測控儀器設計的可靠性設計

1、1、可靠性設計的原則2、原器件的篩選與降額設計3、漂移設計4、熱設計5、電磁兼容設計 儀表是由許多電子元器件及機械零部件組成的，當元器件質(zhì)量指儀表是由許多電子元器件及機械零部件組成的，當元器件質(zhì)量指標較低時，采用提高可靠性的設計方法顯得特別重要。標較低時，采用提高可靠性的設計方法顯得特別重要。 可靠性設計方法包括安全系數(shù)與降額使用的選擇、冗余設計、漂可靠性設計方法包括安全系數(shù)與降額使用的選擇、冗余設計、漂移設計還要考慮在惡劣的環(huán)境條件下儀表能正常工作的措施，移設計還要考慮在惡劣的環(huán)境條件下儀表能正常工作的措施，這就是所謂的這就是所謂的三防設計與耐環(huán)境設計。三防設計與耐環(huán)境設計。 隨著自控系統(tǒng)的

2、大型化，由變送器、傳輸線、記錄儀、巡回檢測隨著自控系統(tǒng)的大型化，由變送器、傳輸線、記錄儀、巡回檢測裝置等構成的多路檢測回路需要進行集中控制。這類檢測系統(tǒng)往裝置等構成的多路檢測回路需要進行集中控制。這類檢測系統(tǒng)往往受周圍環(huán)境的電磁場干擾，不能穩(wěn)定工作，因此還要考慮往受周圍環(huán)境的電磁場干擾，不能穩(wěn)定工作，因此還要考慮抗電抗電磁干擾的設計磁干擾的設計。 另外所有的儀表都必須經(jīng)由包裝、運輸途徑送到用戶手中，運輸另外所有的儀表都必須經(jīng)由包裝、運輸途徑送到用戶手中，運輸過程則是典型的隨機沖擊振動。如：汽車在崎嶇不平的道路上行過程則是典型的隨機沖擊振動。如：汽車在崎嶇不平的道路上行駛時，最大沖擊力可達到駛時

3、，最大沖擊力可達到100g100g。經(jīng)統(tǒng)計儀表受到。經(jīng)統(tǒng)計儀表受到20g20g以下的沖擊值以下的沖擊值的概率為的概率為9090。故設計時，就需要考慮。故設計時，就需要考慮耐沖擊振動的設計耐沖擊振動的設計措施，措施，來應付這種高概率的沖擊作用。來應付這種高概率的沖擊作用。 有些儀表在炎熱的環(huán)境中，需要采用電扇強行冷卻才能正常工作。有些儀表在炎熱的環(huán)境中，需要采用電扇強行冷卻才能正常工作。如果在儀表設計之初就采取一定的措施，即為如果在儀表設計之初就采取一定的措施，即為“熱設計熱設計”。第一節(jié)第一節(jié) 由于產(chǎn)品類型不同，復雜程度不同，各類產(chǎn)品失效模式不同，以及工作條件不同等，產(chǎn)品的可靠性由于產(chǎn)品類型不

4、同，復雜程度不同，各類產(chǎn)品失效模式不同，以及工作條件不同等，產(chǎn)品的可靠性設計內(nèi)容也不盡相同。具體可靠性設計均應考慮下列一些設計原則。設計內(nèi)容也不盡相同。具體可靠性設計均應考慮下列一些設計原則。1 1、收集可靠性數(shù)據(jù)，確定可靠性指標、收集可靠性數(shù)據(jù)，確定可靠性指標 進行產(chǎn)品設計時，應先確定產(chǎn)品的可靠性指標。指標的確定，一是按標準規(guī)定，二是由用戶提出，進行產(chǎn)品設計時，應先確定產(chǎn)品的可靠性指標。指標的確定，一是按標準規(guī)定，二是由用戶提出，三是由設計者提出，四是由各方協(xié)商確定。三是由設計者提出，四是由各方協(xié)商確定。 要求首先收集和掌握國內(nèi)、外同類產(chǎn)品或相近產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。要求首先收集和掌握國內(nèi)、外同

5、類產(chǎn)品或相近產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。 不切實際地追求產(chǎn)品高可靠性指標。就存在能否實現(xiàn)與成本問題。不切實際地追求產(chǎn)品高可靠性指標。就存在能否實現(xiàn)與成本問題。 確定可靠性指標一要切實可行，二要指標先進，有利于促進產(chǎn)品可靠性水平不斷提高。確定可靠性指標一要切實可行，二要指標先進，有利于促進產(chǎn)品可靠性水平不斷提高。 2 2、考慮明確產(chǎn)品的使用條件及工作環(huán)境、考慮明確產(chǎn)品的使用條件及工作環(huán)境 因為產(chǎn)品的可靠性，是針對一定的工作條件而言的，這種工作條因為產(chǎn)品的可靠性，是針對一定的工作條件而言的，這種工作條件包括兩個方面：一是件包括兩個方面：一是使用條件使用條件，主要是指現(xiàn)場操作條件及維護，主要是指現(xiàn)場操作條件及

6、維護條件，二是條件，二是工作環(huán)境條件工作環(huán)境條件，包括工作地點的溫度、濕度；水分、，包括工作地點的溫度、濕度；水分、灰塵、腐蝕介質(zhì)灰塵、腐蝕介質(zhì)等等。等等。 3 3、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)設計 系統(tǒng)設計首先確定系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)類型。當系統(tǒng)類型確定之后，系統(tǒng)設計首先確定系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)類型。當系統(tǒng)類型確定之后，系統(tǒng)可靠性設計方式有兩種系統(tǒng)可靠性設計方式有兩種：一是根據(jù)零件：一是根據(jù)零件( (元件元件) )或子系統(tǒng)可靠性或子系統(tǒng)可靠性預測結(jié)果計算系統(tǒng)可靠性指標，即預測結(jié)果計算系統(tǒng)可靠性指標，即系統(tǒng)可靠性預測，系統(tǒng)可靠性預測，預測結(jié)果滿預測結(jié)果滿足指標要求即可，二是當預測結(jié)果沒有滿足規(guī)定的指標時，應進足指標

