元器件可靠性应用与电路可靠性设计-应用可靠性基础

第1章应用可靠性基础
主讲：庄奕琪
元器件可靠性应用与电路可靠性设计

1.1 可靠性概念
1.2 可靠性表征
1.3 可靠性技术概要
1.4 应用可靠性

本章概要
1.1 可靠性概念什么是元器件？
元器件：电子与电气系统的基础产品，如半导体器件、集成电路、阻容元件、变压器、继电器、电缆等零部件：机械系统的基础产品，如螺栓、螺帽、轴承、销子、弹簧、软管、齿

轮、密封件等装备：由各种元器件、零部件组装而成的具有独立功能的系统产品，如一台电子设备、一颗卫星、一架飞机、一艘潜艇等

1.1 可靠性概念元器件的分类
5962 微电路（不包括含PCB的电子模块）
5961 半导体(分立)器件
5960 电真空器件(不包括灯泡)
5980 光电子器件(LED，LCD)
5955 压电晶体(谐振器和振荡器)
5905 电阻器(固定电阻器和电位器，不包括电阻丝)
5910 电容器(固定电容器和可调电容器)
5950 线圈(电感器)和变压器
5945 继电器(不包括接触器)
5990 电机
6140 电池（可充电池和蓄电池)
5935 电连接器
5930 开关依据GJB832-90《军用标准文献分类法》

可靠性
可靠性：在规定时间内、规定条件下产品完成规定功能的能力失效或故障：在规定时间内、规定条件下产品失去了规定的功能。可修复产品为故障，不可修复（如微电路）产品为失

效规定时间平均工作（储存）寿命：不可修复产品在失效前经历的平均工作（储存）时间，亦称平均无故障时间（MTTF）
平均故障间隔时间（MTBF）：可修复产品在相邻两次故障之间的平均时间规定条件
电应力：静电，浪涌，过电压，过电流，噪声等
温度应力：高温，低温，温度循环等
机械应力：振动，冲击，加速度等
气候应力：高湿度，盐雾，低气压，辐射等

1.1 可靠性概念 —什么是可靠性？

1.1 可靠性概念 —什么是可信性？

可信性
平均故障间隔时间（可靠性指标）
平均维修时间（维修性指标）
平均保障延误时间（保障性指标）

1.1 可靠性概念什么是安全性？
安全性：正确地安装、维护和使用设备，使之不会危害人、家畜和财产

1.2 可靠性表征可靠度与失效概率
可靠度R(t)
产品在t时间内不失效的概率R(t)=P{τ>t} τ为寿命若N个产品工作到t时间有n(t)个失效，N(t)个未失效，则
R(0)=1，R(∞)=0
失效概率F(t)
产品在t时间内失效的概率F(t)=P{τ≤t} τ为寿命
若N个产品工作到t时间有n(t)个失效，则

失效概率密度（累积失效率）f(t) 产品在t时刻附近的单位时间段发生失效的概率
失效率（瞬时失效率）λ(t) 在t时刻尚未失效的产品在t时刻附近的单位时间段内发生失效的概率
λ(t)的单位：1Fit=10-9/元件小时数（/h）

若电子产品服从指数分布，且失效率为常数，则只有在指数分布的条件下，平均无故障时间才是失效率的倒数

1.2 可靠性表征不同类型产品的可靠性表征量
元器件λ或MTTF λ或MTTF P(F)
整机R(t)或MTBF R(t)或λ P(S)或P(F)
系统R(t)或MTBF R(t)或MTBF P(S)或P(F)
一次性使用连续或间歇工作（不可修复）
连续或间歇工作（可修复）
产品使用特征
产品层次
注：P(S)为成功概率，P(F)为失败概率

环境
在任一时刻和任一地点产生或遇到的自然和诱发条件的综合体自然环境因素（自然界自身产生的环境因素）地面环境：地表、温度、湿度、压力#p#分页标题#e#
地上环境：太阳辐射、降雨、固体沉降物（雪、雹、霜等）、雾、风特殊环境：盐雾、酸雨、臭氧、生物、微生物

诱发环境因素（人的各种活动引起的环境因素）
污染物：大气污染物、沙、尘
机械能：振动（准连续的振荡运动）冲击（短时间内的撞击）加速度（运动速度变化）
辐射能：声振动（爆炸、噪音、动力装置）电磁辐射核辐射（核武器、核动力）

综合环境因素（多种环境因素同时或协同作用）
实例1：橡胶垫片可单独承受严酷的振动，可承受极低的温度，但在低温和振动共同作用下很容易失效
实例2：功率晶体管在高温和低气压下很容易因过热而失效，因为低气压使得器件通过对流散热困难
环境对可靠性的影响
性能劣化
寿命缩短
任务失败

1.2 可靠性表征环境引起器件失效的统计数据
温度 40%
振动 27%
湿度 19%
其它 14%
引自《美国环境科学协会年会论文集（1997）》
温度 32%
振动 53%
湿度 10%
其它 5%
国内航空电子产品

