电子产品可靠性设计.ppt
Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,1,电子产品可靠性设计,刘东升,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,2,电子产品的可靠性电子产品可靠性设计电子产品设计方案的可靠性选择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)简化设计余度设计参数优化设计元器件的筛选(GJB1032-90，电子产品环境应力筛选方法)失效分析简介,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,3,可靠性问题的提出,二战中美国武器故障引出可靠性问题的研究1957年电子设备可靠性咨询组(AGREE)发表军用电子设备可靠性研究报告，标志着可靠性已经成为一门独立的学科。我国对可靠性问题的重视,电子产品的可靠性,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,4,可靠性的定义,1）单个元件的单位时间故障率,电子产品的可靠性,系统及其组成部分在无故障、无退化或对保障系统无要求的情况下执行其功能的能力。-美国国防部1991,产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。-GJB451A,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,5,2)平均无故障时间（MTBF,Mean Time Between Failures）MTBF=1/,例1：某电子系统含有1块PCB,小规模集成电路 2个，中规模IC 4个,大规模IC 16个，1个超大规模IC,电阻10个，电容24个，1个50脚连接器，求其MTBF为多少。=1000+2904160162505001010 2415=7280 FIT=7280 个故障/109小时 MTBF=1/=15.6 年,电子产品的可靠性,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,6,1）元器件的生命周期,故障率,t,夭折期,衰退期,正常工作寿命,图1 电子元件故障曲线-浴缸曲线,温度每升高10C0,IC的故障率大约翻一倍。,怎样保证电子产品的可靠性,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,7,2）可靠性保证始于设计可靠性观念（零故障还是可维修）方案选择、元件选择和设计优化系统结构选择（热设计、EMC和支撑保护等方面）,3）可靠性与经济性的合理折中 合理的可靠性（鼠标有效寿命的确定）可靠性与市场价格的合理折中,4）出厂前的老化根据具体产品的特性确定老化的规范有的产品出厂前老化200小时，可将90%故障暴露出来,电子产品的可靠性,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,8,1）尽可能采用优选电路优选电路的来源（标准的电路模块、成熟的新技术，验证过的借鉴产品）优选电路的应用（接口、仿真、验证）,2）对于设计方案进行创新性优选优化以提高可靠性 6sigma(DMAIC)-DMADV(+TRIZ)-C,3）可靠性预计(GJB/Z 299C-2006)和可靠性分配可靠性预计（由单元求系统可靠度）数学模型法、上下限法、蒙特卡洛法可靠性分配（由系统求单元可靠度）等分配、预计值、阿林斯、代数分配,电子产品设计方案的可靠性选择,返回,4）设计方案的各种分析必要的保护电路和潜在电路、最坏情况、电路漂移、瞬态、过渡过程分析FMECA实例：电容式传感器系统,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,9,电子元器件的选择与使用,电子元器件的选择与正确使用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,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,10,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。,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,11,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Q作为不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。,国外电子元器件的质量等级,电子元器件的质量等级,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,12,电子元器件的质量等级,半导体集成电路质量系数等级,国内元器件的质量等级,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,13,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。,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,14,元器件的选择与控制,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：Qualified Product List 经过质量鉴定合格的元器件清单(合格元器件清单)PPL：Preferred Parts List 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的元器件选用要求及控制对选用非优选元器件的控制程序,继续,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,15,PPL清单,优选清单格式,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,16,返 回,QPL清单,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,17,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,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,18,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使用中的降额设计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,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,19,元器件的正确使用,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,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,20,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 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；级降额：适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用；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,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,21,降额准则说明,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,22,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。,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,23,降额准则的制定与实施,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”；,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,24,降额准则的制定与实施,可靠性设计准则的实施将准则作为规范文件下发执行；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。