元器件的可靠性技術(shù)

1、元器件的可靠性技術(shù)     一、概論 可靠性問題是軍用電子設(shè)備得特殊問題，是在第二次世界大戰(zhàn)提出 并開始致力解決的問題。隨著軍事大系統(tǒng)的復(fù)雜化和智能化，促使可靠性技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展，逐步形成一套系統(tǒng)的、規(guī)范的方法。 可靠性技術(shù)基于兩個(gè)重要的理論基礎(chǔ)：失效物理和概率統(tǒng)計(jì)，同時(shí)，它產(chǎn)生了兩個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，即系統(tǒng)可靠性和元器件可靠性。在元器件可靠性領(lǐng)域又進(jìn)一步可分為元器件固有可靠性和使用可靠性。前者主要研究元器件的設(shè)計(jì)和制造過程中的可靠性，后者側(cè)重研究在電子系統(tǒng)研制過程中如何選好、買好、用好和管好元器件，防止、控制引入過應(yīng)力而損壞可靠元器件和接收、

2、使用可靠性不能滿足要求得元器件。 1.元器件的失效 失效是元器件不能完成規(guī)定任務(wù)的一種狀況，即在元器件執(zhí)行任務(wù) 過程中功能終止或性能參數(shù)超出容許的權(quán)限。正是因?yàn)榇嬖谠骷?，人們提出和發(fā)展了可靠性技術(shù)?？煽啃约夹g(shù)就是研究失效發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律及糾正、控制和預(yù)防的一整套辦法。 元器件失效判據(jù)是針對(duì)某個(gè)元器件在特定應(yīng)用條件下的一種具體規(guī)定，其范圍一般寬于該元器件的合格判據(jù)。如 某電阻器的判據(jù)是阻值100±20%才算失效。而在某種應(yīng)用時(shí)，阻值變化超出100±20%才算失效。這就是元器件可靠性與元器件質(zhì)量?jī)蓚€(gè)概念的不同之處。 元器件可靠性是在元器件設(shè)計(jì)、制造過程中形成的固有特性，在

3、一定的使用應(yīng)力作用下，工作到某個(gè)時(shí)刻發(fā)生失效，可靠性是t=T時(shí)的質(zhì)量。 2.失效模式 失效模式是失效的一種表現(xiàn)形式，如開路、短路、時(shí)好時(shí)壞、參數(shù)超出極限等等。不同元器件失效模式不盡相同。一種元器件往往有多種失效模式，每種失效模式出現(xiàn)的概率是不同的。 了解各種元器件失效及其分布對(duì)正確使用元器件很重要：以開路為主要失效模式的元器件，不宜串聯(lián)使用；以短路為主要失效模式的元器件，不宜并聯(lián)使用；以參數(shù)漂移為主要失效模式的元器件應(yīng)采取必要的補(bǔ)償或控制措施。 3.失效原因 元器件失效總是有原因的，具體原因可能多種多樣，但從應(yīng)力與強(qiáng)度關(guān)系看可分為兩大類：第一類是元器件存在本質(zhì)缺陷，強(qiáng)度太低，在正確工作應(yīng)力下失

4、效，叫固有失效或責(zé)任失效；第二類是使用中引入過應(yīng)力導(dǎo)致的元器件失效，叫使用失效或從屬失效。 元器件固有失效按其性質(zhì)和原因又可分為系統(tǒng)性和偶然性的。系統(tǒng)性的失效是在設(shè)計(jì)或制造或試驗(yàn)過程中控制不良引入某種固有缺陷所致。而偶然失效則是隨機(jī)的，沒有一個(gè)主導(dǎo)失效原因在起作用，是設(shè)計(jì)、制造水平?jīng)Q定的。 使用中過應(yīng)力失效往往是由于選擇不當(dāng)，或應(yīng)用不合理或操作失誤所致。元器件在工作過程中遇到的電、熱、機(jī)械、輻照、粒子等單項(xiàng)或綜合應(yīng)力超出了元器件所能承受的程度，就失效。 4.失效后果 元器件失效后果的嚴(yán)重程度取決于元器件在系統(tǒng)中的地位和作用。按照失效對(duì)系統(tǒng)的最終影響可分為災(zāi)難性的、關(guān)鍵的、嚴(yán)重的和一般的。 災(zāi)難

