测控仪器设计的可靠性设计

1、1、可靠性设计的原则2、原器件的筛选与降额设计3、漂移设计4、热设计5、电磁兼容设计 仪表是由许多电子元器件及机械零部件组成的，当元器件质量指仪表是由许多电子元器件及机械零部件组成的，当元器件质量指标较低时，采用提高可靠性的设计方法显得特别重要。标较低时，采用提高可靠性的设计方法显得特别重要。 可靠性设计方法包括安全系数与降额使用的选择、冗余设计、漂可靠性设计方法包括安全系数与降额使用的选择、冗余设计、漂移设计还要考虑在恶劣的环境条件下仪表能正常工作的措施，移设计还要考虑在恶劣的环境条件下仪表能正常工作的措施，这就是所谓的这就是所谓的三防设计与耐环境设计。三防设计与耐环境设计。 随着自控系统的

2、大型化，由变送器、传输线、记录仪、巡回检测随着自控系统的大型化，由变送器、传输线、记录仪、巡回检测装置等构成的多路检测回路需要进行集中控制。这类检测系统往装置等构成的多路检测回路需要进行集中控制。这类检测系统往往受周围环境的电磁场干扰，不能稳定工作，因此还要考虑往受周围环境的电磁场干扰，不能稳定工作，因此还要考虑抗电抗电磁干扰的设计磁干扰的设计。 另外所有的仪表都必须经由包装、运输途径送到用户手中，运输另外所有的仪表都必须经由包装、运输途径送到用户手中，运输过程则是典型的随机冲击振动。如：汽车在崎岖不平的道路上行过程则是典型的随机冲击振动。如：汽车在崎岖不平的道路上行驶时，最大冲击力可达到驶时

3、，最大冲击力可达到100g100g。经统计仪表受到。经统计仪表受到20g20g以下的冲击值以下的冲击值的概率为的概率为9090。故设计时，就需要考虑。故设计时，就需要考虑耐冲击振动的设计耐冲击振动的设计措施，措施，来应付这种高概率的冲击作用。来应付这种高概率的冲击作用。 有些仪表在炎热的环境中，需要采用电扇强行冷却才能正常工作。有些仪表在炎热的环境中，需要采用电扇强行冷却才能正常工作。如果在仪表设计之初就采取一定的措施，即为如果在仪表设计之初就采取一定的措施，即为“热设计热设计”。第一节第一节 由于产品类型不同，复杂程度不同，各类产品失效模式不同，以及工作条件不同等，产品的可靠性由于产品类型不

4、同，复杂程度不同，各类产品失效模式不同，以及工作条件不同等，产品的可靠性设计内容也不尽相同。具体可靠性设计均应考虑下列一些设计原则。设计内容也不尽相同。具体可靠性设计均应考虑下列一些设计原则。1 1、收集可靠性数据，确定可靠性指标、收集可靠性数据，确定可靠性指标 进行产品设计时，应先确定产品的可靠性指标。指标的确定，一是按标准规定，二是由用户提出，进行产品设计时，应先确定产品的可靠性指标。指标的确定，一是按标准规定，二是由用户提出，三是由设计者提出，四是由各方协商确定。三是由设计者提出，四是由各方协商确定。 要求首先收集和掌握国内、外同类产品或相近产品的可靠性数据。要求首先收集和掌握国内、外同

5、类产品或相近产品的可靠性数据。 不切实际地追求产品高可靠性指标。就存在能否实现与成本问题。不切实际地追求产品高可靠性指标。就存在能否实现与成本问题。 确定可靠性指标一要切实可行，二要指标先进，有利于促进产品可靠性水平不断提高。确定可靠性指标一要切实可行，二要指标先进，有利于促进产品可靠性水平不断提高。 2 2、考虑明确产品的使用条件及工作环境、考虑明确产品的使用条件及工作环境 因为产品的可靠性，是针对一定的工作条件而言的，这种工作条因为产品的可靠性，是针对一定的工作条件而言的，这种工作条件包括两个方面：一是件包括两个方面：一是使用条件使用条件，主要是指现场操作条件及维护，主要是指现场操作条件及

6、维护条件，二是条件，二是工作环境条件工作环境条件，包括工作地点的温度、湿度；水分、，包括工作地点的温度、湿度；水分、灰尘、腐蚀介质灰尘、腐蚀介质等等。等等。 3 3、系统设计、系统设计 系统设计首先确定系统的组成及系统类型。当系统类型确定之后，系统设计首先确定系统的组成及系统类型。当系统类型确定之后，系统可靠性设计方式有两种系统可靠性设计方式有两种：一是根据零件：一是根据零件( (元件元件) )或子系统可靠性或子系统可靠性预测结果计算系统可靠性指标，即预测结果计算系统可靠性指标，即系统可靠性预测，系统可靠性预测，预测结果满预测结果满足指标要求即可，二是当预测结果没有满足规定的指标时，应进足指标

7、要求即可，二是当预测结果没有满足规定的指标时，应进行行可靠性分配可靠性分配，把系统的可靠性指标，分配到子系统甚至分配到，把系统的可靠性指标，分配到子系统甚至分配到零件上。零件上。 提高系统可靠性，也是从两方面着手，一是采用贮备系统，比如提高系统可靠性，也是从两方面着手，一是采用贮备系统，比如并联系统，表决系统，旁联系统等；二是提高元件或零件的可靠并联系统，表决系统，旁联系统等；二是提高元件或零件的可靠性；实际上采用哪种方法提高系统可靠性要作具体分析，视具体性；实际上采用哪种方法提高系统可靠性要作具体分析，视具体情况而定。情况而定。第一节第一节 4 4、采用标准件，选用外购件、采用标准件，选用外

