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(jìn)英吉利海峽,。由此德國提出并運(yùn)用了串聯(lián)模型得出火箭系統(tǒng)可靠度，成為*個運(yùn)用系統(tǒng)可靠性理論的飛行器,。當(dāng)時美國誨軍統(tǒng)計,，運(yùn)往遠(yuǎn)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(jī)2.1萬架，是被擊落飛機(jī)的1.5倍,。由此,，引起人們對可靠性問題的認(rèn)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(diǎn)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《軍用電子設(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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(jī)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(jìn)行信息交流,，采用嚴(yán)格降額設(shè)計,、熱設(shè)計等可靠性設(shè)計，強(qiáng)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(jī)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(biāo)是到2000年實(shí)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(jì)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(jī)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(diǎn)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(dá)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(biāo)預(yù)計

　　產(chǎn)品可靠性指標(biāo)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(jìn)行這項工作,?？煽啃灾笜?biāo)預(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(jìn)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(biāo),、投標(biāo)確定可靠性指標(biāo)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(jìn)行預(yù)計有時無法進(jìn)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(jìn)行預(yù)計結(jié)果偏保守,；
4. 用這兩種手冊進(jìn)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(fèi)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(shí)踐效果很好，達(dá)到快速,、準(zhǔn)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(jī)）為NCWA,，適用于單板模塊單元為NCWB。


可靠性指標(biāo)分配

　　可靠性指標(biāo)分配是為了把系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)按照一定的準(zhǔn)則分配給系統(tǒng)各組成單元而進(jìn)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,。可靠性分配方法有很多,，經(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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jī),、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(jī)械環(huán)境,。雖然家用電器在使用過程中沒有經(jīng)受什么機(jī)械環(huán)境，但在產(chǎn)品出廠后經(jīng)過運(yùn)輸,、搬運(yùn)過程,，仍然承受機(jī)械環(huán)境。機(jī)械環(huán)境對電子設(shè)備影響是比較嚴(yán)重的,。

　　經(jīng)驗證明,，在各種機(jī)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(dá)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(hù)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(hù)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(jìn)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(hù)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(yùn)行不穩(wěn)定,，如程控數(shù)字交換機(jī)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(zhǔn)電位,，保證電路功能的順利實(shí)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(yuǎn)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(dāng)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(hù)

　　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(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡,，就形成了靜電,。當(dāng)物體表面的靜電場梯度大到一定的程度，正電荷和負(fù)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(yán)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(dá)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)設(shè)計

　　對雷電防治原則是“綜合治理,，整體防御，多重保護(hù),，層層設(shè)防”,。運(yùn)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(hù)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(hù)分為一級保護(hù)和二級保護(hù)。一級保護(hù)的機(jī)理是等電位連接,。通訊設(shè)備附近的金屬構(gòu)件如水管,、燃?xì)夤?、走線架、走線槽以及設(shè)備的金屬機(jī)殼等接等電位連接棒,；信號線端口和電源線端口通過保護(hù)器件等電位連接棒,。當(dāng)遭受雷擊時，保護(hù)器件動作,，端口與金屬機(jī)殼和機(jī)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(jī)殼和機(jī)房內(nèi)的金屬構(gòu)件的電位差卻很小。二級保護(hù)的機(jī)理是接地泄放,，即通過雷擊浪涌保護(hù)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(hù)電路和器件免遭損壞,。


環(huán)境防護(hù)設(shè)計

　　環(huán)境條件是指產(chǎn)品在貯存,、運(yùn)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(hù)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(hù)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(hù),。環(huán)境防護(hù)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(hù)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(dāng)空氣相對濕度大于80%時，很多電子設(shè)備中的有機(jī)及無機(jī)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(dāng),，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(jìn)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(hù)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(diǎn)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(xì)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(jìn)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(jìn)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。