5、性的是指造成系統(tǒng)任務(wù)失效和人員傷亡； 關(guān)鍵的是指造成系統(tǒng)任務(wù)失效； 嚴(yán)重的是指造成系統(tǒng)任務(wù)降低或暫時(shí)中斷； 輕微的是指造成現(xiàn)場(chǎng)使用中要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整或維修。 5.失效的規(guī)律 元器件失效引起的嚴(yán)重后果，迫使人們?nèi)パ芯渴Оl(fā)生的規(guī)律。通過大量觀測(cè)和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，把保險(xiǎn)界用于壽命預(yù)測(cè)的“浴盤曲線”作為元器件失效分布規(guī)律，研究分析元器件的失效時(shí)期。 元器件失效率的高低是與它工作經(jīng)歷的時(shí)間相關(guān)，大體可分為三個(gè)時(shí)期，對(duì)應(yīng)三類失效。 O早期失效期-某一特定產(chǎn)品母體壽命的初期階段，此階段發(fā)生的失效是由于設(shè)計(jì)制造過程控制不良等原因引起的。早期失效可用篩選的方法剔除。 O偶然失效期-也叫使用壽命期，某特定產(chǎn)品母

6、體壽命的第二階段，在此階段僅發(fā)生隨機(jī)失效。失效率近似為常數(shù)，其高低取決于設(shè)計(jì)水平。 O耗損失效期-某特定產(chǎn)品母體壽命的第三階段，在此階段發(fā)生耗損引起的失效。對(duì)付這個(gè)階段的失效，只有進(jìn)行更換，如液體鉭電容漏液。 二、可靠性的度量 1.可靠性 可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)為完成規(guī)定任務(wù)而不失效的概率?？煽啃允黔h(huán)境應(yīng)力、工作應(yīng)力、使用時(shí)間和要完成任務(wù)的復(fù)合函數(shù)，是用失效發(fā)生是隨機(jī)的，失效的概率Q是0-1之間的一個(gè)數(shù)值，可靠性是不失效的概率，等于1減失效概率，即R=1-Q。 2.失效率 定義：已工作到t時(shí)刻的產(chǎn)品（元器件），在t時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)失效的概率，也稱失效率函數(shù)，簡(jiǎn)稱失效率。 元器件

7、的失效率是一個(gè)條件概率，即工作到t時(shí)刻未發(fā)生失效的條件，在t時(shí)刻元器件在單位時(shí)間內(nèi)失效的百分比。 用數(shù)值表示的元器件質(zhì)量水平： =3×10-51/時(shí) 亞五級(jí) =1×10-51/時(shí) 五級(jí) W =1×10-61/時(shí) 六級(jí) L =1×10-71/時(shí) 七級(jí) Q =1×10-81/時(shí) 八級(jí) B =1×10-91/時(shí) 九級(jí) J =1×10-101/時(shí) 十級(jí) S 一般情況下，電子系統(tǒng)的可靠性用平均壽命MTTF或 （MTBF）來度量，而元器件的可靠性一般用來表示。 元器件的基本失效率b水平即固有可靠性高低取決于元器件設(shè)計(jì)、制造水平，如結(jié)構(gòu)形

8、式、材料和工藝水平等。工作失效率P則于b、使用應(yīng)用的高低和環(huán)境的惡劣程度等因素有關(guān)。 3.失效率模型 失效率模型是通過對(duì)大量失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析獲得的，如單片集成電路工作失效率模型為： P =QC1TV+（C2+C3）E L 式中：Q質(zhì)量倍數(shù) E環(huán)境系數(shù) L成熟系數(shù) T溫度應(yīng)力系數(shù) V電壓應(yīng)力系數(shù) C1及C2電路復(fù)雜度系數(shù) C3封裝復(fù)雜度系數(shù) 元器件可靠性的分析、計(jì)算、控制都是在其失效率模型上進(jìn)行的，對(duì)元器件失效模型有一個(gè)了解，對(duì)正確選擇與合理使用元器件是最起碼的要求。 4、元器件可靠性對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響 任何一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)分解到最低層都是由元器件、零件、材料、工藝、計(jì)算機(jī)軟件和人組成的，系統(tǒng)的可靠

9、性是各部分可靠性的連乘積： RS=R元件R零件R軟件R操作 系統(tǒng)可靠性水平低于組成系統(tǒng)任何一個(gè)部分的可靠性水平。系統(tǒng)越復(fù)雜且可靠性要求越高，對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)部分的可靠性要求就更高。要全面分析，抓住關(guān)鍵少數(shù)。 假設(shè)除電子元器件外其余各部分可靠性為1，元器件失效是相互獨(dú)立的，如果要保證系統(tǒng)可靠性為0.98，則組成系統(tǒng)的元器件數(shù)量越多，對(duì)單個(gè)元器件的可靠性要求就越高。所以，系統(tǒng)越復(fù)雜，即使用的元器件品種、數(shù)量越大，使用環(huán)境越惡劣，可靠性問題越突出，對(duì)元器件可靠性要求就越高，也就是失效率越低。 上述數(shù)據(jù)說明電子元器件質(zhì)量狀況令人擔(dān)憂，國(guó)產(chǎn)元器件質(zhì)量問題嚴(yán)重，進(jìn)口元器件也有不少問題，使用不當(dāng)問題日益突出