1.3 可靠性技术概要全寿命周期的可靠性保证技术
可靠性设计
设计制造测试检验使用
工艺质量控制
可靠性试验
失效分析
可靠性应用抽样
加速失效早期失效耗损失效
失效产品
在不同的阶段，必须采用不同的可靠性技术手段来保证电子产品的可靠性
失效监测与
寿命预报
老化筛选
全样

1.3 可靠性技术概要“浴盆”曲线
工艺缺陷设计质量材料极限筛选点寿命预报点

1.3 可靠性技术概要可靠性筛选
一次筛选筛选二次筛选按元器件生产标准或订货合同要求进行的筛选，通常在元器件生产方完成元器件验收合格后或者采购后进行，通常在元器件使用方完成何时需要进行二次筛选？
元器件供应单位所进行的筛选条件低于产品使用要求元器件供应单位虽以合同或要求进行了筛选，但不能有效剔除某种失效模式时
对进口元器件原则上应按所选择的质量等级标准进行二次筛选

1.3 可靠性技术概要可靠性与成本
要得到高可靠的产品，在前期开发中必然要投入更多的采购、设计、工艺改进等方面的成本，但会降低后期维护、修理和备件成本，因此最好是能够尽可能地接近可靠性与总成本之间

的最佳点。

1.3 可靠性技术概要可靠性与效费比
在设计阶段来解决可靠性问题，要比在测试乃至生产阶段来解决，不仅可用的技术手段多，而且投入经济成本少得多
组织机构的建立与职责确定
体系建立与运行
保证大纲制订与实施
方针与政策
目标与规划
监督与控制
指导与服务
1.3 可靠性技术概要可靠性管理工作
标准与法规
资源配备与管理
培训教育与情报
信息收集与交换
故障审查与归零
用户服务与保障
…….

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概念
固有可靠性：器件制造完成时所具有的可靠性，取决于器件的设计、制造工艺和原材料
应用可靠性：器件用于整机系统时实际表现出的可靠性，除与固有可靠性有关之外，还与器件的工作与非工作条件有关
比较
应用可靠性>固有可靠性：整机设计时采取了降额、冗余、容错等措施（“三类元件装出一类整机”），使用应力更宽松
应用可靠性<固有可靠性：整机装配时器件受到了不当应力或误操作的作用（“一类元件装出三类整机”），使用应力更严酷
1.4 应用可靠性什么是应用可靠性？#p#分页标题#e#

外引线腐蚀、芯片金属化腐蚀、电参数劣化储存、海上、沿海、亚热带地区高湿度、盐雾、气压
气候应力管壳漏气、管芯裂纹、引线断裂安装、运送、航天器、航空器、移动设备振动、冲击、加速度
机械应力热击穿、热疲劳、参数漂移、密封性失效、键合压焊不良大功率工作、间歇工资、高寒地区、焊接高温、低温、温度循环温度应力
栅击穿（MOS器件）pn结短路（双极器件）二次击穿（功率管）闩锁失效（CMOS电路）工作、安装、测量静电、浪涌、过电压、噪声电应力应力类别应力形式失效场合主要失效模式
1.4 应用可靠性使用应力对器件可靠性的影响

1.4 应用可靠性使用失效日益严重
统计数据（资料来源：航天部失效分析中心）在电子设备现场失效中，元器件失效约占50％，其中元器件选用不当的又占30～50％。
产生后果
即时失效：影响整机装配的合格率及成本，比较直观
潜在失效：影响整机寿命及环境适应能力，比较隐蔽
使用失效比例61％ 40％ 56％ 45％ 46％
年份1989 1990 1991 1992 1993

器件集成度↑→对外界应力敏感性↑（尺寸小，层次多）新器件类型多样化、应用复杂化→使用者未能及时掌握使用方法
1.4 应用可靠性产生原因

电子管晶体管集成电路
1.4 应用可靠性尺寸缩小→抗应力强度↓

元器件选择
只考虑功能与性能指标，未考虑可靠性与质量指标
企业提供的可靠性指标与实际产品不符
不了解元器件的环境适应性、失效模式、质量保障水平
元器件使用
不了解元器件对使用环境的要求
不了解元器件的应力容限
不了解元器件的安装操作规范
1.4 应用可靠性元器件使用不当的情况

1.4 应用可靠性与应用可靠性高度相关的设计主题
电磁兼容性设计
信号完整性设计
射频电路设计
数模混合电路设计
无线收发器设计
低噪声电路设计
防静电设计
抗浪涌设计
抗辐照设计
热设计
低功耗设计
……
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A级干扰：设备仍然能在规定的环境中实现正常功能，但性能有所下降（电磁兼容性问题）
B级干扰：设备出现误动作或丧失局部功能，但设备总体上仍在正常运转，干扰消失后，设备可以自动恢复正常状态，不再出现误动作
或局部功能失常（电磁兼容性问题）
C级干扰：设备运行停止，需要外部干预（如操作者重新启动）才能重新开始运行（电磁兼容性问题）
D级干扰：故障现象同上，但已给设备引入不可恢复的潜在损伤，设备的寿命及抗环境应力能力已下降（可靠性问题）
E级：设备即时永久丧失功能，必须进行维修（可靠性问题）
1.2 应用可靠性电磁兼容性与可靠性的关系