1、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北京现代青亚科技有限公司2022-11-14电子产品可靠性设计分析方法电子元器件的选择与使用电子元器件的选择与使用(GJB546-88，电子元电子元器件可靠性保证大纲器件可靠性保证大纲)降额设计降额设计(GJB/Z35-93，元器件降额准则元器件降额准则)热分析热设计热分析热设计(GJBZ27-92，电子设备可靠性热电子设备可靠性热设计手册设计手册)环境应力筛选环境应力筛选(GJB1032-90，电子产品环境应力电子产品环境应力筛选方法筛选方法)2022-11-14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为什么要控制选
2、择与正确使用电子元器件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控制元器件的选择控制 目的 原则 管理元器件的正确使用元器件的正确使用2022-11-14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：返回2022-11-14质量等
3、级质量等级：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2022-11-14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2022-11-14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
4、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。2022-11-14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经过质量鉴定合格的元器件清单件清单(合格元器件清单合格元器件清单)PPL：Preferred Parts List 优选元器件品清单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
5、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继续2022-11-14PPL清单XXXX 型飞机电子元器件优选目录（型飞机电子元器件优选目录（19941994）序号序号 元器件名称元器件名称 型号型号 主要技术主要技术参数参数 结构外形结构外形 适用标准适用标准 生产厂家生产厂家 适用类别适用类别 精密金属模电精密金属模电阻器阻器 RJ25RJ25-1/21/2 阻 值 范阻 值 范围：围：温 度 范温 度 范围：围：3.93.9 10.510.5 RUO.467.RUO.467.028JT028JT 718718 厂厂 优选优选 分频器分频器 54LS67354LS673 MILMIL
6、-STDSTD-883883 MOTOROLAMOTOROLA 优选优选 优选清单格式2022-11-14返 回QPL清单2022-11-14元器件的选择与控制 国产电子元器件的优选顺序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2022-11-14元器
7、件的正确使用 使用中存在的问题使用中存在的问题 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2022-11-14元器件的正确使用 抗辐射设计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 操作过程中的问题操作过程中的问题安装的机械损伤 储存与保管的问题储存与保管的问题 存储环境返回2022-11-14降额设计 降额设计概念与目的降额设计概念与目的 降额设计就是使元器件或
8、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。降额设计原则降额设计原则 降额准则的制定与实施降额准则的制定与实施2022-11-14降额准则说明2022-11-14降额设计原则 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
9、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。2022-11-14降额准则的制定与实施 降额准则的制定降额准则的制定 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
10、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”；2022-11-14降额准则的制定与实施 可靠性设计准则的实施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
11、理。返回2022-11-14热分析、热设计热分析、热设计 热分析、热设计的概念热分析、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热分析的内容与手段 温度 计算热测 热设计的方法热设计的方法 电路板布局 散热措施2022-11-14热分析、热设计热分析、热设计原因和目的 原因与目的原因与目的 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2022-11-14热分析、热设计热分析、热设计热
12、分析的内容与手段 热分析的内容热分析的内容 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2022-11-14热分析、热设计热分析、热设计热设计的方法 电路板布局电路板布局 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；散热措施散热措施 散热原理 热传导、热
13、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2022-11-14热分析、热设计热分析、热设计示例(热分布)2022-11-14热分析、热设计热分析、热设计示例(温度剃度分布)返回2022-11-14元器件的筛选(GJB1032-90)元器件筛选的概念与目的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。早期故障期早期故障期偶然故障偶然故障期期
14、耗损故障耗损故障期期t t(t)t)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2022-11-14美国卫星ANIUYK20V计算机AG3变换器A-A17惯导系统电子燃料喷射系统HEWLITT台式计算机我国某飞机的大气数据计算机元器件的筛选2022-11-14元器件的筛选筛选的原则与难点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筛选
15、应力温度循环(75%85%)随机振动循环(15%25%)，两者综合：90%2022-11-14温温 度：度：最高最高 55 55 +125+125 o oC C 一般一般 40 40 +95 +95 o oC C 最低最低 40 40 +75 +75 o oC C温温 变变 率：率：最高最高 20 20 o oC/minC/min 一般一般 15 15 o oC/minC/min 最低最低 5 5 o oC/minC/min随机振动：随机振动：若一个方向若一个方向 10 min 10 min 不止一个方向不止一个方向 每个方向每个方向 5 min 5 min 频率频率 20 20 2000Hz
16、 2000Hz 功率谱密度功率谱密度 0.04g 0.04g2 2/Hz/Hz 元器件的筛选环境应力筛选环境应力筛选(ESS)机理及基本方法机理及基本方法2022-11-14元器件的筛选的方法 元器件筛选方法分类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（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。破坏性试验破坏性试验 开帽
17、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2022-11-14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2022-11-1411.3811.3810104.64.61.941.941.941.941.111.1147.347.322.222.2温度振动潮湿沙尘盐雾低气压冲击其它原因1971年，年，美国对机载电子设备全年的故障统计结果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2022-11-14耐环境设计(二)设计方法：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、等等环境条件气候环境条件机械环境条件辐射条件生物条件电条件人为条件 环境影响和故障模式环境影响和故障模式 单一环境 复合环境2022-11-14
