提高电路中元器件的使用可靠性

陈龙云，陈凤云

（1.清华同方，江西 九江 332007；2.赣西供电局，江西 新余 338025）

1 引言

整机可靠性的基础是必须有合理、正确的电路设计及元器件的可靠性保证，为得到高可靠性的整机设备必须两者配合得当。随着科学技术的发展，电子设备的复杂程度越来越高，使用条件也越来越复杂和严酷，这就要求元器件生产厂家不断地提高元器件的固有可靠性水平，也要求元器件的使用单位要不断地提高元器件的使用可靠性水平，再加上合理、正确的电路设计，才能提高整机的可靠性。产品的质量和可靠性水平，是产品取得更早的上市时间的有利保证，也是企业争得市场、获得信誉和取得经济效益的决定因素。

2 电子元器件的失效原因分析

2.1 设计问题

以往工作中的元器件失效分析统计数据表明，元器件失效不单是元器件本身的质量问题所致，还有相当的比例是由于整机电路元器件的选择和设计不合理而引起的。对我国使用的战术雷达和民用电视机等电子产品的现场故障进行统计分析，结果显示，由于设计不合理而导致的故障占据首位。这些现场数据表明，要提高产品的可靠性，关键在于搞好产品的可靠性设计工作。

2.2 各种人为因素

据2008年 《可靠性与质量信息》统计：各种不合理使用及人为损坏元器件所造成的失效比例在整个元器件失效数据中所占的比例约为58.1%。在产品的生产过程中，如库存、搬运、老化筛选、电气装配以及安装调试、试验，这些都可能会有元器件失效的事例发生。例如：元器件的装配，当器件插上单元板后，试调整机，功能正常，但焊接到电路印制板上、装入整机后，整机却不能工作。分析原因，发现焊接使用的烙铁没有良好接地，不符合元器件的电路焊接标准要求，导致器件静电击穿失效。

2.3 其它因素

统计表明，由于其它电应力造成的失效也占很大的比例。比较典型的原因有：接地不良、示波器探头、反冲电动势、系统设计无余量、二次击穿、输入端引入高压大电流、静电和浪涌等。例如：很多单位的供电系统都是接 “0”保护，即 “零”线与 “地”线接在一起，这是符合供电系统的使用标准的。然而，对于微电子器件、CMOS器件，在其电路设计、调试和生产过程中，则必须采用接“地”保护，即 “零”线要严格分开。很多使用单位对此问题并未引起足够的重视，从而导致了器件的失效或产品的报废。

另一个问题是，在进行直流电流的计量后，不注意引出线的接地问题，接地只接电源机壳而没有接上地线，造成整机发生莫名奇妙的故障甚至导致有的元器件失效；或者由于接反了工作台上输出电源的正负极性，导致有些器件被击穿失效。这是因为，如果有正确的电路设计，并合理地选用元器件，就可以大大提高元器件的应用可靠性；而且，对于绝大部分问题，在技术上都是可以解决的，在实践中也是可以避免的。

3 提高电子元器件使用可靠性的几点建议

a）尽量采用经过元器件质量认定，并经过实际证明质量好、可靠性高、定点生产的成熟与通用的元器件。同时，应根据整机使用的环境条件和所要求的特性参数来确定选用元器件的具体型号、规格和品种。

元器件的选择通常要考虑以下几方面的因素：

1）对元器件供应商要考虑过去的历史、生产装备、供应者审批状态、满足采购要求和二次资源等方面的问题；

2）在元器件应用方面，则应研究元器件封装类型、尺寸、安装和使用的经验，功耗情况，降额和腐蚀控制；

3）从可靠性角度来说，首先应考虑设计成熟性、供应商和元器件的历史及元器件的结构，材料和工艺，生产质量控制情况；

4）考察元器件质量控制情况，特别是鉴定情况，基本文件或技术状态控制，失效分析，污染控制及原材料检验等方面；

5）器件性能方面，要考虑各功能参数漂移影响，环境设计余量和标准化要求等因素。

b）满负荷极限工作的元器件，其寿命将大大下降。为了降低元器件现场使用的失效率，对元器件的使用实行降额 （包括电流、电压和功率）及降温的办法。降额设计就是使原器件或设备工作时承受的工作应力适当地降低于元器件或设备的额定值，从而达到降低基本故障率、提高使用可靠性的目的。电子产品和机械产品都应做适当的降额设计，因电子产品的可靠性对其电应力和温度应力较敏感，故而降额设计技术对电子产品显得尤为重要，成为可靠性设计中必不可少的组成部分。对于不同的元器件，降额的方法是不一样的，电阻器的降额方法是降低功率比；电容器是降低其工作电压；半导体器件的降额方法是将工作功耗保持在额定的功耗之内；数字集成电路则通过周围环境温度和电负荷来降额；线性集成电路、大规模集成电路和半导体存储器也是通过降低周围环境温度来实现降额的；对于机械部件的轴承来说，它是以负荷比为降额系数的。

