电子产品可靠性设计浅析

2018-12-19黄天太

新型工业化 2018年10期

黄天太

（南京康尼电子科技有限公司，江苏南京 210046）

0 引言

在我国制造业升级转型的背景下，产品的可靠性越来越受到开发方和使用方的重视。电子产品的可靠性有其自身的特点，产品失效率符合浴盆曲线的规律，其设计可靠性从很大程度上决定了曲线的走向，讨论、总结电子产品的可靠性设计方法、管理流程是提高产品可靠性的基础工作[1]。

1 产品可靠性管理体系

产品可靠性管理体系是一套帮助产品设计工程师和其他人员在产品的全生命周期中管理产品可靠性的制度性保障，用于跟踪、记录产品的设计验证过程的可靠性数据和信息，规范面向高可靠性产品设计的流程和方法[2-4]。产品的可靠性设计必须以强有力的可靠性管理体系作为保障，在此基础上，统计分析既有产品的可靠性数据、制定可靠性设计准则、建立可靠性设计的分析方法和流程以及设计验证测试方案，从而系统地提高产品的设计可靠性。

2 可靠性设计

2.1 产品可靠性需求收集和分析

产品可靠性定义为产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，因此，要设计出高可靠性的产品，首先必须收集和分析产品环境信息，即定义中“规定的条件”，也可以称为可靠性需求。主要思路是建立产品的典型任务剖面、提取环境特征、挖掘隐性的使用条件，从而形成产品可靠性设计技术要求以及对产品样机的验证测试大纲，为产品的可靠性设计和验证确认提供依据[5-8]。

2.2 元器件选型和使用的可靠性控制

电子元器件是构成电子产品的最基本要素，其选型直接关系到产品整体的可靠性。元器件的可靠性需要从以下几个方面进行控制：

（1）元器件优选。首先需对现有的元器件进行分类筛选，按照类别将经过产品长期应用考验的元器件纳入优选器件库，供设计人员在产品设计中选用，制定出库、入库管理规范，严格控制新物料的种类。对于新选物料，在条件允许情况下可开展如下工作。

① 定制物料选型技术规格清单。一般情况下尽量不使用定制物料，如需使用，必须制定详尽的技术规格清单，从关键电气参数、主要电性能、机械参数、工艺参数、工艺辅料、原材料、出厂测试要求、相关标准化等方面进行明确的规定，将所有显性和隐性需求向供方明确，确保定制件的批量一致性和可靠性。

② 器件物理可靠性分析。如条件允许，对于新选型的元器件，可进行物理可靠性分析，通过X-RAY、超音波扫描、能谱测试、DECAP、切片等分析方法和手段，评估其物理可靠性，从其固有可靠性上进行控制。

③ 器件级的电性能测试。根据元器件的种类不同，对其关键电气参数和应用敏感参数，搭建测试电路进行电性能测试，有些器件还需要做耐候性测试，如盐雾、振动冲击等。

④ 制定元器件进货检验标准。元器件进货检验的核心是制定各类元器件的进货检验标准和进货检验实验室的搭建。采用合适的检验设备，对元器件包装、外观、尺寸、电性能等制定检验操作方法和检验标准。

（2）建立元器件通用可靠性要求

① 结合产品的生产、存储和使用条件，从元器件的运输、存储、组装、测试、使用等角度制定每类器件的通用可靠性要求，如芯片类器件的潮敏等级、静电等级等；

② 建立每类元器件的可选制造商名录；

③ 建立每类器件降额设计准则和禁用条件。

2.3 电路的可靠性设计

（1）电路可靠性设计准则。不同产品其使用环境和可靠性要求不同，电路可靠性设计准则由两个方面组成：

一是根据产品的可靠性需求，制定满足该类产品的可靠性设计准则，作为企业可靠性设计标准，这部分设计要求是对可靠性设计需求的闭环。比如产品的应用环境存在持续的振动和冲击，对应在设计中必须从结构设计、接插件选型、大型元器件的安装等方面制定要求。

二是根据现有的技术积累、可靠性理论、试验形成的通用的可提高产品可靠性的设计方法和原则，主要有以下几个方面：

① 电路基本通用设计要求：主要指电路的防反接、上电涌流抑制、过流保护、上电复位、看门狗等基本的电路设计要求。

② 热设计：热应力是导致电子产品失效的最为常见因素，电子器件的工作温度是影响产品寿命和可靠性的关键因素，在减小功率损耗的基础上，必须合理通过热的传导、辐射和对流设计降低其工作温度。

③ 电磁兼容设计：提高电路的抗扰度水平可提高电子产品在复杂电磁环境中的可靠性，主要包括静电、浪涌、快速瞬变脉冲群、电压中断跌落和变化、传导抗扰度、辐射抗扰度、工频磁场抗扰度等。需要在设计阶段从电路结构和参数、器件选择、电路板设计以及软件等多个方面着手，并通过对样机的电磁兼容测试检验。

④ 安规设计：电子电气产品的安规设计主要包括安全间隙和爬电距离、绝缘耐压、接地、防电击、防燃防爆、防电磁辐射等，对电子元器件的选择和电路设计有较为成熟的参考和标准要求。

⑤ 可制造性设计：根据现有的生产工艺条件关注产品的可制造性设计可有效避免产品在生产、测试过程中受到损伤，降低质量隐患，在PCB设计过程中遵循可制造性的规则，PCB设计完成后还可通过相关软件工具进行DFM检查，生成报告并优化修改。

