电子系统可靠性设计-第章电子设计可靠性基础

第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》《电子系统可靠性设计》教师：董武北京印刷学院信息工程学院北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》第一章电子设计可靠性基础1.1可靠性的重要性1.2可靠性的概念1.3可靠性定量表征1.4可靠性技术概要1.5可靠性设计北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.1可靠性的重要性2011年，温州高铁追尾事故：北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》国家安监总局公布温州动车事故调查报告：原因：通信系统在雷击下失灵通号集团所属通号设计院，在LKD2-T1型列控中心设备，存在严重设计缺陷和重大安全隐患。当温州南站列控中心采集驱动单元，采集电路电源回路中保险管F2遭雷击熔断后，采集数据不再更新，错误地控制轨道电路发码及信号显示，使行车处于不安全状态。雷击也造成5829AG轨道电路发送器与列控中心通信故障。北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》该动车安全控制系统的可靠性有重大缺陷：1）防雷设计有缺陷应采用防雷电保护接地、内部设备的严格屏蔽、浪涌保护元件，等多种防护手段，防止雷电袭击2）冗余设计列控中心采集电路只有一路独立电源。应配备两路独立电源，只有当两路电源同时失效时，才会导致系统故障3）设备设计重大缺陷列控中心主机：虽收到故障信息，未采取任何防护措施北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2014中国探月工程“嫦娥三号”玉兔月球车：北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》月球车是我国最高智能机器人：能够自主导航:根据照相机拍到的四周情况，自己决定该走哪条路、怎么走；能够自主避障；能够自动上坡下坡动力来源：可伸缩的太阳能电池帆板，白天工作时展开，夜晚则收起来，保护各种仪器不被冻坏。白天时太阳能电池帆板还要调整角度，避免被阳光照射得太热。移动装置：为“六轮独立驱动，四轮独立转向”的方案。月球车“玉兔”出现问题北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》全国大学生智能汽车竞赛2011第六届太原理工大学赛场北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2012年第七届河北大学赛场北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2013第八届东北大学秦皇岛分校赛场北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2014第九届北京理工大学赛场北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2015第十届北京工业大学赛场北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》智能车曾经出现的可靠性问题：1、智能车正常运行后停下后，又运行，又停下来：单片机不停的复位，原因：直流电机运行干扰单片机的电源电压；程序中数组的指针越界2、智能车前期运行正常，突然不能正常运行（程序一直没有变）：传感器的位置发生了变化（线性CCD的螺丝松动，电感的位置发生了变化）直流电机经过长时间运行后，已经损坏；舵机拐弯的轴承松动北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》火车网上订票系统：刷票软件，高峰时崩溃，硬件和软件的问题电子监管码自动识别排废系统：编码器输出脉冲信号杂乱•北美防空联合司令部，早期警报指挥中心一个价值仅45美分极小的集成电路失效，两次发生虚假的苏联人进攻的警报北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》•83年，科罗拉多州洪水泛滥计算机预告错误，水库被冲垮•意大利国家数据库被破坏6秒钟，要6年才可修复。•1996年6月，欧洲阿里亚那五火箭发射失败升空40秒，在4000米自爆，损失5亿英镑。原因：火箭设计师重硬件可靠性设计，轻软件可靠性设计，导致火箭惯性制导系统软件出现规格和设计错误北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》软件系统存在的问题：•据统计：“约75%的软件开发费用于可靠性测试和维护”IBM开发OS360：花费5000人年，每个新版本存在100个bug据调查：“对软件系统，每百万行代码有两万个Bug，测试时发现90％，余下Bug中，200个在运行的第一年出现，其他则不被发现”•“例行维护通常在修复200个Bug时引入200个新的Bug”–美国国防部《软件开发水平评估》•最高级企业：每4行代码，平均缺陷数0.32个•最低级企业：每4行代码，平均缺陷数11.95个–据统计：“软件故障率是硬件的10倍”北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