7、要求即可，二是當預測結(jié)果沒有滿足規(guī)定的指標時，應進行行可靠性分配可靠性分配，把系統(tǒng)的可靠性指標，分配到子系統(tǒng)甚至分配到，把系統(tǒng)的可靠性指標，分配到子系統(tǒng)甚至分配到零件上。零件上。 提高系統(tǒng)可靠性，也是從兩方面著手，一是采用貯備系統(tǒng)，比如提高系統(tǒng)可靠性，也是從兩方面著手，一是采用貯備系統(tǒng)，比如并聯(lián)系統(tǒng)，表決系統(tǒng)，旁聯(lián)系統(tǒng)等；二是提高元件或零件的可靠并聯(lián)系統(tǒng)，表決系統(tǒng)，旁聯(lián)系統(tǒng)等；二是提高元件或零件的可靠性；實際上采用哪種方法提高系統(tǒng)可靠性要作具體分析，視具體性；實際上采用哪種方法提高系統(tǒng)可靠性要作具體分析，視具體情況而定。情況而定。第一節(jié)第一節(jié) 4 4、采用標準件，選用外購件、采用標準件，選用外

8、購件 為保證所設計的產(chǎn)品的可靠性高，易于維修，應盡量采用標準化為保證所設計的產(chǎn)品的可靠性高，易于維修，應盡量采用標準化零件。對于外購件、外協(xié)件，應選用經(jīng)過考驗的廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量零件。對于外購件、外協(xié)件，應選用經(jīng)過考驗的廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量產(chǎn)品，而且對外購件、對外協(xié)作要提出可靠性要求，產(chǎn)品進廠時要產(chǎn)品，而且對外購件、對外協(xié)作要提出可靠性要求，產(chǎn)品進廠時要進行抽驗，以確保系統(tǒng)的可靠性。進行抽驗，以確保系統(tǒng)的可靠性。 5 5、方案簡化，結(jié)構簡單、方案簡化，結(jié)構簡單 從可靠性角度出發(fā)，產(chǎn)品在滿足要求情況下，組成系統(tǒng)的單元越從可靠性角度出發(fā)，產(chǎn)品在滿足要求情況下，組成系統(tǒng)的單元越少，結(jié)構設計越簡單越好。對于

9、新材料、新技術、新結(jié)構的應用，少，結(jié)構設計越簡單越好。對于新材料、新技術、新結(jié)構的應用，要有充分的把握，有的需經(jīng)過試驗并經(jīng)一段時間試用證明確有保證要有充分的把握，有的需經(jīng)過試驗并經(jīng)一段時間試用證明確有保證時，再大批使用。時，再大批使用。第一節(jié)第一節(jié) 6 6、耐環(huán)境設計、耐環(huán)境設計 所謂耐環(huán)境設計，就是研究環(huán)境應力的影響，采取提高耐環(huán)境應力的能力措施。主要有下面幾個方面。所謂耐環(huán)境設計，就是研究環(huán)境應力的影響，采取提高耐環(huán)境應力的能力措施。主要有下面幾個方面。 (1)(1)溫度影響。溫度影響。比如高溫、低溫、熱沖擊、熱輻射、溫度循環(huán)比如高溫、低溫、熱沖擊、熱輻射、溫度循環(huán)( (如四季溫差變化如四

10、季溫差變化) )等都會對產(chǎn)品產(chǎn)生熱應力等都會對產(chǎn)品產(chǎn)生熱應力的影響。解決溫度應力影響所采取的措施稱為耐熱設計，比如防寒設施，通風冷卻，隔熱等。的影響。解決溫度應力影響所采取的措施稱為耐熱設計，比如防寒設施，通風冷卻，隔熱等。 (2)(2)濕度影響濕度影響。比如濕度，降雨，降雪，霧氣，河水，海水，腐蝕性氣體等濕度、水分應力影響。比如濕度，降雨，降雪，霧氣，河水，海水，腐蝕性氣體等濕度、水分應力影響。 (3)(3)沖擊、振動影響。沖擊、振動影響。研究沖擊、振動產(chǎn)生的原因、影響，設計時采取防止或減少沖擊、振動的措施，研究沖擊、振動產(chǎn)生的原因、影響，設計時采取防止或減少沖擊、振動的措施，如用緩沖、減震

11、裝置等。如用緩沖、減震裝置等。 ( (4)4)日照，風砂，風力，灰塵等影響。日照，風砂，風力，灰塵等影響。 (5)(5)其他影響。其他影響。如各種場如各種場( (電場、磁場、重力場等電場、磁場、重力場等) )的影響及各種輻射作用的影響，的影響及各種輻射作用的影響，第一節(jié)第一節(jié) 7 7、維修性設計、維修性設計 所謂維修性設計，就是在設計時應考慮產(chǎn)品的故障容易發(fā)現(xiàn)，易于所謂維修性設計，就是在設計時應考慮產(chǎn)品的故障容易發(fā)現(xiàn)，易于檢查，便于盡快修復，甚至在未出現(xiàn)故障時，就檢查，便于盡快修復，甚至在未出現(xiàn)故障時，就采取必要的措施加以采取必要的措施加以預防或消除故障于未然。進行維修性設計，主要考慮以下幾點

12、，預防或消除故障于未然。進行維修性設計，主要考慮以下幾點， (1)(1)在滿足要求情況下，結(jié)構盡量簡單。在滿足要求情況下，結(jié)構盡量簡單。零件數(shù)目盡量少，調(diào)整環(huán)節(jié)零件數(shù)目盡量少，調(diào)整環(huán)節(jié)簡便。簡便。 對于易發(fā)生故障件、故障發(fā)生影響大或故障部位不易發(fā)現(xiàn)處，對于易發(fā)生故障件、故障發(fā)生影響大或故障部位不易發(fā)現(xiàn)處，應設置故障診斷、檢測及指示裝置，以便能快速判別故障并報警。應設置故障診斷、檢測及指示裝置，以便能快速判別故障并報警。 (2)(2)可達性設計。可達性設計。即對于容易出故障的部位或零部件，能夠容易接近，即對于容易出故障的部位或零部件，能夠容易接近，裝拆及更換。裝拆及更換。 (3)(3)盡可能采用

