.锗管还要低一点.不同的半导体器件,S的定义不一样.

晶体二极管的S为平均正向工作电流与25℃时的最大额定正向电流之比.

晶体三极管的S为实际功率与25℃时的最大额定功率之比.

稳压管的S为实际耗散功率与25℃时最大额定功率之比.

光电器件的S为实际耗散功率与25℃时最大额定功率乘以与最大允许结温有关的修正系数之比.

表2.3列出了常用元器件的推荐降额范围.

表2.3常用元器件的推荐降额范围

2.2.4电子元器件的检验与筛选

电子元器件的质量是电子产品可靠性的重要保证,因此,在电子设备整机装配前,应按照整机技术要求对元器件进行质量检验和筛选,不符合要求的元器件不得装入整机.

1.元器件的外观检查

外观检查时,首先要查对元器件的型号,规格和出厂日期是否符合整机技术条件要求,没有合格证明的元器件不得使用.

外观检查的主要内容如下:

（1）元器件外观是否完整无损,标记是否清晰,引线和接线端子是否无锈蚀和明显氧化.

（2）电位器,可变电容器和可调电感器等组件调节时是否旋转平稳,无跳变和卡死现象.

（3）接插件是否插拔自如,插针,插孔镀层是否光亮,无明显氧化和沾污.

（4）胶木件表面是否无裂纹,起泡和分层.瓷质件表面是否光洁平整,无缺损.

（5）带有密封结构的元器件,密封部件是否损坏和开裂.

（6）镀银件表面是否光亮,无变色发黑现象.

2.元器件的筛选和老化

筛选和老化的目的是剔除因某种缺陷而导致早期失效的元器件,从而提高元器件的使用寿命和可靠性.因此,凡有筛选和老化要求的元器件,在整机装配前必须按照整机产品技术要求和有关技术规定进行严格的筛选和老化.

下面对半导体二极管,三极管和集成电路的筛选和老化的技术要求作简单介绍.

1）半导体二极管,三极管的筛选

（1）筛选程序如下:

①二极管（此处列举的是整流二极管）:

高温贮存→温度冲击→敲击→功率老化→高温测反向漏电流→常温测试→检漏→外观检查.

②三极管:

高温贮存→温度冲击→跌落（大功率管不做）→高温反偏（硅PNP管做）→功率老化→高低温测试（必要时做）→常温测试→检漏→外观检查.

（2）筛选条件及要求如下:

①高温贮存的要求为:

贮存温度:

硅二极管为150±

3℃;

硅三极管为175±

锗二极管,三极管为100±

2℃.

贮存时间:

A级为48小时,B级为96小时.

②温度冲击的要求为:

锗器件:

-55±

3℃～85±

2℃

硅器件:

3℃～125±

3℃

③敲击.在专用夹具上用小锤敲击器件,并用图示仪监视最大工作电流正向曲线.

④功率老化.在常温下,按技术要求（例如:

整流二极管最大电流不大于1A时,按额定电流的1.5倍老化;

最大电流大于1A时,可按额定电流老化）通电老化.

⑥高温测试.其试验温度的要求为:

锗二极管为70±

2℃,锗中小功率三极管为55±

2℃,锗大功率管为75±

2℃,硅二极管,三极管为125±

3℃,恒温时间为30分钟.

⑦低温测试.其试验温度为-55±

⑧常温测试.常温测试按技术文件规定进行.

⑨检漏.检漏按技术文件规定进行.

2）半导体集成电路的筛选

对于半导体集成电路等组件,也要按照技术要求,凡有筛选要求的都要进行筛选.

（1）高温贮存.高温贮存的作用是通过高温加热来加速任何可能发生或存在的表面化学反应,使电路稳定,剔除潜在的失效电路.

贮存条件:

温度为150～175±

5℃,贮存时间为48小时或96小时.150℃适用于环氧扁平封装的电路,175℃适用于其他材料封装的电路.

（2）温度循环.温度循环能检验电路内不同结构材料的热胀冷缩是否匹配.

循环条件:

温度范围为-55±

3～125±

3℃.先低温后高温,每种温度下保持30分钟,交替时间小于1分钟,交替次数不少于5次.

（3）离心加速度.离心加速度试验可使电路内部焊点不牢,装片或封装不佳,管壳及硅片存在潜在裂纹等缺陷易于暴露.

试验条件:

质量小于15g的电路可施加外力20kg,质量大于15g的电路施加外力5kg.沿电路三个轴向,各试验1分钟.

（4）跌落.有时可以用跌落的方法代替离心加速度的筛选方法.

（5）高温功率老化.老化条件:

温度为125±

3℃,时间为168小时或96小时.亦可把温度提高到150±

3℃,进行24小时老化.

（6）高温测试.测试条件:

温度为-40±

3℃和-55±

3℃,各保持30分钟,测试电参数.

（8）电路输入,输出特性检查.在室温下分别对电路每一个输入,输出端的PN结加反向电压,观察其特性曲线有无显示击穿现象.击穿电压应大于7V,漏电流应小于10μA.

