第六章系统可靠性设计

可靠性设计——VI.系统的可靠性设计（方法）高嵩2/6/20231可靠性设计本章内容系统可靠性设计的内容及其准则元器件的降额设计耐环境设计（系统的热设计、三防设计、抗振设计）印制板的可靠性设计2/6/20232可靠性设计1.系统可靠性设计的内容及其准则2/6/20233可靠性设计系统可靠性设计系统可靠性设计是为了在设计过程中挖掘、分析和确定系统或设备中的薄弱环节及其隐患，采取设计预防和改进措施，以清除薄弱环节和隐患，提高设备和系统的固有可靠性。2/6/20234可靠性设计系统可靠性设计的内容一般包括：元器件的选择和降额设计元器件的容差和漂移设计对高可靠性系统进行冗余设计环境保护设计、热设计和三防设计抗振动、冲击设计电磁兼容设计和防电磁泄漏设计可维性和可用性设计软件可靠性设计系统可测试性设计容错技术2/6/20235可靠性设计系统可靠性设计准则系统可靠性设计准则是把已有的、相似的设备或系统的工程经验和教训总结起来，使其条理化、科学化、系统化，成为设计人员进行可靠性设计所遵循的原则和应满足的要求。一般都是针对某个设备或系统的，也可以把各种型号的产品的可靠性设计准则的共性内容综合成某种类型的设备的可靠性设计准则。如军用飞机控制系统和高可靠性计算机系统的准则，继承了多年设备和系统的可靠性设计经验，贯彻规范化设计，将其综合起来作为计算机应用系统可靠性准则，具有重要意义。2/6/20236可靠性设计系统可靠性设计准则可靠性设计准则，不仅可指导工程技术人员进行系统可靠性设计，而且在项目评审时可用于审查设计的合理性。如果设备或系统的设计方案与可靠性设计准则相符，说明该设备或系统的可靠性定性要求已经满足；如果因种种原因不能满足可靠性设计准则，则需要对该设计方案提出疑问，并做进一步的研究和改进设计。制定可靠性设计准则是进行可靠性设计的重要依据；贯彻可靠性设计准则可以提高系统的固有可靠性；是使可靠性设计和性能设计相结合的有效方法；贯彻可靠性设计准则，其工程实用价值高，费用低；可靠性设计准则是各种工程经验、教训的总结。2/6/20237可靠性设计系统可靠性设计准则系统可靠性设计准则的内容简化设计准则冗余设计准则耐环境设计准则热设计准则降额设计准则元器件选择与控制准则电磁兼容设计准则安全性设计准则人机工程设计准则采用新技术准则稳定性设计准则2/6/20238可靠性设计2.元器件的降额设计2/6/20239可靠性设计降额设计的概念元器件的可靠性试验表明，失效率将随着工作电压、环境温度的增加而成倍地增加，降额设计就是使元器件或设备、系统工作时承受的工作应力适当降低于元器件或设备、系统规定的应力额定值的条件下工作，从而达到降低基本故障率、提高使用可靠性的目的。2/6/202310可靠性设计降额设计的机理对电子设备最有影响的应力包括电应力（电压、电流、功率和频率）、温度应力（温度、湿度）、机械应力（振动、冲击）等。降额包括有意识地降低元器件所承受的应力和元器件的降额使用。如元器件承受突然的应力变化，如电压波动等，应注意瞬时值也不应该超过额定值。同时也要考虑批量元器件可靠性参数的分布情况。过度降额并无益处。如金属膜电阻器的基本故障率随工作应力的变化。2/6/202311可靠性设计降额设计的主要考虑降额设计主要考虑三个问题：降额的基准值，即从什么样的温度、电应力值开始降额；降额尺度，即降额多少合适；降额效果。如薄膜电阻器的降额曲线。ABC曲线反映了该型电阻器降额的基准值I、II、III级降额曲线反映了不同的降额尺度降额效果可以通过对元器件的故障率预计模型获得2/6/202312可靠性设计降额等级一般地，元器件的降额可分为三个等级I级降额，是最大程度地降额，适用于设备故障将会危及安全、导致任务失败和造成严重的经济损失情况时的降额设计。