13、獨立的結(jié)構單元盡可能采用獨立的結(jié)構單元。分離方便，使整個單元進行迅速更分離方便，使整個單元進行迅速更換，這有利于提高設換，這有利于提高設 備的有效度及維修度，替換下的結(jié)構單元采用事備的有效度及維修度，替換下的結(jié)構單元采用事后維修，更容易保證維修質(zhì)量。后維修，更容易保證維修質(zhì)量。 (4)(4)盡量采用標準零部件。盡量采用標準零部件。加強互換性，還應考慮使用標準維修工具。加強互換性，還應考慮使用標準維修工具。 (5)(5)盡量設法減少或避免因某一零件更換需裝拆其相鄰的零件。盡量設法減少或避免因某一零件更換需裝拆其相鄰的零件。 (6)(6)要考慮維修人員作業(yè)方便與安全要考慮維修人員作業(yè)方便與安全。第

14、一節(jié)第一節(jié) 8 8、人、人- -機工程設計機工程設計 由人操縱或控制的系統(tǒng)，不少故障發(fā)生是由于人的失誤所致。工由人操縱或控制的系統(tǒng)，不少故障發(fā)生是由于人的失誤所致。工程心理學認為人犯技術程心理學認為人犯技術 錯誤的概率為錯誤的概率為1010-2-2一一1010-5-5，一般為，一般為1010-3-3。 要減少人的差錯，可以從兩個方面著手解決，一是人的可靠性問要減少人的差錯，可以從兩個方面著手解決，一是人的可靠性問題，其中包括人員責任感、人員技術水平及人所處的工作環(huán)境；題，其中包括人員責任感、人員技術水平及人所處的工作環(huán)境；另一方面是考慮人機關系。人員操作錯誤的原因與人本身、機器另一方面是考慮人

15、機關系。人員操作錯誤的原因與人本身、機器及環(huán)境有關，為了減少人犯差錯的概率，就應在人一機工程設計及環(huán)境有關，為了減少人犯差錯的概率，就應在人一機工程設計上下功夫。上下功夫。 具體內(nèi)容包含：具體內(nèi)容包含： （1 1）人的操作可靠性）人的操作可靠性 人人- -機系統(tǒng)可靠度為：機系統(tǒng)可靠度為： (1)(1) 式中，式中， R RMM為儀表的可靠度，為儀表的可靠度， R RH H為人操作的可靠度，即操作者無為人操作的可靠度，即操作者無差錯完成功能的概率。差錯完成功能的概率。第一節(jié)第一節(jié) 由此可見，要提高人操作的可靠性，就應從減少人操作中發(fā)生錯誤由此可見，要提高人操作的可靠性，就應從減少人操作中發(fā)生錯誤

16、的概率及即使發(fā)生操作錯誤不致引起設備的故障方面進行設計。的概率及即使發(fā)生操作錯誤不致引起設備的故障方面進行設計。 （2 2）指示系統(tǒng)可靠性設計，解決系統(tǒng)向人傳遞信息可靠性問題）指示系統(tǒng)可靠性設計，解決系統(tǒng)向人傳遞信息可靠性問題 a)a)合理地確定信息顯示方式。合理地確定信息顯示方式。比如計算顯示或數(shù)字顯示，標量顯比如計算顯示或數(shù)字顯示，標量顯示；定性顯示等。示；定性顯示等。 b)b)顯示器配置設計。顯示器配置設計。人觀察各種顯示器時，一般要離開相當距離，人觀察各種顯示器時，一般要離開相當距離，比如工業(yè)儀表，讀取可靠的最佳距離與儀表外形尺寸有關，一般比如工業(yè)儀表，讀取可靠的最佳距離與儀表外形尺寸

17、有關，一般推薦下式：推薦下式： （3 3） 式中，式中，L L為讀取距離；為讀取距離； D D為儀表實際尺寸。為儀表實際尺寸。第一節(jié)第一節(jié) 當環(huán)境好時，可取大值，環(huán)境較差時取小值。此外，顯示器位置當環(huán)境好時，可取大值，環(huán)境較差時取小值。此外，顯示器位置角度要合理，如從正面觀看，視線與儀表板成角度要合理，如從正面觀看，視線與儀表板成 60600 0時，讀取誤差小。時，讀取誤差小。當有多種信息顯示時，必須設置集中控制的板面或控制臺，控制當有多種信息顯示時，必須設置集中控制的板面或控制臺，控制臺位置也要合理。臺位置也要合理。 c) c)顯示器的可靠性顯示器的可靠性，這主要是指顯示器本身可靠性。，這主

18、要是指顯示器本身可靠性。 (3)(3)操作、控制系統(tǒng)可靠性設計操作、控制系統(tǒng)可靠性設計-人向系統(tǒng)傳達指令的可靠性人向系統(tǒng)傳達指令的可靠性 a)a)控制、操作機構及儀器精度高。控制、操作機構及儀器精度高。 b)b)控制、操作機構及儀器容易識別?？刂?、操作機構及儀器容易識別。 c) c)控制、操作機構及儀表適于人的使用習慣?？刂?、操作機構及儀表適于人的使用習慣。 d)d)控制臺設計的可靠?？刂婆_設計的可靠。 (4)(4)操作環(huán)境的可靠性設計操作環(huán)境的可靠性設計 環(huán)境的可靠性設計，是使操作者所處環(huán)境盡量適于人的工作需要，環(huán)境的可靠性設計，是使操作者所處環(huán)境盡量適于人的工作需要，減少造成疲勞、干擾減少