.2可靠性的概念1、元器件元器件，也称为“电子元器件”：是电子系统的最基本单元，包括二极管、三极管、电阻、电容、电感、集成电路芯片、继电器、电缆等，零部件，也称为“机械零部件”：指机械系统的基本单元，包括螺栓、螺帽、轴承、销子、弹簧、软管、齿轮、密封件等产品：指系统、设备、部件、元器件、软件等装备：指由各种元器件、零部件组装而成，具有独立功能的系统例如：电子设备、卫星、飞机、潜艇等北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》元器件的分类：北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2、可靠性任何电子产品的评价，有4个指标：功能、性能、成本、可靠性。电子系统可靠性的定义1：指电子系统不出故障，或尽可能少出故障，如果出现故障，能够在最短时间内修复。电子系统可靠性的定义2：电子系统在规定时间内、规定条件下完成规定功能的能力，是产品质量的重要方面北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》故障或失效：在规定时间内、规定条件下，产品失去规定的功能故障：指可修复产品（如电子整机，经更换元器件可以修复），短时间内失去规定功能（如电磁干扰）失效：指不可修复产品（如电子元器件，只能更换，无法修复），为失效永久，失去规定功能（如雷电引发烧毁）北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业：第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》规定条件:包括使用条件、环境条件使用条件：动力负载条件（电源、输出功率、载荷等），使用频率条件（工作频率、速度、数据率等），过电应力条件（静电、浪涌、过电压、过电流、雷击等）环境条件：气候环境（温度、湿度、空间辐射、气压等），生物和化学环境（霉菌、盐雾、臭氧、污染等），机械环境（振动、冲击、加速度等），电磁环境（电场、磁场、电磁场等）北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》电子系统的可靠性，有三个因素决定：1）电子元器件的可靠性2）电路和结构的可靠性设计3）电子整机的组装可靠性可靠性是电子系统的生命线特别是：应用在恶劣环境下，例如:野外、强电环境、雷击、高湿度、高温、航天宇宙中北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》3.可维修性和可保障性可维修性：指产品在固定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，恢复到能完成规定功能的能力，使用平均维修时间(MTTR,Meantimetorepair可保障性：指产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行保障时，保持完成规定功能的能力,使用平均故障延误时间(MLDT,MeanLogisticsDelayTime)表示。平均故障延误时间：指从出现故障，到开始维修，之间的平均时间可用性，或可信性：指可维修、可保障产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。)表示。北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》4.安全性和健壮性安全性(Safety)：正确地安装、维护和使用设备，使之不会危害人、家畜和财产健壮性(Robustness)，或鲁棒性、坚固性：系统从各种出错条件下恢复原有功能的能力。北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》5.可靠性的发展历史和现状20世纪40年代：可靠性引起重视50、60年代：对可靠性进行深入研究70年代：研究成熟，制定了很多可靠性标准和规范80年代：在各种电子设备，民用、工业设备、军事设备都非常强调可靠性现状：从元器件的研制、生产，到设备和系统的开发研制，都严格遵守可靠性原则特别是：在恶劣环境下的武器装备和工控设备北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》6.可靠性研究的2个方面1)可靠性理论研究：从数学理论出发，研究电子设备的可靠性理论2)可靠性工程研究可靠性理论在工程上的实现这门课程：主要学习可靠性工程研究北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.3可靠性定量表征1.3.1失效率1.3.2寿命1.3.3失效分布北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.3.1失效率可靠性可用定量的指标来表征。