它是保障设备可靠性所必需的最大降额，若采用比他还大的降额，不但设备可靠性不会增长多少，而且设计上难以接受。II级降额，是中等程度地降额，适用于设备故障将会使工作任务降级和发生不合理的维修费用情况下的降额设计。这级降额仍处于降低工作应力可对设备可靠性提高有明显作用的范围内，它比I级降额易于实现。III级降额，是最小程度的降额，适用于设备故障只会对任务的完成有小的影响并易于修复的情况，这级降额的可靠性增长效果最大，设计上也不会有什么困难。2/6/202313可靠性设计降额标准对于数字电路，实际扇出系数与额定扇出系数之比应小于0.9。规定的电源电压不能超出。一般电容器的电压降额系数取为0.4-0.5，其失效率约为额定失效率的1/10。电阻器的功率降额系数取为0.5左右。对于开关及连接件，其电流降额系数应在0.5以下。如继电器，指的是触点电流降额。降额设计不能随便用，降额不足或降额太大都可能出现危险。2/6/202314可靠性设计3.耐环境设计2/6/202315可靠性设计耐环境设计的内容1971年，美国对机载电子设备全年发生的故障进行剖析，结果发现，50%以上的故障都与环境因素有关，其中，温度、湿度、振动、冲击造成的故障占44.69%。因此，为了提高系统可靠性和对各种环境的适应能力，需要进行耐环境设计。包括：抗气候环境设计。即进行热设计和三防设计。抗机械环境设计，即抗振动、冲击设计。抗辐射环境设计，即针对核辐射进行的防护设计。抗电磁干扰设计，即电磁兼容性设计。2/6/202316可靠性设计系统热设计热设计产生温度是影响电子产品可靠性的一个重要环境因素。一般地,电子产品的故障率随着环境温度的增长呈指数增长。半导体元器件、尤其是集成电路对温度最为敏感。除了故障率随温度的增加呈指数增长，耐压值、漏电流、放大倍数等参数均是温度的函数。热设计的必要性与目的在航空航天等高科技产品中热设计技术日益得到重视。对电子产品热设计分析的目的是基于对系统热交换过程的分析和热场的计算或测量，从热源、热流、散热等方面对电子产品进行热控制，以达到减少参数漂移，保持电气性能稳定，提高产品可靠性的目的。2/6/202317可靠性设计系统热设计——方法热交换的途径热交换的方式主要有三种：热传导、热对流、热辐射。在固体材料内部由于分子之间相互作用而产生的热交换，称之为热传导；在固体表面与流体表面之间的热交换，称之为热对流；以电磁波传播的形式由物体表面直线辐射出去的热交换，称之为热辐射。2/6/202318可靠性设计系统热设计——方法电子产品热环境的影响因素电子产品在工作过程中都存在着各种能量（如电能、动能）向热能的转换，根据其发热的多少形成大小不同的热源。电子产品中热源产生的方式一般有以下几种：电能转化为热能机械摩擦产生热能航空航天产品中的空气动力加热热设计中，只考虑发热量这个因素往往是不够的，还必须考虑热耗散密度问题。2/6/202319可靠性设计系统热设计——方法电子产品常用的冷却方法自然冷却完全靠自然对流、传导和辐射进行散热，是最简单、最经济的散热方法，广泛使用。散热能力较差。强迫空气冷却采用风机进行吹气或抽气冷却的方式，热耗散能力较高。缺点是内部污染问题，引入不干净气流和噪声污染。冷板式冷却比以上方式热耗散能力都要高的方式。2/6/202320可靠性设计系统热设计——方法元器件的布局与安装除了要考虑元器件工作温度的控制和元器件的自然散热情况外，主要应考虑的问题是元器件的布局与安装。主要原则有：发热元器件的位置安排应尽可能分散；为尽量提高产品的可靠性，应使热敏感元器件处于温度最低区域；采用短通路，加大安装面积，采用导热率高的材料，尽量减少传导热阻；应采取措施使接触面的热阻降到最小。