19、造成疲勞、干擾 操作的因素，這些因素主要有：溫度過高或操作的因素，這些因素主要有：溫度過高或過低，氣壓，濕度，照明，色彩，噪聲，振動，沖擊，雨過低，氣壓，濕度，照明，色彩，噪聲，振動，沖擊，雨 雪，污雪，污染物等。染物等。第一節(jié)第一節(jié) 9 9、安全性設計、安全性設計 系統(tǒng)發(fā)生故障后，故障產(chǎn)生的影響及其后果隨故障類型不同而異。系統(tǒng)發(fā)生故障后，故障產(chǎn)生的影響及其后果隨故障類型不同而異。但我們從安全性角度但我們從安全性角度 考慮，可把機械產(chǎn)品失效分為兩種情況，考慮，可把機械產(chǎn)品失效分為兩種情況，一一是是失效導致功能失效，生產(chǎn)暫停，服務中斷。失效導致功能失效，生產(chǎn)暫停，服務中斷。二是二是 失效除產(chǎn)生上

20、失效除產(chǎn)生上述結(jié)果外，還可能造成人員傷亡，環(huán)境破壞及財產(chǎn)的巨大損失。述結(jié)果外，還可能造成人員傷亡，環(huán)境破壞及財產(chǎn)的巨大損失。對于這后一種對于這后一種 情況，就存在安全性問題。進行安全性設計，目的情況，就存在安全性問題。進行安全性設計，目的在于保證系統(tǒng)危險性故障發(fā)生的概率最小在于保證系統(tǒng)危險性故障發(fā)生的概率最小 或一旦發(fā)生故障使其造或一旦發(fā)生故障使其造成的損失最小。成的損失最小。 概括地說，安全性設計內(nèi)容和程序如圖概括地說，安全性設計內(nèi)容和程序如圖1 1所示。所示。第一節(jié)第一節(jié) 圖圖l l 安全性設計內(nèi)容和程序安全性設計內(nèi)容和程序 (1)(1)安全分析安全分析 從安全角度對系統(tǒng)進行分析稱為安全性

21、分析。安全性分析主要包括從安全角度對系統(tǒng)進行分析稱為安全性分析。安全性分析主要包括如下幾點：如下幾點： a)a)尋找所有零件尋找所有零件( (或部件或部件) )故障模式，故障模式，研究各種故障對系統(tǒng)及其他零、研究各種故障對系統(tǒng)及其他零、部件的影響，并確定哪些故障對系統(tǒng)安全性影響最大。部件的影響，并確定哪些故障對系統(tǒng)安全性影響最大。 b)b)確定系統(tǒng)全部不安全失效模式，找出最危險失效模式。確定系統(tǒng)全部不安全失效模式，找出最危險失效模式。 c) c)確定系統(tǒng)安全方面的最薄弱環(huán)節(jié)確定系統(tǒng)安全方面的最薄弱環(huán)節(jié)，采取改進及預防措施。，采取改進及預防措施。 常用的安全分析方法有；常用的安全分析方法有； a

22、)a)失效模式、影響及致命度分析，常寫為失效模式、影響及致命度分析，常寫為FMECAFMECA(Failure Model (Failure Model Effect and Criticality Analysis)Effect and Criticality Analysis)。 b)b)事件樹分析事件樹分析ETA (Event Tree Analysis)ETA (Event Tree Analysis)。 c )c )故障樹分析故障樹分析FTA (Fault Tree Analysis)FTA (Fault Tree Analysis)。 第一節(jié)第一節(jié) （2 2）安全技術設計）安全技術

23、設計 在確定系統(tǒng)失效模式后，要在技術上采取措施，來保證系統(tǒng)具有一定的安全水平，安全技術設計可從在確定系統(tǒng)失效模式后，要在技術上采取措施，來保證系統(tǒng)具有一定的安全水平，安全技術設計可從以下幾方面考慮。以下幾方面考慮。 a)a)消除產(chǎn)生致命故障的危險因素。消除產(chǎn)生致命故障的危險因素。如提高危險零部件的可靠度；進行安全保險設計，設立保險裝置和如提高危險零部件的可靠度；進行安全保險設計，設立保險裝置和防止出現(xiàn)誤操作設計。防止出現(xiàn)誤操作設計。 b)b)異常狀態(tài)的監(jiān)測、報警。異常狀態(tài)的監(jiān)測、報警。對于致命性故障源，要設立故障監(jiān)測裝置，以防患于未然。對于致命性故障源，要設立故障監(jiān)測裝置，以防患于未然。例如：

24、火車中例如：火車中的軸承！的軸承！ c) c)人員防護設計，人員防護設計，設立安全防護裝置。設立安全防護裝置。 （3 3）安全評價）安全評價 估計出現(xiàn)失效的概率大小。估計出現(xiàn)失效的概率大小。 （4 4）風險評價）風險評價 估計故障后果的影響程度與損失大小。估計故障后果的影響程度與損失大小。第一節(jié)第一節(jié) 1010、可靠性增長、可靠性增長 在新產(chǎn)品從開發(fā)研制一直到定型生產(chǎn)之前，一般要經(jīng)過：設計在新產(chǎn)品從開發(fā)研制一直到定型生產(chǎn)之前，一般要經(jīng)過：設計試制試制試驗試驗修改修改小批生產(chǎn)小批生產(chǎn)檢驗檢驗改進改進定型生產(chǎn)。在這一定型生產(chǎn)。在這一過程中，產(chǎn)品可靠性水平在不斷提高，稱為可靠性增長。過程中，產(chǎn)品可靠

25、性水平在不斷提高，稱為可靠性增長。 建立可靠性增長模型是在新產(chǎn)品研制過程中一項有效的可靠性設建立可靠性增長模型是在新產(chǎn)品研制過程中一項有效的可靠性設計新技術，它有助于定量地對新產(chǎn)品可靠性水平作出估計，監(jiān)控計新技術，它有助于定量地對新產(chǎn)品可靠性水平作出估計，監(jiān)控產(chǎn)品研制進展情況，并確定出產(chǎn)品投產(chǎn)時的可靠性水平。產(chǎn)品研制進展情況，并確定出產(chǎn)品投產(chǎn)時的可靠性水平。第一節(jié)第一節(jié) 電子產(chǎn)品的電子產(chǎn)品的“硬件硬件”故障，大部分直接以元器件的各種故障方式故障，大部分直接以元器件的各種故障方式表現(xiàn)出來。其故障原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不少是選表現(xiàn)出來。其故障原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不少是選用