8、购件 为保证所设计的产品的可靠性高，易于维修，应尽量采用标准化为保证所设计的产品的可靠性高，易于维修，应尽量采用标准化零件。对于外购件、外协件，应选用经过考验的厂家生产的高质量零件。对于外购件、外协件，应选用经过考验的厂家生产的高质量产品，而且对外购件、对外协作要提出可靠性要求，产品进厂时要产品，而且对外购件、对外协作要提出可靠性要求，产品进厂时要进行抽验，以确保系统的可靠性。进行抽验，以确保系统的可靠性。 5 5、方案简化，结构简单、方案简化，结构简单 从可靠性角度出发，产品在满足要求情况下，组成系统的单元越从可靠性角度出发，产品在满足要求情况下，组成系统的单元越少，结构设计越简单越好。对于

9、新材料、新技术、新结构的应用，少，结构设计越简单越好。对于新材料、新技术、新结构的应用，要有充分的把握，有的需经过试验并经一段时间试用证明确有保证要有充分的把握，有的需经过试验并经一段时间试用证明确有保证时，再大批使用。时，再大批使用。第一节第一节 6 6、耐环境设计、耐环境设计 所谓耐环境设计，就是研究环境应力的影响，采取提高耐环境应力的能力措施。主要有下面几个方面。所谓耐环境设计，就是研究环境应力的影响，采取提高耐环境应力的能力措施。主要有下面几个方面。 (1)(1)温度影响。温度影响。比如高温、低温、热冲击、热辐射、温度循环比如高温、低温、热冲击、热辐射、温度循环( (如四季温差变化如四

10、季温差变化) )等都会对产品产生热应力等都会对产品产生热应力的影响。解决温度应力影响所采取的措施称为耐热设计，比如防寒设施，通风冷却，隔热等。的影响。解决温度应力影响所采取的措施称为耐热设计，比如防寒设施，通风冷却，隔热等。 (2)(2)湿度影响湿度影响。比如湿度，降雨，降雪，雾气，河水，海水，腐蚀性气体等湿度、水分应力影响。比如湿度，降雨，降雪，雾气，河水，海水，腐蚀性气体等湿度、水分应力影响。 (3)(3)冲击、振动影响。冲击、振动影响。研究冲击、振动产生的原因、影响，设计时采取防止或减少冲击、振动的措施，研究冲击、振动产生的原因、影响，设计时采取防止或减少冲击、振动的措施，如用缓冲、减震

11、装置等。如用缓冲、减震装置等。 ( (4)4)日照，风砂，风力，灰尘等影响。日照，风砂，风力，灰尘等影响。 (5)(5)其他影响。其他影响。如各种场如各种场( (电场、磁场、重力场等电场、磁场、重力场等) )的影响及各种辐射作用的影响，的影响及各种辐射作用的影响，第一节第一节 7 7、维修性设计、维修性设计 所谓维修性设计，就是在设计时应考虑产品的故障容易发现，易于所谓维修性设计，就是在设计时应考虑产品的故障容易发现，易于检查，便于尽快修复，甚至在未出现故障时，就检查，便于尽快修复，甚至在未出现故障时，就采取必要的措施加以采取必要的措施加以预防或消除故障于未然。进行维修性设计，主要考虑以下几点

12、，预防或消除故障于未然。进行维修性设计，主要考虑以下几点， (1)(1)在满足要求情况下，结构尽量简单。在满足要求情况下，结构尽量简单。零件数目尽量少，调整环节零件数目尽量少，调整环节简便。简便。 对于易发生故障件、故障发生影响大或故障部位不易发现处，对于易发生故障件、故障发生影响大或故障部位不易发现处，应设置故障诊断、检测及指示装置，以便能快速判别故障并报警。应设置故障诊断、检测及指示装置，以便能快速判别故障并报警。 (2)(2)可达性设计。可达性设计。即对于容易出故障的部位或零部件，能够容易接近，即对于容易出故障的部位或零部件，能够容易接近，装拆及更换。装拆及更换。 (3)(3)尽可能采用

13、独立的结构单元尽可能采用独立的结构单元。分离方便，使整个单元进行迅速更分离方便，使整个单元进行迅速更换，这有利于提高设换，这有利于提高设 备的有效度及维修度，替换下的结构单元采用事备的有效度及维修度，替换下的结构单元采用事后维修，更容易保证维修质量。后维修，更容易保证维修质量。 (4)(4)尽量采用标准零部件。尽量采用标准零部件。加强互换性，还应考虑使用标准维修工具。加强互换性，还应考虑使用标准维修工具。 (5)(5)尽量设法减少或避免因某一零件更换需装拆其相邻的零件。尽量设法减少或避免因某一零件更换需装拆其相邻的零件。 (6)(6)要考虑维修人员作业方便与安全要考虑维修人员作业方便与安全。第

14、一节第一节 8 8、人、人- -机工程设计机工程设计 由人操纵或控制的系统，不少故障发生是由于人的失误所致。工由人操纵或控制的系统，不少故障发生是由于人的失误所致。工程心理学认为人犯技术程心理学认为人犯技术 错误的概率为错误的概率为1010-2-2一一1010-5-5，一般为，一般为1010-3-3。 要减少人的差错，可以从两个方面着手解决，一是人的可靠性问要减少人的差错，可以从两个方面着手解决，一是人的可靠性问题，其中包括人员责任感、人员技术水平及人所处的工作环境；题，其中包括人员责任感、人员技术水平及人所处的工作环境；另一方面是考虑人机关系。人员操作错误的原因与人本身、机器另一方面是考虑人

15、机关系。人员操作错误的原因与人本身、机器及环境有关，为了减少人犯差错的概率，就应在人一机工程设计及环境有关，为了减少人犯差错的概率，就应在人一机工程设计上下功夫。上下功夫。 具体内容包含：具体内容包含： （1 1）人的操作可靠性）人的操作可靠性 人人- -机系统可靠度为：机系统可靠度为： (1)(1) 式中，式中， R RMM为仪表的可靠度，为仪表的可靠度， R RH H为人操作的可靠度，即操作者无为人操作的可靠度，即操作者无差错完成功能的概率。差错完成功能的概率。第一节第一节 由此可见，要提高人操作的可靠性，就应从减少人操作中发生错误由此可见，要提高人操作的可靠性，就应从减少人操作中发生错误