我们无法准确预计产品在何时失效，只能得到产品在何时失效的可能性高低，所以，可靠性的定量表征指标均为概率或平均值1）可靠度R(t)定义：产品在t时间内不失效的概率R(t)=P{τ>t}τ为产品的寿命有N个产品，工作到t时间，有n(t)个失效，N(t)个未失效，则R(t)的估计值（实际的可靠性定量指标只能通过试验或现场观测得到其近似值，亦称观测值）产品在刚投入使用时不会失效：R(0)=1产品只要使用时间足够长，最终一定会失效：R(+∞)=0北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2）失效概率(也称为不可靠度)F(t)定义：产品在t时间内失效的概率F(t)=P{τ≤t}τ为产品的寿命显然:F(t)+R(t)=1若N个产品工作到t时间有n(t)个失效，则产品在刚投入使用时不会失效：F(0)=0产品只要使用时间足够长，最终一定会失效：F(+∞)=1北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》3）失效密度(也称累积失效率或失效概率密度)f(t)定义：产品在t时刻附近的单位时间内，发生失效的概率若N个产品，在t时刻附近的单位时间段△t内，有△n(t)个失效，则失效密度和其它参数的关系：因为：所以：北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》4）失效率λ(t)定义：在t时刻，尚未失效的产品在t时刻附近的单位时间内，发生失效的概率若N个产品，在t时刻未失效的产品有N(t)个，在t时刻附近的单位时间段△t内，有△n(t)个失效，则失效率和其它参数的关系：λ(t)的单位：Fit：1Fit=10-9/h，每十亿个小时的失效元件数Fpmh：1Fpmh=10-6/h，每百万个小时的失效元件数北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》经过大量的实验，表明：电子元器件的失效率有一定的规律元器件电容插座接点二极管集成电路大、中、小规模石英晶体电阻焊点变压器晶体管（三极管）可变电阻导线绞接点失效率（%1000h）0.020.050.0130.010.050.0020.00020.50.040.010.00002北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.3.2寿命1.寿命的定义平均寿命：寿命的平均值寿命方差：北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2.寿命的估值不可修复产品：θ是MTTF(平均无故障时间)的估计值当所有试验样品都观察到寿命终了的实际值时，θ是它们的算术平均值。若有N个产品投入试验，都观察到寿命终了期，寿命为ti的有ni个（i=1,2,…,k)，则可修复产品：θ是MTBF(平均故障间隔时间)的估计值θ的估计值：产品使用寿命期内，在某个观察期间，累计工作时间T与故障次数r之比北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.3.3失效分布1.浴盆曲线绝大多数电子元器件、电子系统整机的失效率曲线：早期失效期：失效率较高，呈下降趋势，失效原因：由于设计错误、工艺缺陷(焊接不牢、密封不良、材料中有杂质、缺陷)、装配问题、管理不当等通过筛选老化的方法，剔除早期失效的产品，提高可靠性初始失效期的时间：一般几十至几百小时北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》绝大多数电子元器件、电子系统整机的失效率曲线：偶然失效期，„也称为使用寿命期:失效率较低，稳定，基本保持常数，是产品的最佳工作阶段失效原因：大多由于产品固有质量、或者偶然因素引起偶然失效期的时间：不同器件不一样；同一种器件：不同用途的也不一样民用级芯片：失效期达百万、千万小时工业级、军用级芯片：失效期更长北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》绝大多数电子元器件、电子系统整机的失效率曲线：耗损失效期，又称衰老期：失效率再度呈现上升趋势相对于一般电子设备或电子元器件，半导体器件在损耗期的上升更缓慢一些失效原因：由于元器件材料磨损、疲劳、老化等只能更换元器件解决元器件失效的形式：1）突然失效，或称为灾难性失效：突然短路或开路2）退化失效：元器件的参数逐渐变差系统的失效的两种形式：局部失效、整体失效北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2.指数分布处于偶然失效期的绝大多数电子元器件，以及由许多元器件独立组成，且无过多冗余的电子系统，均符合指数分布。指数分布：用于描述偶然冲击引起的失效。偶然冲击：指在很短的时间间隔内，几乎不会发生多于一次的冲击，而且发生各次冲击的事件是彼此独立的可靠度：失效概率：失效密度：失效率为常数：北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》平均寿命：平均寿命与失效率互为倒数寿命方差：北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业例如:野外、强电环境、雷击、高湿度、高温、北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业1失效率可靠性可用定量的指标来表征。