北航-电子产品可靠性设计分析方法-培训教程

电子产品可靠性设计分析方法
北京航空航天大学可靠性工程研究所

电子产品可靠性设计分析方法
电子元器件的选择与使用(GJB546-88，电子元器件可靠性保证大纲)
降额设计(GJB/Z35-93，元器件降额准则)
热分析热设计(GJBZ27-92，电子设备可靠性热设计手册)
环境应力筛选(GJB1032-90，电子产品环境应力筛选方法)

电子元器件的选择与使用
为什么要控制选择与正确使用电子元器件
电子元器件的质量等级
元器件的选择控制
–目的
–原则
–管理
元器件的正确使用

为什么要控制电子元器件的选择与正确使用
电子元器件是电子、电气系统的基础产品，是能够完成预定功能而不能再分割的电路基本单元，其自身的可靠性是十分重要的；
设计人员注重元器件的功能与性能，不关心其“质量等级”；
元器件的采购缺乏“质量等级”概念“，渠道不畅、不稳；
元器件的使用：近一半的元器件失效并非由于元器件本身的固有可靠性不高，而是由于使用者对元器件选择不当或使用有误。航天部半导体器件失效分析中心的统计数字：

质量等级：是指元器件装机使用之前，在制造、试验及筛选过程中其质量的控制等级。它对元器件的失效率有很大的影响。
目前，预计国外、国内元器件失效率时，用质量系数πQ作为不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。
国外元器件的质量等级元器件类别质量等级集成电路S,S-1,B,B-1,B-2,D,D-1半导体分立器件JANTXV,JANTX,JAN有可靠性指标的电容器D,C,S,R,B,P,M,L有可靠性指标的电阻器S,R,P,M有可靠性指标的射频模制线圈S,R,P,M有可靠性指标的继电器R,P,M,L国外电子元器件的质量等级
电子元器件的质量等级
元器件的选择与控制
目的
–保证元器件的性能、质量等应满足产品要求；
–保证畅通的采购渠道、稳定的货源；
–减少品种；
–降低采购费用；
–正确的使用。
选择控制的总原则
–元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足产品要求；
–优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件；
–在产品设计时，应最大限度地压缩元器件的品种、规格及其生产厂点；
–要严格控制新研元器件的使用。

元器件的控制大纲
–建立元器件控制机构
–建立控制方案
?控制策略：全面、重点，即广度与深度
?控制元器件的名称与种类
?规定选用的顺序
–元器件优选清单(PPL)
?QPL：QualifiedProductList经过质量鉴定合格的元器件清单(合格元器件清单)
?PPL：PreferredPartsList优选元器件品清单
–制定降额准则、热设计准则及其他使用指南
–元器件筛选
–对转承制方元器件选用要求及控制
–对选用非优选元器件的控制程序

元器件的选择与控制
国产电子元器件的优选顺序
–按国家标准（GB）、国家军用标准（GJB）、“七专”技术条件（QZJ）、电子工业部标准（SJ）执行
–“七专”产品
?推荐品种
?保留品种
?适用品种
国外电子元器件的优选
–国外已形成了一系列的军用标准和规范
?《国外元器件质量等级、命名标志及选购指南》
–问题
?忽视检测
?概念模糊，选择不当：“军用温度范围”当“军品”
?要求不明，采购不当
?渠道混乱，受骗上当

元器件的正确使用
使用中存在的问题
–对元器件的性能掌握不够。
–测试不当或测量仪器接地不当而烧毁电路。
–调机不当，造成损伤
–静电损伤值得注意
措施
–降额使用
–热设计
–抗辐射设计
–防静电设计
–操作过程中的问题
–储存与保管的问题

抗辐射设计
–航天器中使用的元器件：外空间的各种辐射
–核爆炸环境：高能中子和射线
防静电设计
–制造过程(人的静电防护)
–储存
–运输过程
操作过程中的问题
–安装的机械损伤
储存与保管的问题
–存储环境

降额设计
降额设计概念与目的
–降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当降低于元器件或设备的额定值；
–降低基本故障率、提高使用可靠性的目的（例子：陶瓷电源）；
–降额主要因素：电应力和温度
–降额设计的关键：降额的程度与效果；
降额等级
–Ι级降额：最大适用于故障危及安全、导致任务失败和造成重大经济损失的情况；
–Π级降额：适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用；
–Ш级降额：适用于故障对任务完成影响很小和少量的维修。
降额设计原则
降额准则的制定与实施

降额设计原则
降额设计原则
–各类元器件均有一个最佳的降额范围，在此范围内应力变化对其故障率影响较大。过度的降额也不可取，增加元器件的数量；降额到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；过度降额反而有害：大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数而且参数稳定性降低；继电器的线包电流不仅不能降低，反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触；
–电应力降额容易，对温度降额，主要依靠热设计；
–降额提高可靠性，但要综合考虑可靠性、体积、重量和费用等问题；
–根据设计、可靠性等的需要进行，一般参照GJB/Z-35《元器件降额准则》。