2/6/202321可靠性设计系统热设计——方法机箱的热设计机箱设计的任务是在保证设备承受外界各种环境和应力的前提下，采用各种必要的散热手段，最大限度地把设备产生的热量散发出去。在设计时，应根据设备的实际情况建立机箱与设备的热模型，进行热分析计算及温度测试，改进方案优化设计，使机箱的热设计达到预期效果。机箱的形式主要有密封机箱、通风机箱和强制风冷通风机箱三种。2/6/202322可靠性设计系统热设计热分析手段进行电子产品热分析的目的是确定电子产品及其组成部分的温度及分布，并对热设计的成果进行检验和优化。获得电子产品温度场的途径主要有数值分析计算和热测量两种方式。热场的数值分析计算方法主要适用于产品的设计过程，此时尚无实物产品可供测量。采用热测量的方式确定实物产品表面温度及温度场很方便，所得结果也较准确。2/6/202323可靠性设计系统热设计热分析手段BETAsoft可以对印刷电路板的热效应进行准确，可靠的分析。通过确定印刷电路板的温度及其梯度，器件和焊点的温度，设计者可以方便地确定设计中潜在的散热及可靠性问题。由于采用了局部变步长的有限元微分算法，与传统的有限元算法相比，其计算速度大大提高。针对热传导，对流和辐射情况，BETAsoft可建立复杂的三维气流与热场模型，并考虑器件上是否加装了散热片，芯片风扇及导热垫等散热装置。BETAsoft

的分析结果与实际测量误差小于10%，可确保分析的准确性。2/6/202324可靠性设计系统热设计热分析手段2/6/202325可靠性设计系统三防设计“三防”是指对潮湿、盐雾和霉菌的防护。“三防”设计就是防潮湿、防盐雾和防霉菌的设计，也包含防尘及其它腐蚀气体。潮湿、盐雾、霉菌和灰尘对系统可靠性的影响主要表现在使系统设备的绝缘性能降低、霉烂腐蚀和其他性能恶化或断路失效。一般是：绝缘材料被水汽所湿润，缝隙中侵入水汽后结露；高温、高湿时霉菌容易生长，使器件变质失效；金属表面产生电化腐蚀和使氧化作用加剧；尘埃的堆积和水汽的湿润会造成各种材料的腐蚀。2/6/202326可靠性设计系统三防设计潮湿使有机和无机材料受潮、发涨、变形，使金属材料加速腐蚀，使绝缘材料绝缘性能降低甚至击穿。盐雾引起金属电化学腐蚀，也使其绝缘电阻降低。氯气、氨气及二氧化硫等有害气体与潮湿气体结合，会产生酸、碱性气体，加速金属件的腐蚀作用，直接影响电子设备的绝缘性能。霉菌可使绝缘电阻大大降低，抗电强度降低，加速塑料老化、金属材料腐蚀，破坏漆膜的保护作用。2/6/202327可靠性设计系统三防设计对潮湿、盐雾、霉菌和灰尘的防护采用结构性防护、材料防护、隔离防护和工艺防护，即设计或选择良好的预防结构，选用良好的防护材料和装置，采用优良的制造工艺和可靠的涂覆层或镀层。具体有：采用元件密封、组件密封、零件涂覆等措施，防止腐蚀性气体介质与材料接触，如用气体、液体填充，实现全密封、硅覆盖陶瓷等气密性结构。通过排湿气、冷却方法消除潮湿、霉菌、盐雾等影响，改善工作环境。采用不受潮湿、盐雾、霉菌腐蚀的材料，如聚氨树脂漆、有机硅漆等，以及采用对金属可起防护作用的油漆、有机薄膜、电镀构成防护层。对整机或系统采用加固式防护外壳。印制板电路和组件涂覆防潮材料。采用表面不易被破坏和防尘的结构，密封或灌封是有效的三防措施。2/6/202328可靠性设计系统抗振动、冲击设计振动、冲击对系统可靠性的影响机械振动冲击对系统的可靠性也会产生影响，该类振动包括变频振动、线性加速等冲击。在系统设备中，振动、冲击会造成元器件变形，接触不良，严重的还会造成元器件损坏。