1）电子元器件的可靠性包括使用条件、环境条件第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》对集成电路功耗的影响：R(t)=P{τ>t}τ为产品的寿命北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业5）射频电路设计与高速数字设计应用可靠性和固有可靠性的比较：例如：电脑死机后，再也无法开机第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》这门课程：主要学习可靠性工程研究为ti的有ni个（i=1,2,…,k)，第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.4可靠性技术概要1.4.1全寿命周期的可靠性保证技术全寿命周期：包括电子系统的设计、制造、测试检验、工作、失效等各个阶段。在各个阶段：必须采用不同的可靠性技术手段，保证电子系统的可靠性北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》第一代可靠性保证技术：老化筛选：对所有的器件、产品实施，使其工作在最大功耗下，连续工作100小时或更长，剔除早期失效的产品可靠性试验：抽样进行，使其在比正常工作高得多的条件下，工作失效分析：对老化筛选、可靠性试验进行分析，得到失效模式、失效机理，为改进提供依据。北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》第二代可靠性保证技术：提出“内建可靠性”的理念，认为可靠性是设计出来的、生产出来的、维修出来的。无论是设计、生产、维修，必定包含着管理1）需求调查阶段分析用户对可靠性、维修性的要求、对影响可靠性的因素进行分析：用户使用条件、使用环境、操作人员2）设计方案阶段制定可靠性、维修性的实施方案，制定可靠性、维修性的工作计划、工作规范北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》3）硬件、软件方案设计开发阶段对可靠性、维修性的实施方案进行分解和细化，落实到细节上，选择合适的元器件、合理的软件设计方法4）生产制造阶段在研发的系统经过多个用户、长时间（几个月）使用，并被专家、用户鉴定、认可之后，进入生产制造阶段采取严格的可靠性保障措施：每道工序进行质量控制，仔细设计生产工艺，使用经过老化筛选的元器件，认真测试，进行环境试验对故障进行记录，并做分析，写出故障报告北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》5）使用阶段产品使用时：必须保证产品在规定的条件下工作必须对使用者进行技术培训，提供技术资料，保证一旦出现故障，知道如何进行维修，保证在最短时间内修好。北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》系统设计中要注意的问题1）一慢一快的原则一慢：指在用户需求调查、制定方案时，要仔细、认真、全面、周到制定方案：慎重，选择最佳方案，无论是硬件还是软件，方案都是合理，每个器件都要考虑只有方案合理、可以实现，后续工作才有意义需要经验，对电子的硬件、软件有全面的了解和把握北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》一快原则：一旦方案确定，要调动所有开发人员的积极性，以最快的速度进行开发制定各部分的开发时间节点，例如：各个硬件模块、软件模块的开发和调试时间、联调时间等如果没有按照这个原则，最终结果都不好北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2）在设计阶段要考虑调试问题制定方案时：考虑如何联调，采用什么步骤、顺序进行调试；准备需要的信号源、测试设备硬件软件开发阶段：考虑选择的元器件是否能够正常工作软件要进行调试：模拟各种可能的情况，测试软件的错误北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》3）硬件和软件的折中应用有些功能既可以软件实现，又能够硬件实现，要充分考虑各种可能，进行最优设计例如：1）进行数字电路设计，设计计数器，时序状态控制：可以使用数字电路芯片，进行硬件设计也可以使用CPLD、FPGA，编写程序进行实现2）单片机要进行以太网通信：TCPIP协议既可以使用C语言编写，也可以使用硬件实现了的以太网接口芯片，例如W5100北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》第三代可靠性保证技术：失效检测和寿命预报：在产品内部嵌入监控模块，检测退化过程，在产品失效前预报、及时发现故障，更换元器件、切换到冗余系统上。北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.4.2可靠性筛选技术筛选的定义：指对所有的元器件进行非破坏性测试、应力试验，经过一定时间后，把特性测试一遍，剔除失效的器件，或具有潜在缺陷的元器件的过程元器件筛选的目的：是淘汰有缺陷的器件。元器件的固有可靠性：即使厂家采取了很多措施，但是难以避免有不合格的产品在元器件生产的过程中，由于材料的缺陷、设备工艺的原因，元器件存在内伤，在出厂之前，没有暴漏出来。可靠性筛选效果的表示：筛选剔除率：被淘汰的产品占产品总数的比率北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》筛选应力的大小、应力施加的时间：应保证早期容易失效的器件，能够被发现并剔除，同时不会对无早期失效的器件带来损伤筛选应力越大，则应力施加的时间应越短，例如：125℃、100小时的筛选与100℃、240小时的筛选，效果是相同的北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》一次筛选和二次筛选：为什么需要进行二次筛选？