16、的概率及即使发生操作错误不致引起设备的故障方面进行设计。的概率及即使发生操作错误不致引起设备的故障方面进行设计。 （2 2）指示系统可靠性设计，解决系统向人传递信息可靠性问题）指示系统可靠性设计，解决系统向人传递信息可靠性问题 a)a)合理地确定信息显示方式。合理地确定信息显示方式。比如计算显示或数字显示，标量显比如计算显示或数字显示，标量显示；定性显示等。示；定性显示等。 b)b)显示器配置设计。显示器配置设计。人观察各种显示器时，一般要离开相当距离，人观察各种显示器时，一般要离开相当距离，比如工业仪表，读取可靠的最佳距离与仪表外形尺寸有关，一般比如工业仪表，读取可靠的最佳距离与仪表外形尺寸

17、有关，一般推荐下式：推荐下式： （3 3） 式中，式中，L L为读取距离；为读取距离； D D为仪表实际尺寸。为仪表实际尺寸。第一节第一节 当环境好时，可取大值，环境较差时取小值。此外，显示器位置当环境好时，可取大值，环境较差时取小值。此外，显示器位置角度要合理，如从正面观看，视线与仪表板成角度要合理，如从正面观看，视线与仪表板成 60600 0时，读取误差小。时，读取误差小。当有多种信息显示时，必须设置集中控制的板面或控制台，控制当有多种信息显示时，必须设置集中控制的板面或控制台，控制台位置也要合理。台位置也要合理。 c) c)显示器的可靠性显示器的可靠性，这主要是指显示器本身可靠性。，这主

18、要是指显示器本身可靠性。 (3)(3)操作、控制系统可靠性设计操作、控制系统可靠性设计-人向系统传达指令的可靠性人向系统传达指令的可靠性 a)a)控制、操作机构及仪器精度高。控制、操作机构及仪器精度高。 b)b)控制、操作机构及仪器容易识别。控制、操作机构及仪器容易识别。 c) c)控制、操作机构及仪表适于人的使用习惯。控制、操作机构及仪表适于人的使用习惯。 d)d)控制台设计的可靠。控制台设计的可靠。 (4)(4)操作环境的可靠性设计操作环境的可靠性设计 环境的可靠性设计，是使操作者所处环境尽量适于人的工作需要，环境的可靠性设计，是使操作者所处环境尽量适于人的工作需要，减少造成疲劳、干扰减少

19、造成疲劳、干扰 操作的因素，这些因素主要有：温度过高或操作的因素，这些因素主要有：温度过高或过低，气压，湿度，照明，色彩，噪声，振动，冲击，雨过低，气压，湿度，照明，色彩，噪声，振动，冲击，雨 雪，污雪，污染物等。染物等。第一节第一节 9 9、安全性设计、安全性设计 系统发生故障后，故障产生的影响及其后果随故障类型不同而异。系统发生故障后，故障产生的影响及其后果随故障类型不同而异。但我们从安全性角度但我们从安全性角度 考虑，可把机械产品失效分为两种情况，考虑，可把机械产品失效分为两种情况，一一是是失效导致功能失效，生产暂停，服务中断。失效导致功能失效，生产暂停，服务中断。二是二是 失效除产生上

20、失效除产生上述结果外，还可能造成人员伤亡，环境破坏及财产的巨大损失。述结果外，还可能造成人员伤亡，环境破坏及财产的巨大损失。对于这后一种对于这后一种 情况，就存在安全性问题。进行安全性设计，目的情况，就存在安全性问题。进行安全性设计，目的在于保证系统危险性故障发生的概率最小在于保证系统危险性故障发生的概率最小 或一旦发生故障使其造或一旦发生故障使其造成的损失最小。成的损失最小。 概括地说，安全性设计内容和程序如图概括地说，安全性设计内容和程序如图1 1所示。所示。第一节第一节 图图l l 安全性设计内容和程序安全性设计内容和程序 (1)(1)安全分析安全分析 从安全角度对系统进行分析称为安全性

21、分析。安全性分析主要包括从安全角度对系统进行分析称为安全性分析。安全性分析主要包括如下几点：如下几点： a)a)寻找所有零件寻找所有零件( (或部件或部件) )故障模式，故障模式，研究各种故障对系统及其他零、研究各种故障对系统及其他零、部件的影响，并确定哪些故障对系统安全性影响最大。部件的影响，并确定哪些故障对系统安全性影响最大。 b)b)确定系统全部不安全失效模式，找出最危险失效模式。确定系统全部不安全失效模式，找出最危险失效模式。 c) c)确定系统安全方面的最薄弱环节确定系统安全方面的最薄弱环节，采取改进及预防措施。，采取改进及预防措施。 常用的安全分析方法有；常用的安全分析方法有； a

22、)a)失效模式、影响及致命度分析，常写为失效模式、影响及致命度分析，常写为FMECAFMECA(Failure Model (Failure Model Effect and Criticality Analysis)Effect and Criticality Analysis)。 b)b)事件树分析事件树分析ETA (Event Tree Analysis)ETA (Event Tree Analysis)。 c )c )故障树分析故障树分析FTA (Fault Tree Analysis)FTA (Fault Tree Analysis)。 第一节第一节 （2 2）安全技术设计）安全技术