因此，进行抗振动冲击设计，就是在设计上采用各种有效措施，减轻机械环境对系统设备可靠性的影响。2/6/202329可靠性设计系统抗振动、冲击设计抗振动、冲击的措施消除相关振源消除设备内外的相关振源是设备振动与冲击防护的主要措施。提高结构刚度，防止低频激振设备的振动特性由其质量、刚度和阻尼特性确定。当激振频率较低时，在不增加质量和改变阻尼特性的情况下，通过提高结构刚度，来提高设备及元器件的固有频率与激振频率的比值，达到防振的目的。采用隔离措施，防止高频激振当激振频率较高时，通过提高结构的刚度等措施来改变设备的振动特性不可取，这时可在设备和传递振动的基础结构之间采取隔离措施（如安装减振器）。2/6/202330可靠性设计系统抗振动、冲击设计抗振动、冲击的措施采用去耦措施，优化固有频率振动过程中，印制板及其所装配的元器件之间会出现相互振动耦合，从而使设备的固有频率分布很宽，容易与外界激振产生共振。这时可用硅橡胶封装整个印制板组件，使之成为一个整体，消除元器件与印制板之间的相互振动耦合，使设备的固有频率分布变窄，达到不易共振的目的。阻尼减振技术可以采用粘弹阻尼材料粘贴或喷涂在需要减振的结构上进行减振。采用阻尼减振技术，可以达到在不增加设备质量和提高系统刚度的情况下，提高设备的振动防护能力。2/6/202331可靠性设计系统抗振动、冲击设计具体措施在结构设计上，应尽量提高产品的耐振能力，它与产品的重量、刚度和安装布局均有密切的关系。减轻重量有利于产品耐振，但有一定的限制，主要应保证产品有足够的刚度。对于系统的框架结构，既要保证稳定可靠，又要保证使用灵活。必要部位都应加装弹簧垫圈。结构布局应利于耐振，重量分布应当均匀，重心位置应居于设备中心，较重的物体应尽量靠近整机中心位置。2/6/202332可靠性设计系统抗振动、冲击设计具体措施对于电子元器件，应当注意防止断线、断脚或拉脱焊点等故障。对电容、电阻或二极管等，一般应该卧装。对较重的元器件及印制板都应采用固定结构。可采用环氧树脂粘接、加卡或紧固螺钉。导线、线束及电缆应进行绑扎，分段固定。可调电位器使用方便，但尽量少装，调整后应锁紧，固定阻值。2/6/202333可靠性设计系统抗振动、冲击设计具体措施采用局部或整机灌封结构是提高耐震能力的有效办法，同时，也有利于三防，但不利于散热，且会导致重量增加，不便维修等。2/6/202334可靠性设计4.印制板的可靠性设计2/6/202335可靠性设计印制板可靠性设计的目的PCB可靠性设计的目的，是为了实现PCB良好地散热和电磁兼容性，保证PCB上的元器件和功能电路工作可靠。为了提高PCB装配的可靠性，必须在结构选材、元器件及电路布局和制造工艺等方面满足电路性能要求。PCB装配板常出现的失效模式有：信号干扰、印制线剥落和锈蚀、元器件引线蚀断、耐用冲击性能差、接插件断开、电晕打火、板面翘曲及元器件损坏等。2/6/202336可靠性设计印制板可靠性提高的措施覆铜箔印制板的选择印制板按结构形式分为：单面印制电路板双面印制电路板多层印制电路板挠性印制电路板平面印制电路板根据覆铜箔板材料不同可分为：酚醛纸基覆铜箔板(纸铜箔板)环氧酚醛玻璃布覆铜箔板(布铜箔板)环氧玻璃布覆铜箔板聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板2/6/202337可靠性设计印制板可靠性提高的措施类型工作温度范围特点覆铜箔环氧酚醛玻璃布层压板小于100℃适用于制作工作频率较高的电子/电器设备中的印制板覆铜箔环氧玻璃布层压板可达130℃透明性好，适用于制作电子/电器设备中的印制板覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板可在200℃下长期工作介质损耗小、介电常数低，价格昂贵，适用于制作国防尖端产品和高频微波设备中的印制板常用覆铜箔层压板的工作温度范围和特性表2/6/202338可靠性设计印制板可靠性提高的措施覆铜箔印制板的选择实际中，基板的选材应依据整机的性能指标，使用条件（如气候、电气环境、化学条件酸碱度等）以及经济性，否则可能会影响电路正常稳定工作或者造成浪费。