,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,25,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,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,26,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非常敏感，如图所示，但温度高时，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,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,27,热分析、热设计热分析的内容与手段,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，软件）；热测设备测量,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,28,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,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,29,简化设计,简化设计的概念在保证产品性能要求的前提下，尽可能使产品设计简单化原因与目的简化设计可以提高产品的固有可靠性和基本可靠性简化设计的内容与手段 尽可能减少产品组成部分的数量及其相互间的联接。例如采用集成了A/D,PWM,Flash和SRAM等必要功能的MCU芯片；尽可能实现零、部、组件的标准化、系列化与通用化，控制非标准零、部、组件的比率。尽可能减少标准件的规格、品种数。争取用较少的零、部、组件实现多种功能；尽可能采用经过考验的可靠性有保证的零、部、组件以至整机；尽可能采用模块化设计 逻辑电路的简化简化设计的例子F/A-18A 的发动机F-404 只有14300 个元件，而F-4 的发动机J-79 有22000 个元件，也就是说F-404所有元件数为J-79 的三分之二，但推力两者几乎相等，而F-404 的可靠性却比J-79 提高了4 倍。,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,30,余度设计,余度设计的概念“余度”就是指系统或设备具有一套以上完成给定功能的单元，只有当规定的几套单元都发生故障时，系统或设备才会丧失功能，这就使系统或设备的任务可靠性得到提高原因与目的当元器件或零部件质量与可靠性水平比较低、采用一般设计无法满足设备的可靠性要求；或系统对于可靠性要求相当高，需要冗余的热备份功能单元。余度设计的内容与手段通常是针对系统中的可靠性关键环节采用余度技术 确定余度等级(根据任务可靠性和安全性要求确定余度系统抗故障工作的能力)选定余度类型(根据产品类型及约束条件和采用余度的目的来确定)确定余度配置方案 确定余度管理方案余度设计的例子服务器的双机热备份,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,31,参数优化化设计,电路系统参数优化的三次设计系统设计选定系统结构组成，以适应特定的功能要求参数设计优化系统元件的参数组合，提高性能稳定性容差设计元件调整，以平衡电路系统的功能质量成本实例：用Pspice设计惠斯登电桥,返回,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,32,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,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,33,ESS 的应用及效益,元器件的筛选,环境应力筛选(ESS)应用及效益,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,34,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%,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,35,无冷却系统的产品,温 度：最高 55+125 oC 一般 40+95 oC 最低 40+75 oC温 变 率：最高 20 oC/min 一般 15 oC/min 最低 5 oC/min随机振动：若一个方向 10 min 不止一个方向 每个方向 5 min 频率 20 2000Hz 功率谱密度 0.04g2/Hz,元器件的筛选,环境应力筛选(ESS)机理及基本方法,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,36,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,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,37,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,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,38,耐环境设计(一),1971年，美国对机载电子设备全年的故障统计结果,环境条件对产品可靠性的影响,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,39,耐环境设计(二),设计方法：,确定产品工作环境 确定产品在这种环境下所用元器件及材料的性能 防潮湿设计、防盐雾和腐蚀设计、防霉菌设计、抗冲击、振动和噪声设计、电子设备抗辐射设计、热设计、等等,环境影响和故障模式,单一环境 复合环境,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,40,失效分析,失效定义1 特性剧烈或缓慢变化2 不能正常工作3 不能自愈失效种类1 致命性失效：如过电应力损伤2 缓慢退化：如MESFET的IDSS下降3 间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,41,失效物理模型,应力强度模型 失效原因：应力强度 强度随时间缓慢减小 如:过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（latch up)应力时间模型（反应论模型）失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,42,温度应力时间模型,M温度敏感参数,E激活能,k 玻耳兹曼常量,T绝对温度,t时间,A常数T大,反应速率dM/dt 大，寿命短E大，反应速率dM/dt 小，寿命长,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,43,温度应力的时间累积效应,失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,44,与力学公式类比,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,45,失效物理模型小结,应力强度模型：不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显。.应力时间模型（反应论模型）：需考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显。,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,46,失效模式的概念和种类,失效的表现形式叫失效模式按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,47,失效机理的概念,失效的物理化学根源叫失效机理。例如开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMOS电路的闩锁效应漏电和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,48,引起失效的因素,材料、设计、工艺环境应力 环境应力包括：过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力时间,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,49,失效机理的概念（续）,参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,50,举例说明：失效分析的概念和作用,某EPROM 使用后无读写功能失效模式：电源对地的待机电流下降失效部位：部分电源内引线熔断失效机理：闩锁效应确定失效责任方：模拟试验改进措施建议：改善供电电网，加保护电路,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,51,失效分析的受益者,元器件厂：获得改进产品设计和工艺的依据整机厂：获得索赔、改变元器件供货商、改进电路设计、改进电路板制造工艺、提高测试技术、设计保护电路的依据整机用户：获得改进操作环境和操作规程的依据提高产品成品率和可靠性，树立企业形象，提高产品竞争力,Oct/9/2009 2023/10/2,Electronic Products Reliability Design,52,失效分析的一般程序,收集失效现场数据电测并确定失效模式非破坏检查打开封装镜检通电并进行失效定位对失效部位进行物理化学分析，确定失效机理综合分析，确定失效原因，提出纠正措施,