23、设计 在确定系统失效模式后，要在技术上采取措施，来保证系统具有一定的安全水平，安全技术设计可从在确定系统失效模式后，要在技术上采取措施，来保证系统具有一定的安全水平，安全技术设计可从以下几方面考虑。以下几方面考虑。 a)a)消除产生致命故障的危险因素。消除产生致命故障的危险因素。如提高危险零部件的可靠度；进行安全保险设计，设立保险装置和如提高危险零部件的可靠度；进行安全保险设计，设立保险装置和防止出现误操作设计。防止出现误操作设计。 b)b)异常状态的监测、报警。异常状态的监测、报警。对于致命性故障源，要设立故障监测装置，以防患于未然。对于致命性故障源，要设立故障监测装置，以防患于未然。例如：

24、火车中例如：火车中的轴承！的轴承！ c) c)人员防护设计，人员防护设计，设立安全防护装置。设立安全防护装置。 （3 3）安全评价）安全评价 估计出现失效的概率大小。估计出现失效的概率大小。 （4 4）风险评价）风险评价 估计故障后果的影响程度与损失大小。估计故障后果的影响程度与损失大小。第一节第一节 1010、可靠性增长、可靠性增长 在新产品从开发研制一直到定型生产之前，一般要经过：设计在新产品从开发研制一直到定型生产之前，一般要经过：设计试制试制试验试验修改修改小批生产小批生产检验检验改进改进定型生产。在这一定型生产。在这一过程中，产品可靠性水平在不断提高，称为可靠性增长。过程中，产品可靠

25、性水平在不断提高，称为可靠性增长。 建立可靠性增长模型是在新产品研制过程中一项有效的可靠性设建立可靠性增长模型是在新产品研制过程中一项有效的可靠性设计新技术，它有助于定量地对新产品可靠性水平作出估计，监控计新技术，它有助于定量地对新产品可靠性水平作出估计，监控产品研制进展情况，并确定出产品投产时的可靠性水平。产品研制进展情况，并确定出产品投产时的可靠性水平。第一节第一节 电子产品的电子产品的“硬件硬件”故障，大部分直接以元器件的各种故障方式故障，大部分直接以元器件的各种故障方式表现出来。其故障原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不少是选表现出来。其故障原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不少是选用

26、不当造成的。例如在电路设计时元器件的工作用不当造成的。例如在电路设计时元器件的工作 应力超过产品的额应力超过产品的额定值，或是对元器件失效机理不清楚，用于不适当的环境条件等等。定值，或是对元器件失效机理不清楚，用于不适当的环境条件等等。 因此元器件的选用及筛选成为电子产品可靠性设计的重要环节之因此元器件的选用及筛选成为电子产品可靠性设计的重要环节之一。一。为了保证元器件的使用可靠度，合理地进行降额使用元器件，为了保证元器件的使用可靠度，合理地进行降额使用元器件，可大幅度地降低元器件的失效率，因此降额设计已成为电子产品可可大幅度地降低元器件的失效率，因此降额设计已成为电子产品可靠性保障设计的最有

27、效的方法之一。靠性保障设计的最有效的方法之一。一、可靠性筛选一、可靠性筛选 筛选是一种用于剔除不符合要求产品的挑选技术。筛选是一种用于剔除不符合要求产品的挑选技术。 可靠性筛选是在一批产品中剔除那些由于原材料、工艺制造等潜可靠性筛选是在一批产品中剔除那些由于原材料、工艺制造等潜在的不良因素所造成的缺陷而早期失效的产品。在的不良因素所造成的缺陷而早期失效的产品。 在筛选以前，产品的参数性能一般都是合格的，只有对产品施加在筛选以前，产品的参数性能一般都是合格的，只有对产品施加各种应力条件或采用特殊的检查手段后，才能发现有隐患的早期失各种应力条件或采用特殊的检查手段后，才能发现有隐患的早期失效产品。

28、一批产品，由于通过筛选剔除了早期失效的产品，就可以效产品。一批产品，由于通过筛选剔除了早期失效的产品，就可以提高该批产品的可靠性水平。失效率可以降低半个到一个数量级，提高该批产品的可靠性水平。失效率可以降低半个到一个数量级，个别的甚至可以降低两个数量级。个别的甚至可以降低两个数量级。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计 例如，某工厂生产的二极管，在加大功率的条件下进行试验，试例如，某工厂生产的二极管，在加大功率的条件下进行试验，试验时间与失效率的数据列入下表：验时间与失效率的数据列入下表： 由表中数据可以看出，从由表中数据可以看出，从0.1h0.1h到到10h10h进行加

29、大功率时的可靠性筛进行加大功率时的可靠性筛选以后，其失效率下降选以后，其失效率下降1.200/0.0041.200/0.004300300倍，即从原来的倍，即从原来的6 6级下降级下降到到8 8级。级。 对于电子元器件，其失效机理是产品本身具有的固有特性对于电子元器件，其失效机理是产品本身具有的固有特性，当产，当产品生产后，它的失效机理就完全确定了，而可靠性筛选不能改变品生产后，它的失效机理就完全确定了，而可靠性筛选不能改变其失效机理。所以，可靠性筛选不能提高单个元件的可靠性，只其失效机理。所以，可靠性筛选不能提高单个元件的可靠性，只有当一批产品的早期失效产品被剔除后，才能提高该批产品的可有当

30、一批产品的早期失效产品被剔除后，才能提高该批产品的可靠性水平。同时要求，在整批产品的特性上，可靠性筛选不该影靠性水平。同时要求，在整批产品的特性上，可靠性筛选不该影响其失效机理、失效模式和正常工作，因此筛选试验应力对优良响其失效机理、失效模式和正常工作，因此筛选试验应力对优良产品的损伤要尽可能的小。产品的损伤要尽可能的小。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续) 筛选方法种类较多，按其方法复杂程度可分类如下。筛选方法种类较多，按其方法复杂程度可分类如下。 (1)(1)分布截尾筛选。分布截尾筛选。对产品参数性能的筛选。对产品参数性能的筛选。 (2)(2)应力强度筛选。应