26、不當造成的。例如在電路設計時元器件的工作用不當造成的。例如在電路設計時元器件的工作 應力超過產(chǎn)品的額應力超過產(chǎn)品的額定值，或是對元器件失效機理不清楚，用于不適當?shù)沫h(huán)境條件等等。定值，或是對元器件失效機理不清楚，用于不適當?shù)沫h(huán)境條件等等。 因此元器件的選用及篩選成為電子產(chǎn)品可靠性設計的重要環(huán)節(jié)之因此元器件的選用及篩選成為電子產(chǎn)品可靠性設計的重要環(huán)節(jié)之一。一。為了保證元器件的使用可靠度，合理地進行降額使用元器件，為了保證元器件的使用可靠度，合理地進行降額使用元器件，可大幅度地降低元器件的失效率，因此降額設計已成為電子產(chǎn)品可可大幅度地降低元器件的失效率，因此降額設計已成為電子產(chǎn)品可靠性保障設計的最有

27、效的方法之一?？啃员Ｕ显O計的最有效的方法之一。一、可靠性篩選一、可靠性篩選 篩選是一種用于剔除不符合要求產(chǎn)品的挑選技術。篩選是一種用于剔除不符合要求產(chǎn)品的挑選技術。 可靠性篩選是在一批產(chǎn)品中剔除那些由于原材料、工藝制造等潛可靠性篩選是在一批產(chǎn)品中剔除那些由于原材料、工藝制造等潛在的不良因素所造成的缺陷而早期失效的產(chǎn)品。在的不良因素所造成的缺陷而早期失效的產(chǎn)品。 在篩選以前，產(chǎn)品的參數(shù)性能一般都是合格的，只有對產(chǎn)品施加在篩選以前，產(chǎn)品的參數(shù)性能一般都是合格的，只有對產(chǎn)品施加各種應力條件或采用特殊的檢查手段后，才能發(fā)現(xiàn)有隱患的早期失各種應力條件或采用特殊的檢查手段后，才能發(fā)現(xiàn)有隱患的早期失效產(chǎn)品。

28、一批產(chǎn)品，由于通過篩選剔除了早期失效的產(chǎn)品，就可以效產(chǎn)品。一批產(chǎn)品，由于通過篩選剔除了早期失效的產(chǎn)品，就可以提高該批產(chǎn)品的可靠性水平。失效率可以降低半個到一個數(shù)量級，提高該批產(chǎn)品的可靠性水平。失效率可以降低半個到一個數(shù)量級，個別的甚至可以降低兩個數(shù)量級。個別的甚至可以降低兩個數(shù)量級。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計 例如，某工廠生產(chǎn)的二極管，在加大功率的條件下進行試驗，試例如，某工廠生產(chǎn)的二極管，在加大功率的條件下進行試驗，試驗時間與失效率的數(shù)據(jù)列入下表：驗時間與失效率的數(shù)據(jù)列入下表： 由表中數(shù)據(jù)可以看出，從由表中數(shù)據(jù)可以看出，從0.1h0.1h到到10h10h進行加

29、大功率時的可靠性篩進行加大功率時的可靠性篩選以后，其失效率下降選以后，其失效率下降1.200/0.0041.200/0.004300300倍，即從原來的倍，即從原來的6 6級下降級下降到到8 8級。級。 對于電子元器件，其失效機理是產(chǎn)品本身具有的固有特性對于電子元器件，其失效機理是產(chǎn)品本身具有的固有特性，當產(chǎn)，當產(chǎn)品生產(chǎn)后，它的失效機理就完全確定了，而可靠性篩選不能改變品生產(chǎn)后，它的失效機理就完全確定了，而可靠性篩選不能改變其失效機理。所以，可靠性篩選不能提高單個元件的可靠性，只其失效機理。所以，可靠性篩選不能提高單個元件的可靠性，只有當一批產(chǎn)品的早期失效產(chǎn)品被剔除后，才能提高該批產(chǎn)品的可有當

30、一批產(chǎn)品的早期失效產(chǎn)品被剔除后，才能提高該批產(chǎn)品的可靠性水平。同時要求，在整批產(chǎn)品的特性上，可靠性篩選不該影靠性水平。同時要求，在整批產(chǎn)品的特性上，可靠性篩選不該影響其失效機理、失效模式和正常工作，因此篩選試驗應力對優(yōu)良響其失效機理、失效模式和正常工作，因此篩選試驗應力對優(yōu)良產(chǎn)品的損傷要盡可能的小。產(chǎn)品的損傷要盡可能的小。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計(續(xù)續(xù)) 篩選方法種類較多，按其方法復雜程度可分類如下。篩選方法種類較多，按其方法復雜程度可分類如下。 (1)(1)分布截尾篩選。分布截尾篩選。對產(chǎn)品參數(shù)性能的篩選。對產(chǎn)品參數(shù)性能的篩選。 (2)(2)應力強度篩選。應

31、力強度篩選。對產(chǎn)品施加一定強度的應力后進行測量評定分對產(chǎn)品施加一定強度的應力后進行測量評定分選。選。 (3)(3)老煉篩選。老煉篩選。在規(guī)定的時間內(nèi)對產(chǎn)品施加各種應力條件后進行測在規(guī)定的時間內(nèi)對產(chǎn)品施加各種應力條件后進行測試挑選。例如采用高溫老煉篩選、功率老煉篩選及離心老煉篩選試挑選。例如采用高溫老煉篩選、功率老煉篩選及離心老煉篩選等。等。 (4)(4)線性鑒別篩選。線性鑒別篩選。采用適當檢查手段及篩選項目進行試驗，獲得采用適當檢查手段及篩選項目進行試驗，獲得數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計方法進行判別挑選。數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計方法進行判別挑選。 (5)(5)精密篩選。精密篩選。在接近產(chǎn)品的使用條件下進行長期