降额准则的制定
–在工程型号中制定降额准则，指导降额设计；
–参照GJB/Z-35制定降额准则
–根据可靠性需求、以往的经验或相似型号的降额准则确定
?元器件的种类及其在不同重要性要求下的降额等级；
?系统/分系统及其要求的降额等级；
?确定具体的参数应力；
–编制降额准则初稿；
–广泛征求意见，修改降额准则初稿；
–确定正式的“降额准则”；

可靠性设计准则的实施
–将准则作为“总师”的规范文件下发执行；
–设计人员学习，熟悉准则；
–对照与自己设计部分相关的准则，进行设计，确定参数的应力值；
–设计人员自查其设计对准则的“符合性”：
?不符合的条款，说明理由“为什么不符合”，并报上一级设计主管；
?编制准则符合性报告；
–与可靠性预计相结合；
–组织专家评审，进行“符合性”检查；
–对“不符合”的条款，根据其对可靠性影响的程度，决策处理。

热分析、热设计
热分析、热设计的概念
–热分析：获得产品的温度分布
–热设计：采取相应的温度控制措施，控制电子设备的温度
原因与目的
–电子产品可靠性对温度是非常敏感
–提高可靠性
热分析的内容与手段
–温度
–计算热测
热设计的方法
–电路板布局
–散热措施

热分析、热设计—原因和目的
原因与目的
–电子产品可靠性对温度是非常敏感，如图所示，但温度生高时，器件故障率迅速增大；电路板变形
–合理温度布局，控制温度，提高可靠性

热分析的内容
–结点温度：元器件PN结温度，一般是元件的最高温度；
–壳温度：元器件的壳的外表面的温度；
–电路板温度：连续的二维温度分布，各点的温度是厚度方向的平均值；
–电路板温度梯度：沿着长度方向的温度变化率，也是二维的；
热分析手段
–计算：解析法（传热方程的解析解）和数值法（利用计算机求解温度分布，如BETAsoft-Board软件）；
–热测设备测量

热分析、热设计—热设计的方法
电路板布局
–在满足约束条件下，合理元器件布局，将功率大的器件分散放置，减少或消除热应力集中点，从而降低温度；
散热措施
–散热原理
?热传导、热对流、热辐射
–热设计
?元器件温度控制：热降额、导热胶、冷板设计
?电路板：使用耐热高的印刷板，增加厚度利于导热和自然散热
?机箱：自然冷却、强迫风冷、冷板设计、散热器

元器件的筛选(GJB1032-90)
元器件筛选的概念与目的
–元器件筛选：在产品出厂前，有意将环境应力施加到产品上，使产品的潜在缺陷加速发展成早期故障，并加以排除，从而提高产品的可靠性;通过试验剔除不合格或有早期失效的产品。

目的：淘汰有缺陷的器件：材料缺陷、工艺缺陷、设备状况等因素引入；?根据使用要求，筛去不符合的器件：寿命、使用环境，如温度、辐射、振动等

元器件的筛选
筛选的原则与难点–原则：既要剔除不合格的产品、又不能将好的产品弄坏–难点：筛选时的方法、应力大小和时间筛选的种类–一次筛选（筛选）、二次筛选（目的：筛选应力不够、针对性差、检验）–器件筛选、电路板筛选设备级筛选筛选应力–温度循环(75%～85%)–随机振动循环(15%～25%)，两者综合：90%

元器件的筛选的方法
元器件筛选方法分类
–非破坏性试验：对好的器件无损伤
–破坏性试验；试验后器件损坏，不能使用
非破坏性试验项目（GJB597、GJB33）
–内/外部目检（封帽前）：封装前后目视检查有无问题；
–老练筛选：根据失效率特征（浴盆曲线），使器件在一定的温度下工作一段时间；（时间和温度）
–温度循环：高低循环环境下放置一段时间
–检漏：密封性检查，氦质谱细检、氟油初检
–。。。。
破坏性试验
–开帽目检：打开封装目视检查
–芯片剪切强度试验：
–变频振动试验：变频振动循环环境下放置一段时间

注意的事项
环境应力筛选(ESS)—应注意的事项–制定产品的ESS大纲，并严格执行；–不必准确模拟产品真实的环境条件；–不应改变产品的失效机理；–筛选可以提高批产品的可靠性水平，但不能提高产品的固有可靠性，只有改进设计、工艺等才能提高后者；–它不是可靠性鉴定、验收试验，但经过筛选的产品有利于鉴定和验收试验的顺利进行；–对关键产品要做到三个100%（元器件、电路板、整机）的ESS。破坏性试验；试验后器件损坏，不能使用