31、力强度筛选。对产品施加一定强度的应力后进行测量评定分对产品施加一定强度的应力后进行测量评定分选。选。 (3)(3)老炼筛选。老炼筛选。在规定的时间内对产品施加各种应力条件后进行测在规定的时间内对产品施加各种应力条件后进行测试挑选。例如采用高温老炼筛选、功率老炼筛选及离心老炼筛选试挑选。例如采用高温老炼筛选、功率老炼筛选及离心老炼筛选等。等。 (4)(4)线性鉴别筛选。线性鉴别筛选。采用适当检查手段及筛选项目进行试验，获得采用适当检查手段及筛选项目进行试验，获得数据，运用数理统计方法进行判别挑选。数据，运用数理统计方法进行判别挑选。 (5)(5)精密筛选。精密筛选。在接近产品的使用条件下进行长期

32、老炼，并多次精在接近产品的使用条件下进行长期老炼，并多次精确地测量参数的变化量进行挑选和预测。确地测量参数的变化量进行挑选和预测。 前两种方法简单易行，但对剔除早期失效产品的效果较差；后两前两种方法简单易行，但对剔除早期失效产品的效果较差；后两种方法需要专门的设备种方法需要专门的设备 和较长的时间，费用较高，但对剔除早期和较长的时间，费用较高，但对剔除早期失效产品的效果较好。通常要根据产品的使用要求、质量水平及失效产品的效果较好。通常要根据产品的使用要求、质量水平及费用等情况合理地选择筛选方法。费用等情况合理地选择筛选方法。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续) 目

33、前目前老炼筛选老炼筛选是可靠性筛选的主要方法，精密筛选由于费用高、是可靠性筛选的主要方法，精密筛选由于费用高、周期长、通常用于高可靠性的元器件筛选，如卫星元件、军工产周期长、通常用于高可靠性的元器件筛选，如卫星元件、军工产品及海底电缆通信元件等。品及海底电缆通信元件等。 例如，半导体集成电路的典型筛选程序是：例如，半导体集成电路的典型筛选程序是： 高温老炼储存：高温老炼储存：1501500 0C C1751750 0C C，96h96h。 离心老炼离心老炼20000g20000g，lminlmin 高温功率老炼：高温功率老炼：1251250 0C C，96h96h，在额定电压、额定负载下动态老

34、，在额定电压、额定负载下动态老炼。炼。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续) 二、降额设计二、降额设计 1 1减额设计的理论依据减额设计的理论依据 电子元器件在使用或贮存过程中，总是存在着某种比较缓慢的物电子元器件在使用或贮存过程中，总是存在着某种比较缓慢的物理化学变化。当这一物理化学变化过程发展一定阶段时，元器件的理化学变化。当这一物理化学变化过程发展一定阶段时，元器件的特性退化、功能丧失，即失效。例如：特性退化、功能丧失，即失效。例如：半导体器件半导体器件-上述物化作用上述物化作用形成导电沟道时，使器件反向漏电电流变大，击穿电压下降；器件形成导电沟道时，使器件反

35、向漏电电流变大，击穿电压下降；器件表面复合速度变大，晶体管的电流放大系数降低等等表面复合速度变大，晶体管的电流放大系数降低等等。物化过程与。物化过程与温度有密切关系，当温度升高以后，这些物理变化过程大大加快，温度有密切关系，当温度升高以后，这些物理变化过程大大加快，器件的失效过程被加速。器件的失效过程被加速。 在我国电子工业部颁发的在我国电子工业部颁发的电子设备可靠性预测手册电子设备可靠性预测手册中绘制了中绘制了电子元器件降额曲线。电子元器件降额曲线。 对于不同的元件，降额的方法是不一样的，对于不同的元件，降额的方法是不一样的，电阻器电阻器的降额方法是的降额方法是降低功率比，降低功率比，电容器

36、电容器是降低其工作电压，是降低其工作电压，半导体器件半导体器件的降额方法是的降额方法是将工作功耗保持在额定功耗之内，将工作功耗保持在额定功耗之内，数字集成电路数字集成电路通过降低周围环境通过降低周围环境温度和电荷来降额，温度和电荷来降额，线性集成电路、大规模集成电路和半导体存贮线性集成电路、大规模集成电路和半导体存贮器器也是通过降低周围环境温度来实现降额的也是通过降低周围环境温度来实现降额的，轴承轴承则以负荷比为降则以负荷比为降额系数。额系数。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续) 2 2降额原则降额原则 主要考虑三个问题：主要考虑三个问题：一是降额从怎样的温度、一

37、是降额从怎样的温度、电应力值开始；二是降电应力值开始；二是降额多少为合适；三是降额多少为合适；三是降额的效果。额的效果。 (1)(1)降额区域降额区域 一般元器件规范中都一般元器件规范中都附有温度、电应力的降附有温度、电应力的降额曲线。对于不同类型额曲线。对于不同类型的元器件，电的元器件，电 应力可应力可以是电压、电流或功率以是电压、电流或功率等。降额的第一步是使等。降额的第一步是使用降额曲线，曲线内的用降额曲线，曲线内的区域为允许工作区，曲区域为允许工作区，曲线本身又由两部分组成线本身又由两部分组成（图（图3 3）。）。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续) 与与

38、T T轴平行的轴平行的ABAB段表示当工作环境温度低于段表示当工作环境温度低于T TS S时，器件可满载时，器件可满载使用。使用。BCBC段表示温度高于段表示温度高于T TS S后需要遵循的降额率曲线。温度达后需要遵循的降额率曲线。温度达T Tmaxmax后，由于管芯已达最高结温，所以允许负荷的值只能为零。后，由于管芯已达最高结温，所以允许负荷的值只能为零。 这条这条ABCABC曲线表示要保证元器件正常工作所允许的最大电应力曲线表示要保证元器件正常工作所允许的最大电应力与环境温度之间的函数关系。我们要讨论旨在提高设备可靠性的与环境温度之间的函数关系。我们要讨论旨在提高设备可靠性的降额，就必须是