32、老煉，并多次精在接近產(chǎn)品的使用條件下進行長期老煉，并多次精確地測量參數(shù)的變化量進行挑選和預測。確地測量參數(shù)的變化量進行挑選和預測。 前兩種方法簡單易行，但對剔除早期失效產(chǎn)品的效果較差；后兩前兩種方法簡單易行，但對剔除早期失效產(chǎn)品的效果較差；后兩種方法需要專門的設備種方法需要專門的設備 和較長的時間，費用較高，但對剔除早期和較長的時間，費用較高，但對剔除早期失效產(chǎn)品的效果較好。通常要根據(jù)產(chǎn)品的使用要求、質(zhì)量水平及失效產(chǎn)品的效果較好。通常要根據(jù)產(chǎn)品的使用要求、質(zhì)量水平及費用等情況合理地選擇篩選方法。費用等情況合理地選擇篩選方法。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計(續(xù)續(xù)) 目

33、前目前老煉篩選老煉篩選是可靠性篩選的主要方法，精密篩選由于費用高、是可靠性篩選的主要方法，精密篩選由于費用高、周期長、通常用于高可靠性的元器件篩選，如衛(wèi)星元件、軍工產(chǎn)周期長、通常用于高可靠性的元器件篩選，如衛(wèi)星元件、軍工產(chǎn)品及海底電纜通信元件等。品及海底電纜通信元件等。 例如，半導體集成電路的典型篩選程序是：例如，半導體集成電路的典型篩選程序是： 高溫老煉儲存：高溫老煉儲存：1501500 0C C1751750 0C C，96h96h。 離心老煉離心老煉20000g20000g，lminlmin 高溫功率老煉：高溫功率老煉：1251250 0C C，96h96h，在額定電壓、額定負載下動態(tài)老

34、，在額定電壓、額定負載下動態(tài)老煉。煉。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計(續(xù)續(xù)) 二、降額設計二、降額設計 1 1減額設計的理論依據(jù)減額設計的理論依據(jù) 電子元器件在使用或貯存過程中，總是存在著某種比較緩慢的物電子元器件在使用或貯存過程中，總是存在著某種比較緩慢的物理化學變化。當這一物理化學變化過程發(fā)展一定階段時，元器件的理化學變化。當這一物理化學變化過程發(fā)展一定階段時，元器件的特性退化、功能喪失，即失效。例如：特性退化、功能喪失，即失效。例如：半導體器件半導體器件-上述物化作用上述物化作用形成導電溝道時，使器件反向漏電電流變大，擊穿電壓下降；器件形成導電溝道時，使器件反

35、向漏電電流變大，擊穿電壓下降；器件表面復合速度變大，晶體管的電流放大系數(shù)降低等等表面復合速度變大，晶體管的電流放大系數(shù)降低等等。物化過程與。物化過程與溫度有密切關系，當溫度升高以后，這些物理變化過程大大加快，溫度有密切關系，當溫度升高以后，這些物理變化過程大大加快，器件的失效過程被加速。器件的失效過程被加速。 在我國電子工業(yè)部頒發(fā)的在我國電子工業(yè)部頒發(fā)的電子設備可靠性預測手冊電子設備可靠性預測手冊中繪制了中繪制了電子元器件降額曲線。電子元器件降額曲線。 對于不同的元件，降額的方法是不一樣的，對于不同的元件，降額的方法是不一樣的，電阻器電阻器的降額方法是的降額方法是降低功率比，降低功率比，電容器

36、電容器是降低其工作電壓，是降低其工作電壓，半導體器件半導體器件的降額方法是的降額方法是將工作功耗保持在額定功耗之內(nèi)，將工作功耗保持在額定功耗之內(nèi)，數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路通過降低周圍環(huán)境通過降低周圍環(huán)境溫度和電荷來降額，溫度和電荷來降額，線性集成電路、大規(guī)模集成電路和半導體存貯線性集成電路、大規(guī)模集成電路和半導體存貯器器也是通過降低周圍環(huán)境溫度來實現(xiàn)降額的也是通過降低周圍環(huán)境溫度來實現(xiàn)降額的，軸承軸承則以負荷比為降則以負荷比為降額系數(shù)。額系數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計(續(xù)續(xù)) 2 2降額原則降額原則 主要考慮三個問題：主要考慮三個問題：一是降額從怎樣的溫度、一

37、是降額從怎樣的溫度、電應力值開始；二是降電應力值開始；二是降額多少為合適；三是降額多少為合適；三是降額的效果。額的效果。 (1)(1)降額區(qū)域降額區(qū)域 一般元器件規(guī)范中都一般元器件規(guī)范中都附有溫度、電應力的降附有溫度、電應力的降額曲線。對于不同類型額曲線。對于不同類型的元器件，電的元器件，電 應力可應力可以是電壓、電流或功率以是電壓、電流或功率等。降額的第一步是使等。降額的第一步是使用降額曲線，曲線內(nèi)的用降額曲線，曲線內(nèi)的區(qū)域為允許工作區(qū)，曲區(qū)域為允許工作區(qū)，曲線本身又由兩部分組成線本身又由兩部分組成（圖（圖3 3）。）。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計(續(xù)續(xù)) 與與

38、T T軸平行的軸平行的ABAB段表示當工作環(huán)境溫度低于段表示當工作環(huán)境溫度低于T TS S時，器件可滿載時，器件可滿載使用。使用。BCBC段表示溫度高于段表示溫度高于T TS S后需要遵循的降額率曲線。溫度達后需要遵循的降額率曲線。溫度達T Tmaxmax后，由于管芯已達最高結(jié)溫，所以允許負荷的值只能為零。后，由于管芯已達最高結(jié)溫，所以允許負荷的值只能為零。 這條這條ABCABC曲線表示要保證元器件正常工作所允許的最大電應力曲線表示要保證元器件正常工作所允許的最大電應力與環(huán)境溫度之間的函數(shù)關系。我們要討論旨在提高設備可靠性的與環(huán)境溫度之間的函數(shù)關系。我們要討論旨在提高設備可靠性的降額，就必須是