10、。 三、元器件可靠性增長(zhǎng)工程 通過實(shí)踐和系統(tǒng)總結(jié)元器件可靠性工作經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，加深對(duì)元器件問題和重要性的認(rèn)識(shí)。 首先，電子元器件在新產(chǎn)品中使用量越來越多，擔(dān)負(fù)的任務(wù)越來越重要。元器件雖小，作用和影響卻巨大，必須引起重視，把元器件作為型號(hào)的一個(gè)重要組成部分去抓，而且要堅(jiān)持不斷地抓。 其次，新產(chǎn)品研制、裝備周期太長(zhǎng)，而電子元器件更新?lián)Q代在型號(hào)方案論證時(shí)選擇的元器件到型號(hào)定型時(shí)就已經(jīng)該淘汰了。這給設(shè)計(jì)選用提出了新課題，既要繼承成熟技術(shù)，選用標(biāo)準(zhǔn)元器件，又要不斷采用新技術(shù)，淘汰陳舊過時(shí)的元器件，在新方案論證時(shí)就要考慮定型后改進(jìn)和替代品問題。 第三、諸如選用品種多、用量少與供應(yīng)商要上規(guī)模、增效益之間的矛盾

11、日益突出，設(shè)計(jì)余量小與元器件參數(shù)散布大之間的矛盾，以及元器件可靠性上水平與我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，材料、工藝水平不高的現(xiàn)狀之間的矛盾等等都是亟待解決而又一時(shí)難以解決的問題。 解決元器件問題要各方面協(xié)同作戰(zhàn)，把軍用元器件研制費(fèi)、技術(shù)改造費(fèi)、用戶采購(gòu)費(fèi)和生產(chǎn)單位 產(chǎn)品開發(fā)、改進(jìn)費(fèi)捆梆起來使用，從提高元器件固有可靠性和使用可靠性兩個(gè)方面努力，以重點(diǎn)工程需求為牽引，實(shí)施元器件可靠性增長(zhǎng)工程。從系統(tǒng)甲套的角度出發(fā)，應(yīng)建立一個(gè)高可靠性元器件的“公用平臺(tái)”。這個(gè)“公用平臺(tái)”搞好了，可以覆蓋各型號(hào)用的品種的70-80。從提高國(guó)產(chǎn)元器件可靠性人手帶動(dòng)元器件國(guó)產(chǎn)化和新品研制問題。 1.元器件可靠性增長(zhǎng)工程的目標(biāo) 以需求

12、牽引，通過工程實(shí)施爭(zhēng)取在3-5年內(nèi)達(dá)到 1)基本消除元器件臟、斷、掉、傷、漏等常見的失效模式； 2)主要元器件失效降低盡效率入降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差減半； 3)重點(diǎn)工程元器件裝機(jī)后批次更換為“零”； 4)制訂和形成一套高可靠元器件采購(gòu)規(guī)范和質(zhì)量保證規(guī)范。 2.工程主要內(nèi)容 1)優(yōu)選壓縮品種、廠點(diǎn)，重點(diǎn)抓好品種技術(shù)攻關(guān)，點(diǎn)重點(diǎn)工序改造。 2)組織技術(shù)攻關(guān)，重點(diǎn)解決鍵合強(qiáng)度、剪切力散布大、水氣含量高、內(nèi)部劃傷、腐蝕、多余物等問題曠 3)實(shí)施技術(shù)改造，結(jié)合技術(shù)攻關(guān)進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)改造，提高工藝裝備水平。 4)制訂可靠性增長(zhǎng)要求和驗(yàn)收方案，成采購(gòu)規(guī)范體系。 5)完善檢測(cè)、試驗(yàn)、分析手段。 6)建立信息系統(tǒng)，收集、分析、評(píng)價(jià)工程進(jìn)展和效果。 3.改進(jìn)管理 實(shí)行聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)、多方籌措、統(tǒng)一策劃、集中管理，充分利用已有成果，充分發(fā)揮已有專業(yè)機(jī)構(gòu)的作用。做到有限目標(biāo)，重點(diǎn)，數(shù)據(jù)說話，科學(xué)決策。 四、改進(jìn)使用可靠性 1.加強(qiáng)設(shè)計(jì)師的責(zé)