39、在曲线降额，就必须是在曲线ABCABC内的区域，可将内的区域，可将ABCABC曲线作为降额开曲线作为降额开始的基准线。始的基准线。 (2)(2)降额图降额图 一般用降额图来表示元器件可取的降额值范围。图一般用降额图来表示元器件可取的降额值范围。图4 4就是典型的就是典型的半导体器件的降额图。图中分三个区域：半导体器件的降额图。图中分三个区域： R R：禁用区域：禁用区域-在这一区域内，元器件应力超过其额定值，不能在这一区域内，元器件应力超过其额定值，不能使用。这一区域界线就是上面所说的降额曲线。使用。这一区域界线就是上面所说的降额曲线。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计

40、(续续) QQ：有问题区域：有问题区域在这一在这一区域内，元器件在其额定值内区域内，元器件在其额定值内工作，但不可能获得足够的可工作，但不可能获得足够的可靠性值。在该区内长期使用，靠性值。在该区内长期使用，元器件可靠性会降低。电路设元器件可靠性会降低。电路设计时，尽量不要选用。该区实计时，尽量不要选用。该区实在不能避开时，设计者应十分在不能避开时，设计者应十分谨慎。谨慎。 A A：合格使用区：合格使用区可靠性可靠性与费用之比是最佳的区域，可与费用之比是最佳的区域，可提供最佳安全系数。元器件在提供最佳安全系数。元器件在这一区域内使用，预计不会产这一区域内使用，预计不会产生可靠性退化。生可靠性退化

41、。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续) 例如，对于电子元器件的老炼，温度相差例如，对于电子元器件的老炼，温度相差100C，则寿命相差，则寿命相差l/21/1.5倍。倍。 3降额设计的局限性降额设计的局限性 元器件的降额使用并不是降额越多越好，因为降低元器件电负荷过多，将会增加设备的体积、重元器件的降额使用并不是降额越多越好，因为降低元器件电负荷过多，将会增加设备的体积、重量及成本；而且也不是任何情况下都能有效的，这是因为量及成本；而且也不是任何情况下都能有效的，这是因为 (1)当可靠性已达到要求时当可靠性已达到要求时，再用降额来继续提高可靠性就多余了。再用降额来继

42、续提高可靠性就多余了。同一设备中的各种元器件可靠同一设备中的各种元器件可靠性水平要协调。对其中某些元器件大幅度的降额，使其可靠性远离于其它元器件，这种降额也是不必性水平要协调。对其中某些元器件大幅度的降额，使其可靠性远离于其它元器件，这种降额也是不必要的。要的。 (2)单纯用降额来提高可靠性是有限度的。单纯用降额来提高可靠性是有限度的。因为无论是温度应力还是电应力，降额到一定程度后，因为无论是温度应力还是电应力，降额到一定程度后，这时即使再大幅度的降额，失效率也只有微小下降。这时即使再大幅度的降额，失效率也只有微小下降。第二节第二节 元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续) (3)

43、 (3)对于有些元器件过度降额反而有害。对于有些元器件过度降额反而有害。如大功率晶体管在小电流下工作，将大大降低放大系数且参数如大功率晶体管在小电流下工作，将大大降低放大系数且参数稳定性也下降。稳定性也下降。 例如：例如：有的元件降额容易发生低电平失效，如聚苯乙烯电容有的元件降额容易发生低电平失效，如聚苯乙烯电容CL10CL10、涤纶电容、涤纶电容CLllCLll和漆膜电容和漆膜电容CQ10CQ10、CQ20CQ20等。等。 对于电子管的灯丝电压和继电器的线包电流不仅不能降额，反而要控制在额定值上，否则将直接影响对于电子管的灯丝电压和继电器的线包电流不仅不能降额，反而要控制在额定值上，否则将直

44、接影响寿命和可靠的接触。寿命和可靠的接触。 (4)(4)电应力的降额比较容易做到，电应力的降额比较容易做到，对温度应力的控制主要靠改进热设计。对温度应力的控制主要靠改进热设计。 (5)(5)采用降额技术来提高可靠性采用降额技术来提高可靠性，还要讲效益，即降额程度的取值需综合考虑可靠性指标要求及重量、，还要讲效益，即降额程度的取值需综合考虑可靠性指标要求及重量、体积、成本的限制。如果单靠降额来提高可靠性其综合效益不高时，就应采取改进设计，提高元器件强体积、成本的限制。如果单靠降额来提高可靠性其综合效益不高时，就应采取改进设计，提高元器件强度等手段来提高可靠性。度等手段来提高可靠性。第二节第二节

45、元器件的筛选与降额设计元器件的筛选与降额设计(续续) 仪器仪表同其他电子设备一样，其仪器仪表同其他电子设备一样，其性能指标最终取决于它的元器件性能参数，性能指标最终取决于它的元器件性能参数，而元器件的性能参数由而元器件的性能参数由于制造公差、环境条件和退化效应存在着漂移特性。这使得初期工作性能好的仪器仪表随环境变化、时间于制造公差、环境条件和退化效应存在着漂移特性。这使得初期工作性能好的仪器仪表随环境变化、时间积累渐变为失效状态，这种失效称作漂移失效。设计者的任务就是在元器件参数波动时，仍能保证仪器仪积累渐变为失效状态，这种失效称作漂移失效。设计者的任务就是在元器件参数波动时，仍能保证仪器仪表