对于高压电路，应选用具有良好高压绝缘性能的板材。如果选用绝缘性能差的酚醛纸基覆铜箔板，则可能会造成基板击穿打火而产生火花放电干扰，严重时可能碳化短路；高频电路要选择高频损耗小的基板，如聚四氟乙烯板。如果选用高频特性差的酚醛板，将会由于高频损耗过大而影响电路高频性能；一般的低频低压及民用电路，则要求基板经济性好，价格低廉，如果选用成本较高的玻璃布板，则会造成不必要的浪费。2/6/202339可靠性设计印制板可靠性提高的措施覆铜箔印制板的选择以袖珍晶体管收音机为例，由于机内线路板本身尺寸小，印制板线条宽度较大，使用环境良好，整机售价较低，因此在选材上应十分注意考虑价格因素，故选用酚醛纸质基板即可，而没必要选用高性能的环氧玻璃布基板。在微型计算机等高档电子产品中，由于元器件密度高，印制导线窄，板面尺寸大，线路板制造费用只占整机成本的一个很小的比例，所以在设计选材时，应以覆铜板的各项技术性能作为考虑因素，不能片面追求成本低廉。

2/6/202340可靠性设计印制板可靠性提高的措施印制板装配的散热印制板的散热主要是设法将印制板及印制线上安装的元器件工作时产生的热量散布出去。选用厚度大的印制线，以利于导热和自然对流散热。应减少元器件引线脚与印制线间的热阻。当元器件的发热密度过大，单靠元器件引线脚和元器件本身不足以充分散热时，可采用散热网、汇流条、散热管等措施，以增加元器件的热传导。若元器件的发热密度非常高，可考虑安装散热器，并在元器件、散热材料和散热器之间涂抹导热膏。对于安装密度较高，采用上述措施后还不能充分散热时，应采用导热性能好的PCB，如金属基底印制板和陶瓷基底印制板。2/6/202341可靠性设计印制板可靠性提高的措施元器件的布局设计印制电路板不仅仅是简单地将各个元器件之间用印制导线连接起来，更重要的是应当考虑电路的特点和要求。如高频电路对于低频电路的影响，各元器件之间是否会产生有害的干扰，以及热传递等方面的影响等。由于布局不正确带来的分布参数的影响也不可以忽略，所以在设计印制电路板时应当充分考虑元器件的摆放位置。

2/6/202342可靠性设计印制板可靠性提高的措施元器件的安装技术为了提高PCB装配板的耐振动和冲击的性能，元器件的安装应有一定的措施。静电敏感器件的安装在等电位工作台上进行，以免静电损坏器件。对大电流器件（如整流二极管），其引脚有散热作用，不可过短，也不宜套上绝缘管。必须保证焊接质量，消除虚焊。焊接处的清洁是保证焊接质量的首要条件。焊接组装完毕后，需要进行检查和清洗。表面贴装技术的应用2/6/202343可靠性设计印制板可靠性提高的措施布线原则不相容的地线分别布置。为了防止公共地线阻抗耦合干扰，对不相容的地线如大电流与小电流、高频与低频、模拟与数字、不同电源电压的地线应分别布置。对于单、双面板而言，常采用轨线作为地线。为了减小其阻抗，应使之尽量加粗，但当干扰频率很高时，地线上的干扰电压仍可能加大，所以要采用分地的方法防止不同地回路间干扰互相影响。另外对双面板或多层板可采用大面积接地或将一面作为地线层，这时的地线电感量就变得很小。在分地过程中，还应注意的是不相容电路的回路不要有公共部分。同时应当在适当位置上连接起来。

2/6/202344可靠性设计印制板可靠性提高的措