39、在曲線降額，就必須是在曲線ABCABC內(nèi)的區(qū)域，可將內(nèi)的區(qū)域，可將ABCABC曲線作為降額開曲線作為降額開始的基準線。始的基準線。 (2)(2)降額圖降額圖 一般用降額圖來表示元器件可取的降額值范圍。圖一般用降額圖來表示元器件可取的降額值范圍。圖4 4就是典型的就是典型的半導體器件的降額圖。圖中分三個區(qū)域：半導體器件的降額圖。圖中分三個區(qū)域： R R：禁用區(qū)域：禁用區(qū)域-在這一區(qū)域內(nèi)，元器件應力超過其額定值，不能在這一區(qū)域內(nèi)，元器件應力超過其額定值，不能使用。這一區(qū)域界線就是上面所說的降額曲線。使用。這一區(qū)域界線就是上面所說的降額曲線。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計

40、(續(xù)續(xù)) QQ：有問題區(qū)域：有問題區(qū)域在這一在這一區(qū)域內(nèi)，元器件在其額定值內(nèi)區(qū)域內(nèi)，元器件在其額定值內(nèi)工作，但不可能獲得足夠的可工作，但不可能獲得足夠的可靠性值。在該區(qū)內(nèi)長期使用，靠性值。在該區(qū)內(nèi)長期使用，元器件可靠性會降低。電路設元器件可靠性會降低。電路設計時，盡量不要選用。該區(qū)實計時，盡量不要選用。該區(qū)實在不能避開時，設計者應十分在不能避開時，設計者應十分謹慎。謹慎。 A A：合格使用區(qū)：合格使用區(qū)可靠性可靠性與費用之比是最佳的區(qū)域，可與費用之比是最佳的區(qū)域，可提供最佳安全系數(shù)。元器件在提供最佳安全系數(shù)。元器件在這一區(qū)域內(nèi)使用，預計不會產(chǎn)這一區(qū)域內(nèi)使用，預計不會產(chǎn)生可靠性退化。生可靠性退化

41、。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計(續(xù)續(xù)) 例如，對于電子元器件的老煉，溫度相差例如，對于電子元器件的老煉，溫度相差100C，則壽命相差，則壽命相差l/21/1.5倍。倍。 3降額設計的局限性降額設計的局限性 元器件的降額使用并不是降額越多越好，因為降低元器件電負荷過多，將會增加設備的體積、重元器件的降額使用并不是降額越多越好，因為降低元器件電負荷過多，將會增加設備的體積、重量及成本；而且也不是任何情況下都能有效的，這是因為量及成本；而且也不是任何情況下都能有效的，這是因為 (1)當可靠性已達到要求時當可靠性已達到要求時，再用降額來繼續(xù)提高可靠性就多余了。再用降額來繼

42、續(xù)提高可靠性就多余了。同一設備中的各種元器件可靠同一設備中的各種元器件可靠性水平要協(xié)調(diào)。對其中某些元器件大幅度的降額，使其可靠性遠離于其它元器件，這種降額也是不必性水平要協(xié)調(diào)。對其中某些元器件大幅度的降額，使其可靠性遠離于其它元器件，這種降額也是不必要的。要的。 (2)單純用降額來提高可靠性是有限度的。單純用降額來提高可靠性是有限度的。因為無論是溫度應力還是電應力，降額到一定程度后，因為無論是溫度應力還是電應力，降額到一定程度后，這時即使再大幅度的降額，失效率也只有微小下降。這時即使再大幅度的降額，失效率也只有微小下降。第二節(jié)第二節(jié) 元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計(續(xù)續(xù)) (3)

43、 (3)對于有些元器件過度降額反而有害。對于有些元器件過度降額反而有害。如大功率晶體管在小電流下工作，將大大降低放大系數(shù)且參數(shù)如大功率晶體管在小電流下工作，將大大降低放大系數(shù)且參數(shù)穩(wěn)定性也下降。穩(wěn)定性也下降。 例如：例如：有的元件降額容易發(fā)生低電平失效，如聚苯乙烯電容有的元件降額容易發(fā)生低電平失效，如聚苯乙烯電容CL10CL10、滌綸電容、滌綸電容CLllCLll和漆膜電容和漆膜電容CQ10CQ10、CQ20CQ20等。等。 對于電子管的燈絲電壓和繼電器的線包電流不僅不能降額，反而要控制在額定值上，否則將直接影響對于電子管的燈絲電壓和繼電器的線包電流不僅不能降額，反而要控制在額定值上，否則將直

44、接影響壽命和可靠的接觸。壽命和可靠的接觸。 (4)(4)電應力的降額比較容易做到，電應力的降額比較容易做到，對溫度應力的控制主要靠改進熱設計。對溫度應力的控制主要靠改進熱設計。 (5)(5)采用降額技術來提高可靠性采用降額技術來提高可靠性，還要講效益，即降額程度的取值需綜合考慮可靠性指標要求及重量、，還要講效益，即降額程度的取值需綜合考慮可靠性指標要求及重量、體積、成本的限制。如果單靠降額來提高可靠性其綜合效益不高時，就應采取改進設計，提高元器件強體積、成本的限制。如果單靠降額來提高可靠性其綜合效益不高時，就應采取改進設計，提高元器件強度等手段來提高可靠性。度等手段來提高可靠性。第二節(jié)第二節(jié)

45、元器件的篩選與降額設計元器件的篩選與降額設計(續(xù)續(xù)) 儀器儀表同其他電子設備一樣，其儀器儀表同其他電子設備一樣，其性能指標最終取決于它的元器件性能參數(shù)，性能指標最終取決于它的元器件性能參數(shù)，而元器件的性能參數(shù)由而元器件的性能參數(shù)由于制造公差、環(huán)境條件和退化效應存在著漂移特性。這使得初期工作性能好的儀器儀表隨環(huán)境變化、時間于制造公差、環(huán)境條件和退化效應存在著漂移特性。這使得初期工作性能好的儀器儀表隨環(huán)境變化、時間積累漸變?yōu)槭顟B(tài)，這種失效稱作漂移失效。設計者的任務就是在元器件參數(shù)波動時，仍能保證儀器儀積累漸變?yōu)槭顟B(tài)，這種失效稱作漂移失效。設計者的任務就是在元器件參數(shù)波動時，仍能保證儀器儀表