46、正常工作。这一设计技术称作漂移设计或允差分析技术。表正常工作。这一设计技术称作漂移设计或允差分析技术。 一、元器件的漂移特性及其对系统性能的影响一、元器件的漂移特性及其对系统性能的影响 仪器仪表性能的漂移失效一般有以下三个原因：仪器仪表性能的漂移失效一般有以下三个原因： 一是组成系统的元器件参数通常是以一是组成系统的元器件参数通常是以标称值标称值表示的。表示的。 其与实际数值之间存在着公差，例如标称其与实际数值之间存在着公差，例如标称1000精度为精度为10%的电阻，其实际阻值在的电阻，其实际阻值在9001100之间，之间，机械零件的加工精度也有公差。忽略公差，系统性能参数可能超出允许范围，发

47、生参数偏移，机械传动可机械零件的加工精度也有公差。忽略公差，系统性能参数可能超出允许范围，发生参数偏移，机械传动可能卡死或过于松动。由制造公差造成的参数偏移一般呈正态分布。能卡死或过于松动。由制造公差造成的参数偏移一般呈正态分布。 二是环境条件。二是环境条件。例如温度的变化会使机械零件膨胀或收缩，弹性模量不稳定，使电子元器件参数发生例如温度的变化会使机械零件膨胀或收缩，弹性模量不稳定，使电子元器件参数发生温漂。表温漂。表61示出了国产取示出了国产取TX碳膜电阻的温度系数。表碳膜电阻的温度系数。表62示出了涤纶、铝电解电容和铌电容在各种环示出了涤纶、铝电解电容和铌电容在各种环境下的变化量。境下的

48、变化量。 环境条件产生的参数偏移在许多情况下是可逆的，即随着条件环境条件产生的参数偏移在许多情况下是可逆的，即随着条件而改变。呈现系统性能不稳定。而改变。呈现系统性能不稳定。 三是退化效应。三是退化效应。如腐蚀和氧化，漏电和绝缘击穿，表面上金属如腐蚀和氧化，漏电和绝缘击穿，表面上金属离子的迁移，磨损和疲劳以及塑料的收缩和开裂，使离子的迁移，磨损和疲劳以及塑料的收缩和开裂，使元器件参数随元器件参数随时间而缓慢变化时间而缓慢变化。 退化效应引起的参数偏移是不可逆的退化效应引起的参数偏移是不可逆的。图。图5说明元器件受温度、说明元器件受温度、湿度、负荷等影响，其均值和标准偏差随时间发生缓慢变化。湿度

49、、负荷等影响，其均值和标准偏差随时间发生缓慢变化。 一个元器件特性值的漂移对系统性能的影响可用图一个元器件特性值的漂移对系统性能的影响可用图6表示。漂移表示。漂移通过相应的传递函数，转化成系统性能参数标称值和分布特性的变通过相应的传递函数，转化成系统性能参数标称值和分布特性的变化。当系统性能参数超出规定的指标范围时，系统呈性能故障状态。化。当系统性能参数超出规定的指标范围时，系统呈性能故障状态。 多个元器件特性值的漂移对系统性能的影响可用多元函数来描多个元器件特性值的漂移对系统性能的影响可用多元函数来描述。函数述。函数y与一些参数间可能存在正的对应关系，与另一些参数间可与一些参数间可能存在正的

50、对应关系，与另一些参数间可能存在负的对应关系。一组参数性能的组合使能存在负的对应关系。一组参数性能的组合使 y的变化范围超出了规的变化范围超出了规定的公差范围，呈现漂移故障。定的公差范围，呈现漂移故障。 二、漂移可靠性设计方法二、漂移可靠性设计方法 漂移可靠性设计漂移可靠性设计可分为控制元器件质量法与容差电路设计法。前可分为控制元器件质量法与容差电路设计法。前者对元器件用料及工艺过程进行严格的控制，以提高元器件制造者对元器件用料及工艺过程进行严格的控制，以提高元器件制造质量来减少漂移对系统的影响。而后者是从电路和系统设计角度质量来减少漂移对系统的影响。而后者是从电路和系统设计角度出发，允许所用

51、器件的参数在较大范围内变化。出发，允许所用器件的参数在较大范围内变化。 在实际应用中，常以下列三种方法设计电路在实际应用中，常以下列三种方法设计电路： 一是利用反馈技术，一是利用反馈技术，抑制元件参数变化给电路带来的影响，这属抑制元件参数变化给电路带来的影响，这属于线路设计技术；于线路设计技术； 二是利用补偿技术二是利用补偿技术，互相抵消由不稳定因素引起的参数变化。互相抵消由不稳定因素引起的参数变化。 如用陶瓷作电介材料的特种小型电容器可有几种不同的正或负温如用陶瓷作电介材料的特种小型电容器可有几种不同的正或负温度系数，在需要电容值固定不变的地方，把这些电容器和其他电度系数，在需要电容值固定不

52、变的地方，把这些电容器和其他电容组合起来，就可得到总温度系数很小的、任何容量的组合电容。容组合起来，就可得到总温度系数很小的、任何容量的组合电容。 第三种方法是漂移可靠性设计法第三种方法是漂移可靠性设计法，简称漂移设计简称漂移设计。下面以常用的下面以常用的最坏情况设计法为例加以介绍。最坏情况设计法为例加以介绍。 在电子设备中，功率损失通常以热能耗散的形式表现，而任在电子设备中，功率损失通常以热能耗散的形式表现，而任何具有电阻的元件都是一个内部热源。当电子设备工作时，本身何具有电阻的元件都是一个内部热源。当电子设备工作时，本身温度会升高。同时，设备周围的环境温度亦会影响设备内部温度。温度会升高。

53、同时，设备周围的环境温度亦会影响设备内部温度。随着微电子技术的发展，电子设备的热设计越来越受到重视。随着微电子技术的发展，电子设备的热设计越来越受到重视。由由经验可知，室温每提高经验可知，室温每提高10100 0C C，寿命就缩短，寿命就缩短1/21/21/1.51/1.5。这就是常说这就是常说的寿命与温度存在着的寿命与温度存在着“10100 0C C法则法则”，所以热设计是电子设备可靠，所以热设计是电子设备可靠性保障设计的主要方法之一。性保障设计的主要方法之一。 电子设备的热设计技术是针对热量的传播方式，研究多种控制热电子设备的热设计技术是针对热量的传播方式，研究多种控制热量的方法，以达到减