然而，降额设计也要把握好降额等级，过度的降额并无益处，会使元器件的特性发生变化或导致元器件数量不必要的增加或无法找到合适的元器件，反而对设备的正常工作和可靠性不利。有些元器件的负荷应力是不能减额或者对最大减额有限制的。例如：电子管灯丝电压和继电器线包吸合电流是不能减额的，否则电子管的寿命要降低；特别是微波大功率磁控管等，不仅会影响寿命，而且还会因灯丝欠热而跳火，以至不能正常工作；继电器则不能吸合或会引起接点抖动。有的元器件，减额到一定程度时却得不到预期的减额效果。例如：薄膜电阻器的功率减额到10%以下时，失效率则不再下降。又如三极管的Vec电压减额到额定值的四分之一以下和一般二极管的反向电压减额到最大反向电压的60%以下时，失效率也都不再下降。

c）在保证电路功能的前提下，应按以下要求来选择元器件。

1）尽量选用数字电路，少用模拟电路；尽量选用集成度高的电路，少用集成度低的电路；尽量选用密封的器件，不用扁平电路；尽量选用功耗小的器件。

2）根据频率、功率、耐压和噪声等来选择半导体分立器件时，应尽量选择硅半导体器件，不选或少选锗半导体器件。

3）对使用环境苛刻，工作及贮存寿命有一定要求的高可靠设备，不能选用非气密性的塑料封装结构 （此类器件仅可在地面良好或地面固定环境中使用）的电路或器件，而应选择金属、陶瓷密封封装的电路或器件。

4）尽量选用高可靠器件，少用继电器、开关、电真空器件和旋转器件。

5）尽量选用无源器件，将有源器件减至最少的程度。

6）尽量不用或少用电位器，必须用时建议选用合成实芯或线绕电位器，调机结束后必须密封。

7）根据耐压、介质损耗、频率、容量变化和温度系数等参数来选择电容器。尽量少用铝电解电容器，需用时必须严格筛选。

8）根据阻值范围、温度系数、噪声、高频高速响应、功率、电压以及稳定性等参数来选择电阻器时，应尽量不用RT电阻器，而选用RJ电阻器。

对于特殊电路，或者由成本很高的元器件所组成的电路，可加保护电路作为预防措施。对功耗较大的 （如≥3 W）的元器件，应附加具有散热的部件，并保证其接触良好。

d）在电路中，若使用的是特殊元器件，如CMOS电路、场效应管，则应具有防静电的工艺配套措施，如配备防静电服、防静电皮和防静电手套。

e）正确地选择安装工艺方法，如印制板的机械配合孔、元器件的安装孔以及结构尺寸设计的合理性。以防止由于结构或工艺设计的不合理而造成元器件存在的内应力，从而加速元器件的早期失效。

f）加速元器件应用可靠性的研究，编写有关元器件的使用指南或使用规则，制定元器件优选目录，根据不同类型电子设备的可靠性指标要求和使用环境条件的要求，确定该设备所需的电子元器件的质量等级，拟制该设备的元器件优选清单。在应用时根据产品各研制阶段的实际需要，对元器件优选目录实施动态管理。这样可以提高电路设计人员对元器件的可靠性设计水平。例如：可根据单位的实际情况来编写 《COMS电路使用规则》、 《集成运放电路使用规则》等文件。从而使设计、使用人员有章可循，将大大减少人为因素造成的元器件失效。

g）加强元器件的检验和老化筛选工作，在源头杜绝不合格元器件的质量监督和质量跟踪。开展元器件极限应力分析试验，提高元器件使用可靠性。通过在极限温度及机械应力下元器件试验与分析，充分暴露元器件设计、工艺及结构缺陷，为元器件满足装备系统特定使用环境下的可靠性提供最直接的数据参考。有关使用部门应及时做好质量信息反馈工作，定期写出使用情况报告，交有关质量部门。在进行产品维修服务时，故障、失效分析应到元器件级而不是到电路板级，这样，根据某批产品的元器件故障、失效分析和统计就可以判定所选用的批量元器件的可靠性，由此可以采取加严检验或换厂家等措施。

h）组织失效分析研讨会，交流元器件使用经经验。将筛选失效的样品及现场使用失效的样品全部收集起来，送分析中心进行失效分析，及时判别失效模式，弄清失效机理，根据分析结果找出危害质量的主要原因。有必要时还可做破坏性物理分析（简称DPA分析），了解器件批次性质量的好差。同时，加强接触元器件的有关人员 （如库房、筛选和装配）进行培训，提高从业人员的专业素质。

4 结束语

电子元器件的应用可靠性是一门科学，是提高整机应用可靠性的关键。通过合理地选择与控制元器件，尽可能地降低元器件的失效率，并采取扬长避短的补偿措施，提高元器件的使用可靠性。元器件的应用是电子产品的可靠性的基础保证，对电子元器件质量和管理的投入，不仅不会降低经济效益，反而会提高经济效益。

[1] GJB/Z 299C-2006，电子设备可靠性预计手册 [S].

[2] GJB/Z 450A-2004，装备可靠性工作通用要求 [S].

[3] GJB/Z 35-1993，电子元器件降额准则 [S].

[4] 陆廷孝，郑鹏洲，何国伟，等.可靠性设计与分析 [M].北京：国防工业出版社，1995.