⑥ 结构和防护设计：主要指电路板的安装结构和防护，需要避免机械应力对电路板和元器件的损伤，防水防尘等级以及电路板的三防设计。

（2）失效模式及影响分析。失效模式影响分析（FMEA——Failure Mode and Effect Analysis）是一种重要的可靠性设计方法，可以对各种可能的风险进行评价、分析，在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平内，目前在各个行业中得到广泛的运用。FEMA认识评价产品或者生产过程中的潜在失效及其产生的后果，寻找解决消除或减少潜在失效发生的措施，最终将全部过程以文件形式存档。由此提高产品的可靠性，降低批量质量问题，降低设计、生产、制造的质量风险。

FMEA是利用表格方式协助工程师进行工程分析，使其在工程设计早期发现潜在缺陷及其影响程度，及早谋求解决之道，以避免失效的发生或降低其发生时产生的影响。

第一，失效模式分析。由下而上分析，即由零、组件至系绕，确定在系统内不同结构屡成功能层次的失效模式。

第二，失效效应分析。对每一个失效模式，确定其失效对其上一层模组及最终系统的失效影响，了解其组件界面失效关联性，作为改进的依据。

第三，关键性分析，对每一个失散模式，依其严重等级和发生几率综合评估并予以分类，以便确定预防或改正措施的内容和优先顺序。

如图1所示，为某控制器输入信号接口电路示例，I0输入信号，经过光耦U1隔离，再经RC滤波和非门后出输给软件。

图1 某控制器信号输入接口电路Fig.1 Signal input circuit of a controller as an example

如表1所示，对图1的电路进行FMEA分析，仅对其中的光耦、晶圆电阻、贴片电阻三个器件作分析作为示例。严重度由高至低分为3、2、1三个等级，频次根据时效模式的占比分为4、3、2、1四个等级。

（3）最坏情况分析。分析电路组成部分器件参数的容差范围，找出最坏组合情况，从而得到电路可能出现的性能参数偏差。它利用已知零部件参数的变化极限来预计系统性能参数变化是否超过了允许范围，可以预测某个系统是否发生漂移故障，并提供改进方向，从而提高产品在恶劣工况下的可靠性和可用性。

（4）冗余设计。对影响控制器关键功能或安全性的模块进行冗余设计是提高系统可靠性的有效手段，因此，首先要识别控制器的关键功能部件和安全相关功能模块，再通过上述FMEA识别其失效带来的影响，最后确定冗余设计的方案。需要重点最关注以下问题：

第一，主电路模块和冗余电路模块最好采用不同的硬件实现方案，避免由于相同的失效机理或模式的发生，导致冗余失效。

第二，主电路模块和冗余电路模块在设计阶段需要充分地进行FMEA，冗余度尽可能深，即源端和终端尽可能延伸得更深入，消除共因故障导致主电路模块失效时冗余电路模块也发生失效。

第三，主电路模块和冗余电路模块的工作模式选取，合理选择热备份、交替工作、冷备份的冗余工作模式，热备份即二者同时处于工作状态，任意一个模块失效后另一个模块单独工作，其最大的缺点在于可能存在不确定性应力导致二者同时失效，优点在于无切换间断；交替工作即二个电路模块按照一定的周期交替性单独工作，只在交替瞬间二者同时工作，可有效避免同时失效和切换间断问题，其缺点在于引入的软件对交替工作的控制的不可靠性因素；冷备份即正常情况下主电路模块工作，只有在检测到其失效后，冗余电路模块才替代工作，其缺点在存在切换间断。

第四，主电路模块和冗余电路模块必须有独立、可靠的自诊断功能，确保冗余电路模块的可用性。

如图2所示为某控制器的输出驱动模块冗余设计，虚线框内的电路相互冗余，从源端CPU至终端负载的控制和反馈检测带来路完全独立，有效地避免了共因故障，各环节的电路采用不同实现方案，避免了相同失效机理和模式的失效。

2.4 电路板的可靠性设计

电路板是电子电路和元器件的载体，其裸板材料及加工工艺、电路板设计、组装工艺三个方面是决定其可靠性的关键。

表1 某控制器信号输入接口电路FMEA分析示例Table1 FMEA for signal input circuit of a controller as an example

（1）印制线路板材料及加工工艺。印制线路板的原材料、性能要求和验收标准均有完备IPC标准、国家标准以及行业标准，但要获取良好可靠性的印制线路板，需要在上述标准的基础上，结合产品的可靠性需求，从一般性要求（如板材、介质厚度、阻焊、塞孔等）、焊接或组装工艺要求（如可焊性、离子污染度等）、关键电气参数（如阻抗、绝缘耐压等）、环境试验要求（热冲击、电迁移等）、机械试验要求（抗剥离强度、附着力等）、安规要求、包装运输存储要求等方面形成具体的技术规范。

（2）印制线路板的布局布线设计。合理的电路板布局布线设计才能使电路设计和元器件的可靠性得到最大限度的实现，因此，需要从可靠性的角度制定设计规范，包括对电路板尺寸外形、器件布局规范、走线规则、各类孔的使用进行规范，从热应力、机械应力、信号完整性、电磁兼容、可制造性、可测试性的角度提供优化的设计规则。

（3）电路板的生产组装工艺设计。根据现有生产条件，制定合理的生产组装、测试工艺路线可有效避免该过程对产品的损伤和潜在质量隐患，包括焊接工艺（如焊料、阻焊剂等工艺材料的选取存储、焊接温度设置等），清洗工艺（清洗材料的选取、清洗方法等），三防工艺，在线测试设备和方法。由于生产工艺对产品可靠性的影响具有潜伏期，因此，这些工艺参数的确定需要大量调研借鉴现有的成熟应用，在此基础上制定自身的工艺路线，进行大量的工艺验证试验后方可实施。