54、少温升，来保证电子设备的可靠性。量的方法，以达到减少温升，来保证电子设备的可靠性。电子设电子设备热设计的要求如下：备热设计的要求如下： (1)(1)通过热设计可达到在满足性能要求的条件下，尽可能减少仪器通过热设计可达到在满足性能要求的条件下，尽可能减少仪器内部产生的热量。内部产生的热量。 (2)(2)通过热设计减少热阻。通过热设计减少热阻。 (3)(3)热设计能保证设备和元器件能在较低的愠度条件下工作；以便热设计能保证设备和元器件能在较低的愠度条件下工作；以便作到减少参数漂移，保持电气性能稳定，从而提高可靠性。作到减少参数漂移，保持电气性能稳定，从而提高可靠性。 第四节第四节 热设计热设计 由

55、热力学第二定律可知，只要有温度存在，热量总是自发地从由热力学第二定律可知，只要有温度存在，热量总是自发地从高温物体传向低温物体。热能传输有导热、热对流、热辐射三种高温物体传向低温物体。热能传输有导热、热对流、热辐射三种基本形式，其原理及在工程中的应用分述如下。基本形式，其原理及在工程中的应用分述如下。一、导热原理及热设计中的应用一、导热原理及热设计中的应用 导热是指直接接触的物体各部分热能交换的现象。导热是指直接接触的物体各部分热能交换的现象。在液体和在液体和介电质固体中，热能的传输主要靠分子运动弹性波的作用介电质固体中，热能的传输主要靠分子运动弹性波的作用，在金，在金属内部则主要靠自由电子的

56、运动；在气体中依靠分子和原子的扩属内部则主要靠自由电子的运动；在气体中依靠分子和原子的扩散。散。 1导热基本定律导热基本定律 导热的基本定律是：在纯导热现象中，单位时间内由导热所导热的基本定律是：在纯导热现象中，单位时间内由导热所传递的热量传递的热量Qk(w)与材料两端的温差与材料两端的温差T(oC)及垂直于导热方向的截及垂直于导热方向的截面积面积S(cm2)成正比，与导热的路径长度成正比，与导热的路径长度l(cm)成反比，与材料的导成反比，与材料的导热系数热系数(Wcm oC)成正比，即：成正比，即：(13)第四节第四节 热设计热设计( (续续) ) (1)(1)导热系数导热系数。导热系数导

57、热系数是表示物体导热能力的物理量，其物理是表示物体导热能力的物理量，其物理意义是单位时间内通过单位长度温度降低意义是单位时间内通过单位长度温度降低1 10 0C C时所传递的热量。表时所传递的热量。表3 3列列出了不同材料在摄氏出了不同材料在摄氏20200 0C C时的导热系数。时的导热系数。 表表3 3 有关材料在有关材料在20200C0C时的导热系时的导热系 (Wcm oC)第四节第四节 热设计热设计( (续续) ) (2)(2)热阻热阻 如果把导热过程模拟成导电过程，则热路欧姆定律为如果把导热过程模拟成导电过程，则热路欧姆定律为 （1414） 式中，式中，T T和和QQk k的定义和单位

58、与式的定义和单位与式(13)(13)相同，热阻相同，热阻R RT T的单位为的单位为0 0C/WC/W。 对于横截面为对于横截面为S S，长为，长为L L的棒料，其热阻的棒料，其热阻R RT TL/SL/S。 2 2传导散热的主要措施（热设计）传导散热的主要措施（热设计） 对于安装密度高的电子设备，对流和辐射换热都比较困难。传导对于安装密度高的电子设备，对流和辐射换热都比较困难。传导散热就成了散热的主要手段。其主要措施有；散热就成了散热的主要手段。其主要措施有； (1)(1)选用导热系数大的材料选用导热系数大的材料制造传热零件，例如银、紫铜等。制造传热零件，例如银、紫铜等。 (2)(2)由于导

59、热是两种不同温度的物体相互接触时产生的，因此，必由于导热是两种不同温度的物体相互接触时产生的，因此，必须注意须注意接触热阻接触热阻。接触状态决定了导热过程。一般认为接触热阻。接触状态决定了导热过程。一般认为接触热阻与接触压强大小、表面加工状态、清洁程度、材料性质和接触面与接触压强大小、表面加工状态、清洁程度、材料性质和接触面积的大小有关。其中以积的大小有关。其中以接触压力影响最大接触压力影响最大。第四节第四节 热设计热设计( (续续) ) 接触不良的干面间存在着空气隙，导致热流线在接触处发生收缩，接触不良的干面间存在着空气隙，导致热流线在接触处发生收缩，致使温度发生突变，出现接触热阻剧增。因此

60、，必须增大接触压力，致使温度发生突变，出现接触热阻剧增。因此，必须增大接触压力，降低接触面粗糙度、提高清洁度来保证接触良好。或在接触面间涂硅降低接触面粗糙度、提高清洁度来保证接触良好。或在接触面间涂硅脂，或在接触面间垫入软的可展性导热材料。涂导热硅脂，接触热阻脂，或在接触面间垫入软的可展性导热材料。涂导热硅脂，接触热阻可降低可降低252535%35%，垫入铅箔，热阻约降低，垫入铅箔，热阻约降低20452045；若半导体器件；若半导体器件与散热器之间要求小电容时，可采用氧化铍垫片。与散热器之间要求小电容时，可采用氧化铍垫片。 (3)(3)尽量缩短热传导的路径尽量缩短热传导的路径，且在热传导路径中