2.3电子设备的可靠性防护措施

2.3.1电子设备的散热防护

温度是影响电子设备可靠性最广泛的一个因素.电子设备工作时,其功率损失一般都以热能形式散发出来,尤其是一些耗散功率较大的元器件,如电子管,变压器,大功率晶体管,大功率电阻等.另外,当环境温度较高时,设备工作时产生的热能难以散发出去,将使设备温度升高.

1.电阻器的散热措施

1）温度对电阻器的影响

温度升高会使电阻使用率下降,导致其寿命降低.如RTX型碳膜电阻,当环境温度为40℃时,允许的使用功率为标称值的100%;

环境温度增至100℃时,允许使用功率仅为标称值的20%.另外,温度过高能使噪声增大.温度变化同样会使阻值变化,温度每升高或降低10℃,其阻值大约变化1%.

2）电阻器散热的一般方法

电阻的温度与其形式,尺寸,功率损耗,安装位置以及环境温度等因素有关.一般情况下,电阻是通过引出线的传导和本身的对流,辐射来散热的.电阻器散热的一般考虑有:

（1）大功率电阻器应安装在金属底座上,以便散热.

（2）不许在没有散热的情况下,将功率电阻器直接装在接线端或印制板上.

（3）功率电阻器尽可能安装在水平位置.

（4）引线长度应短些,使其和印制电路板的接点能起散热作用;

但又不能太短,且最好稍弯曲,以允许热胀冷缩.如用安装架,则要考虑其热胀冷缩的应力.

（5）当电阻器成行或成排安装时,要考虑通风的限制和相互散热的影响,并将其适当组合.

（6）在需要补充绝缘时,需考虑散热问题.

2.半导体分立器件的散热措施

1）温度对半导体分立器件的影响

半导体器件对温度反应很敏感,过高的温度会使器件的工作点发生漂移,增益不稳定,噪声增大和信号失真,严重时会引起热击穿.因此,通常半导体器件的工作温度不能过高,如锗管不超过70～100℃;

硅管不超过150～200℃.表2.4列出了常用元器件的允许温度.

表2.4常用元器件允许温度

2）半导体分立器件散热的一般考虑

（1）对于功率小于100mW的晶体管,一般不用散热器.

（2）大功率半导体分立器件应装在散热器上.

（3）散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装,以便于自然对流.散热器上有多个肋片时,应选用肋片间距大的散热器.

（4）半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小,应尽量增大接触面积,接触面保持光洁,必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片,借助于合适的紧固措施保证紧密接触.

（5）散热器要进行表面处理,使其粗糙度适当并使表面呈黑色,以增强辐射换热.

（6）对于热敏感的半导体分立器件,安装时应远离耗散功率大的元器件.

（7）对于工作于真空环境中的半导体分立器件,散热器设计时应以只有辐射和传导散热为基础.

3）散热器

常用的散热器大致有:

平板形,平行肋片形,叉指形,星形等,如图2.2（a）～（d）所示.

图2.2散热器形状

（a）平板形;

（b）平行肋片形;

（c）叉指形;

（d）星形

3.变压器的散热措施

1）温度对变压器的影响

温度对变压器的影响除降低其使用寿命外,绝缘材料的性能也将下降.一般情况下,变压器的允许温度应低于95℃.

2）变压器散热的一般考虑

（1）不带外罩的变压器,要求铁心与支架,支架与固定面都要良好接触,使其热阻最小.

（2）对有外罩的变压器,除要求外罩与固定面良好接触外,可将其垫高并在固定面上开孔,形成对流,如图2.3所示.

（3）变压器外表面应涂无光泽黑漆,以加强辐射散热.

图2.3变压器的散热

4.集成电路的散热措施

集成电路的散热,主要依靠管壳及引线的对流,辐射和传导散热,如图2.4所示.当集成电路的热流密度超过0.6W/cm2时,应装散热装置,以减少外壳与周围环境的热阻.

图2.4集成电路的散热

5.电子设备整机的散热措施

1）机壳自然散热

机壳是接受设备内部热量并将其散到周围环境中去的机械结构.机壳散热措施一般考虑如下:

（1）选择导热性能好的材料做机壳,加强机箱内外表面的热传导.

（2）在机壳内,外表面涂粗糙的黑漆,以提高机壳热辐射能力.

（3）在机壳上合理地开通风孔,以加强气流的对流换热能力.

图2.5为常见的通风口形式.图（a）为最简单的冲压而成的通风孔;

图（b）为通风孔较大时用金属网遮住洞口的形式;

图（c）为百叶窗式通风孔.

图2.5散热器通风口形式

2）印制板的热设计

从有利于散热的角度出发,印制板最好是直立安装,板与板之间的距离一般不要小于2cm,而且元器件在印制板上的排列方式应遵循如下规则:

（1）对于采用对流空气冷却方式的设备,最好是将集成电路（或其他元器件）按纵长方式排列,如图2.6（a）所示;

对于采用强制空气冷却（风扇冷却）的设备,则应按