电子产品可靠性设计理论及应用概要

李艳

【摘 要】阐述了产品可靠性的定义及分析电子产品可靠性的常见指标。提出了设计电子产品可靠性应遵循的基本原则，并重点介绍了降额设计、热设计、电磁兼容性设计等可靠性设计的技术方法。

【关键词】可靠性；故障率；可靠性设计

随着市场经济的发展，人们对产品的使用性能要求不断提高，同时也更加重视产品的可靠性和安全性。我国在20世纪70年代在电子工业和航空工业中初步形成可靠性研究体系，并应用于军工产品，与先进国家差距20～30年。目前我国在用的可靠性标准是国家军用标准《GJBZ299C-2006电子设备可靠性预计手册》，此标准为电子设备和系统的可靠性预计提供了基本数据和方法。本文简述电子产品可靠性预计理论，对电子产品的可靠性设计方法提出参考性建议。

1.可靠性的技术指标

产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力称为可靠性。“规定条件”指使用时的环境条件和工作条件；“规定时间”指产品规定的任务时间；“规定功能”指产品规定的必须具备的功能及其技术指标。

衡量产品可靠性水平标准有定量的，也有定性的，最常用的有可靠度、可靠寿命、故障率（失效率）λ（t）、有效寿命与平均寿命、平均无故障工作时间MTBF，本文只介绍常用的两种评价方式。

1.1平均无故障时间MTBF

在规定条件下、规定时间内完成规定功能的概率；平均故障间隔时间MTBF的计算方法有两种。

（1）元器件计数法：该方法适用于产品设计开发的早期。它的优点是不需要详尽了解每个元器件的应用及它们之间的逻辑关系就可迅速估算出产品的故障率，但预计结果比较粗糙，本文不做具体说明。

（2）应力分析法：适用于电子产品详细设计阶段，产品具备了详细的元器件清单、电应力比、环境温度等信息，这种方法比元器件计数法准确，是产品在定型和批量生产时进行可靠性分析实际应用的方法。

首先求出每个元器件的工作故障率λpi=λbπEπTπQ

式中：λpi—第i种元器件的工作故障率；

λb—元器件基本故障率； πE—环境系数；

πT—温度系数；πQ—质量系数。

然后计算产品的工作故障率λs：

λs=Nλpi

式中：λpi—第i中元器件的工作故障率；

N—第i种元器件的数量； n—产品中元器件的种类数。

最后计算产品的平均无故障时间MTBF=1/λs。

1.2产品故障率λ（t）

产品在规定的使用条件下使用到时刻t后，产品失效的概率。

λ（t）可用下式进行计算：

λ（t）=

式中：Δr（t）—t时刻后，Δt时间内的发生故障的产品数；

Δt—时间间隔；Ns（t）—在t时刻没有发生故障的产品数。

1.3浴盆曲线

大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，故将故障率曲线称为浴盆曲线。产品故障机理虽然不同，但产品的故障率随时间的变化大致可分为三个阶段：

（1）早期故障阶段：在产品投入使用的初期，产品的故障率较高，且存在迅速下降的特征。

（2）偶然故障阶段：在产品投入使用一段时间后，产品的故障率可降到一个较低的水平，且基本处于平衡状态，可以近似认为故障率为常数。

（3）耗损故障阶段：在产品投入使用相当长时间后，产品进入耗损故障期，产品的故障率迅速上升，出现大量的产品故障或报废。

2.可靠性设计技术

可靠性设计包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作。为提高电子产品的可靠性，产品设计时应注意结构尽量简单化、插件化，尽量选用成熟的结构和典型的电路，还要对产品的性能、可靠性、经济性综合考虑。

常采用的可靠性设计技术有元器件的降额设计、冗余化设计、热设计、电磁兼容设计等。

2.1降额设计

降额设计是使元器件在低于额定值的应力状态下工作。为了提高元器件的使用可靠性，延长产品的寿命，降低施加在器件上的工作应力（如：电、热、机械应力等），以保证电路既能可靠地工作，又能保持所需的性能。通常电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比，电容降额是使工作电压低于额定电压，半导体分立器件降额是使功耗低于额定值，接触元件则降低张力、扭力等。

电子元器件通常有一个最佳的降额范围，在这个范围内，元器件工作应力的变化对其失效率有显著的影响。设计时应综合考虑降额的条件及降额的量值，使降额时设备的可靠性增长效益最大，设计上实现困难最小。

2.2热设计

由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高，这将使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合。因此热应力是影响电子元器件失效率的一个最重要的因素。对于某些电路来说，可靠性几乎完全取决于热环境。有资料表明环境温度每提高10℃，元器件寿命约降低1/2，这就是有名的“10℃法则”。为了达到预期的可靠性目的，必须将元器件的温度降低到实际可以达到的最低水平。

热设计包括散热、加装散热器和制冷三类技术， 最常采用的方法是加散热器方式，如在计算机机箱的电源附近加上风扇，以达到物理散热。

2.3冗余设计

冗余设计是用一台或多台相同单元（系统）构成并联形式，当其中一台发生故障时，其它单元仍能使系统正常工作的设计技术。这种设计技术通常应用在比较重要，而且对安全性及经济性要求较高的场合，如锅炉的控制系统、程控交换系统等。

2.4电磁兼容性设计

电磁兼容性问题可以分为两类：是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

为了使产品达到电磁兼容状态，通常采用印制电路板设计、电源线滤波、信号线滤波、接地等技术。印制电路板应尽量采用大板或多层板以减少接插点，元器件布局时发热元件远离关键集成电路，布线尽量避免直角走线。对噪声干扰特别敏感的器件应重点隔离。频率大于10兆赫的高速器件走线尽可能短。对于常插拔的部件，设计成单面走线，尽量避免从两侧引出电缆，以便减小共模电流辐射。电源线应尽可能的靠近地线，数字地与模拟地分开。低频电路的地采用单点并联接地，高频电路采用多点串联接地，接地线加粗构成闭环路。

3.结束语

随着电子产品的技术革新和广泛应用，产品可靠性已成为衡量企业产品质量的关键技术指标。近年来，国家电网招标文件中就明确规定了投标企业必须提供包括产品设计方案、主要元器件性能、可靠性计算过程及结果、可靠性相关工艺等内容的可靠性预计报告，这也促进了企业在设计开发、生产和试验中开展可靠性设计和分析工作，为产品质量的可靠性管理工作建立了良好的基础。

【参考文献】

[1]钱振宇.开关电源的电磁兼容性设计、测试和典型案例.电子工业出版社ISBN，2011-07-01.

[2]国家军用标准 GJBZ299C-2006电子设备可靠性预计手册.

[3]郭猛.电子设备可靠性研究[J].信息与电脑（理论版），2011，（09）.