1）元器件生产公司使用的筛选条件，低于产品的实际使用条件2）元器件在生产公司出产后，在使用之前，经过长时间的运输、存储，其性能可能会发生变化北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》（4）振动冲击筛选把元器件放在振动试验台上，连续振动，后测试性能，把不合格的去掉（5）湿度筛选把元器件放在高湿度的环境下，存放数十个小时，后测试元器件的性能（6）密封检测筛选氦质谱检漏：检测出细微的漏气浸油法：把元器件放在100°的碳氟油液体中，元器件内部的空气，遇到高温膨胀会有气泡冒出（7）样机的连续工作样机在进入现场之前，加电连续工作数十到数百小时北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.4.3可靠性与成本的权衡一个电子产品的寿命周期成本：包括研发生产成本、运行维护成本研发生产成本：包括原材料采购、设计、工艺改进等方面的成本运行维护成本：包括修理、维护、备件和保障等方面的成本可靠性越低：研发成本越低，运行维护成本越高可靠性越高：研发成本越高，运行维护成本越低前期研发阶段：投入越多，后期的运行维护成本越低可靠性最低端、最高端：寿命周期成本都很高寿命周期成本最低，也是性价比的最佳点：下面两条曲线的交叉点北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》在设计阶段解决可靠性问题：比在测试、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手段北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》国外某短程导弹项目，在研制阶段的七个节点，进行设计修改，所付出的平均花费在产品研发中：越早考虑可靠性设计，成本就会越低北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.5可靠性设计1.5.1应用可靠性和固有可靠性1.5.2环境应力1.5.3失效模式和失效原因1.5.4可靠性设计的重要性人为因素北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.5.1应用可靠性和固有可靠性电子元器件可靠性的分类：固有可靠性和应用可靠性固有可靠性：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，和出厂时的可靠性检测条件应用可靠性：器件在实际使用时，在整个系统中，表现出的可靠性除与固有可靠性有关之外，还与器件的工作条件与非工作条件有关工作条件：元件实际工作时的条件非工作条件：元器件在运输、存储、焊接、装配、测试时的条件北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》应用可靠性和固有可靠性的比较：1）应用可靠性<固有可靠性例如：元器件工作时所处的条件，不符合元器件自身的特点；在运输、存储、焊接、装配时，器件受到了不适当的电、热、机械、化学等应力、或误操作等“一类元件装出三类整机”2）应用可靠性>固有可靠性在运输、存储、焊接、装配时，器件的操作正常；元器件工作时所处的条件，符合额定条件；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”，北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.5.2环境应力环境应力：指电子系统所处的各种环境环境应力的分类：电应力、温度应力、机械应力、气候应力等北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》引起电子设备失效的环境应力分布：野外地面电子设备机械电子设备航空电子设备温度：对各种电子设备影响都大振动：对航空电子设备影响最大北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》按应力强度（从小到大）及产生的后果，环境应力的分类：A级、B级、C级，通常叫“干扰”例如：电磁干扰、噪声等，通常由元器件的功能暂时失效所致A级：设备仍然能在规定的环境中实现正常功能，但性能有下降例如：电脑运行速度变慢B级：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，设备自动恢复正常状态，不再出现误动作或局部功能失常例如：电脑个别软件无法运行C级：设备运行停止，需要外部干预（如操作者重新启动）才能重新开始运行例如：电脑死机，重新开机，可恢复正常北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》如果应力类型为电应力：D级、E级，通常叫“电过应力”例如：浪涌、静电放电、雷击、核辐射等通常由元器件的永久性失效所致D级：故障现象同C级，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例如：电脑死机后重新开机可正常运行，但之后会频繁死机E级：设备即时永久丧失功能，必须进行维修例如：电脑死机后，再也无法开机北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》c.温度对电容的影响温度变化影响电容的电介质、技术参数、使用寿命2）电源的影响电源自身的波动、瞬时掉电、冲击：电源电压升高：对放大器的影响：使放大器的放大倍数增加，放大器不稳定，产生自激，严重的使器件击穿对集成电路功耗的影响：使集成电路的功耗增加，过大功耗会损坏器件对电容的影响：可能使电容击穿电容的失效率和电容的电压成正比会使系统的硬件产生暂时、永久性的故障北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》3）湿度的影响使元器件的绝缘性能变差，引起漏电。特别是既有高压，又有低压的电路4）振动、冲击的影响损坏系统的器件使器件断裂、脱焊、接触不良使导体碰撞，引起短路5）其他环境因素的影响电磁干扰、压力、盐雾、粉尘、粒子辐射等高湿度：腐蚀密封不良的器件；电子设备故障统计结果:原因温度振动湿度粉尘盐雾气压冲击其他百分比22.211.4104.21.91.91.147.3结论：环境因素引起的故障，占到了一半以上北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》6）结构和工艺的影响结构设计的不合理：需要通风的地方没有留出位置晶闸管、大继电器等产生大干扰的器件，放在易受干扰的元器件附近操作人员观察、维修十分困难弱信号电缆和强信号电缆放在了一起工艺上的不完善：焊点虚焊、电路板加工不良、金属化孔断开例如：有些元器件靠近热源；北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》1.5.3失效模式和失效原因元器件失效按照严重程度，有三个类型：1）即时失效元器件功能立刻丧失，影响整机的合格率、成本必须更换元器件2）潜在失效当时元器件的功能正常，但给元器件的功能带来隐性损伤，其寿命、环境适应能力明显退化，存在失效隐患影响整机寿命及环境适应能力，比较隐蔽3）暂时失效元器件功能暂时失常，但是在干扰消失后，会恢复正常北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》元器件失效的其它分类：1）按照失效模式，指失效后的表现开路失效、短路失效、功能退化失效、突变失效2）按失效的原因初始失效、随机失效、耗损失效、误用失效、环境应力失效3）按时间特征渐变失效、突然失效、间歇失效、退化失效北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》统计数据:（来源：航天部失效分析中心）我国航天设备的故障：大约50％是由元器件失效引起其中，元器件失效中，因为元器件使用不正确，又占30～50％北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》元器件失效的原因：1）元器件自身的原因芯片集成度→↑工艺尺寸↓→片内电流密度↑，电场强度↑，热不匹配性↑芯片工作电压→↓噪声容限↓→抵抗外界过电压的余度↓数字电路工作频率↑、模拟电路灵敏度↑→片内防护电路设计制造难度↑北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》电子元器件的发展：从电子管、晶体管、集成电路，到超大规模集成电路，其抗应力冲击的能力，下降了5个数量级μJ：表示抗应力冲击能力的单位北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》随着集成电路工艺尺寸的缩小、集成电路工作电压的降低、集成电路速度的提升，要保证同样的片内静电防护级别，所需的成本将会按指数规律上升北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》2）片外原因系统高频高速化：电过应力与干扰的传播路径多样化、复杂化应用环境多样化：如航天、航空、车载、手持移动设备等保护手段低成本化：如采用无屏蔽作用的塑料机箱取代金属机箱，用塑料封装取代高可靠的金属、陶瓷封装等北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》3）元器件失效的浴盆曲线大量实验表明：元器件的失效率有一定规律在规定条件(额定条件)下，元器件的失效率曲线：浴盆特性曲线特点：不同的时期，失效率不一样使用方法：避开元器件的初始失效期使其工作在随机失效期(失效率低)在到达损耗失效期之前，更换新的元器件北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》4）使用不当在正常使用条件（额定工作条件）下：元器件有失效期，经过若干时间的使用，会逐渐衰老失效，是正常现象在非额定工作条件下：元器件的故障率会大大提高实际使用时：许多故障是由于使用不当、错误使用造成的额定工作条件：各种元器件的正常工作条件：包括额定电压、额定电流、额定功率、额定温度、额定电磁环境、额定湿度、额定频率等北京印刷学院信息工程学院电子信息工程专业第一章电子设计可靠性基础《电子系统可靠性设计》（1）电阻器电气特性：阻值、额定功率、误差、温度系数、温度范围、线性度、噪声、频率特性、稳定性例如：薄膜电阻：用于高频、脉冲电路线绕电阻：用于低频、直流电路功率电阻：用于功率大的场合使用不当的例子：超过电阻的额定功率，应该使用大功率电阻北京印刷学院信息工程学院电子信