46、正常工作。這一設計技術稱作漂移設計或允差分析技術。表正常工作。這一設計技術稱作漂移設計或允差分析技術。 一、元器件的漂移特性及其對系統(tǒng)性能的影響一、元器件的漂移特性及其對系統(tǒng)性能的影響 儀器儀表性能的漂移失效一般有以下三個原因：儀器儀表性能的漂移失效一般有以下三個原因： 一是組成系統(tǒng)的元器件參數(shù)通常是以一是組成系統(tǒng)的元器件參數(shù)通常是以標稱值標稱值表示的。表示的。 其與實際數(shù)值之間存在著公差，例如標稱其與實際數(shù)值之間存在著公差，例如標稱1000精度為精度為10%的電阻，其實際阻值在的電阻，其實際阻值在9001100之間，之間，機械零件的加工精度也有公差。忽略公差，系統(tǒng)性能參數(shù)可能超出允許范圍，發(fā)

47、生參數(shù)偏移，機械傳動可機械零件的加工精度也有公差。忽略公差，系統(tǒng)性能參數(shù)可能超出允許范圍，發(fā)生參數(shù)偏移，機械傳動可能卡死或過于松動。由制造公差造成的參數(shù)偏移一般呈正態(tài)分布。能卡死或過于松動。由制造公差造成的參數(shù)偏移一般呈正態(tài)分布。 二是環(huán)境條件。二是環(huán)境條件。例如溫度的變化會使機械零件膨脹或收縮，彈性模量不穩(wěn)定，使電子元器件參數(shù)發(fā)生例如溫度的變化會使機械零件膨脹或收縮，彈性模量不穩(wěn)定，使電子元器件參數(shù)發(fā)生溫漂。表溫漂。表61示出了國產(chǎn)取示出了國產(chǎn)取TX碳膜電阻的溫度系數(shù)。表碳膜電阻的溫度系數(shù)。表62示出了滌綸、鋁電解電容和鈮電容在各種環(huán)示出了滌綸、鋁電解電容和鈮電容在各種環(huán)境下的變化量。境下的

48、變化量。 環(huán)境條件產(chǎn)生的參數(shù)偏移在許多情況下是可逆的，即隨著條件環(huán)境條件產(chǎn)生的參數(shù)偏移在許多情況下是可逆的，即隨著條件而改變。呈現(xiàn)系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。而改變。呈現(xiàn)系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。 三是退化效應。三是退化效應。如腐蝕和氧化，漏電和絕緣擊穿，表面上金屬如腐蝕和氧化，漏電和絕緣擊穿，表面上金屬離子的遷移，磨損和疲勞以及塑料的收縮和開裂，使離子的遷移，磨損和疲勞以及塑料的收縮和開裂，使元器件參數(shù)隨元器件參數(shù)隨時間而緩慢變化時間而緩慢變化。 退化效應引起的參數(shù)偏移是不可逆的退化效應引起的參數(shù)偏移是不可逆的。圖。圖5說明元器件受溫度、說明元器件受溫度、濕度、負荷等影響，其均值和標準偏差隨時間發(fā)生緩慢變化。濕度

49、、負荷等影響，其均值和標準偏差隨時間發(fā)生緩慢變化。 一個元器件特性值的漂移對系統(tǒng)性能的影響可用圖一個元器件特性值的漂移對系統(tǒng)性能的影響可用圖6表示。漂移表示。漂移通過相應的傳遞函數(shù)，轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)性能參數(shù)標稱值和分布特性的變通過相應的傳遞函數(shù)，轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)性能參數(shù)標稱值和分布特性的變化。當系統(tǒng)性能參數(shù)超出規(guī)定的指標范圍時，系統(tǒng)呈性能故障狀態(tài)?；．斚到y(tǒng)性能參數(shù)超出規(guī)定的指標范圍時，系統(tǒng)呈性能故障狀態(tài)。 多個元器件特性值的漂移對系統(tǒng)性能的影響可用多元函數(shù)來描多個元器件特性值的漂移對系統(tǒng)性能的影響可用多元函數(shù)來描述。函數(shù)述。函數(shù)y與一些參數(shù)間可能存在正的對應關系，與另一些參數(shù)間可與一些參數(shù)間可能存在正的

50、對應關系，與另一些參數(shù)間可能存在負的對應關系。一組參數(shù)性能的組合使能存在負的對應關系。一組參數(shù)性能的組合使 y的變化范圍超出了規(guī)的變化范圍超出了規(guī)定的公差范圍，呈現(xiàn)漂移故障。定的公差范圍，呈現(xiàn)漂移故障。 二、漂移可靠性設計方法二、漂移可靠性設計方法 漂移可靠性設計漂移可靠性設計可分為控制元器件質(zhì)量法與容差電路設計法。前可分為控制元器件質(zhì)量法與容差電路設計法。前者對元器件用料及工藝過程進行嚴格的控制，以提高元器件制造者對元器件用料及工藝過程進行嚴格的控制，以提高元器件制造質(zhì)量來減少漂移對系統(tǒng)的影響。而后者是從電路和系統(tǒng)設計角度質(zhì)量來減少漂移對系統(tǒng)的影響。而后者是從電路和系統(tǒng)設計角度出發(fā)，允許所用

51、器件的參數(shù)在較大范圍內(nèi)變化。出發(fā)，允許所用器件的參數(shù)在較大范圍內(nèi)變化。 在實際應用中，常以下列三種方法設計電路在實際應用中，常以下列三種方法設計電路： 一是利用反饋技術，一是利用反饋技術，抑制元件參數(shù)變化給電路帶來的影響，這屬抑制元件參數(shù)變化給電路帶來的影響，這屬于線路設計技術；于線路設計技術； 二是利用補償技術二是利用補償技術，互相抵消由不穩(wěn)定因素引起的參數(shù)變化。互相抵消由不穩(wěn)定因素引起的參數(shù)變化。 如用陶瓷作電介材料的特種小型電容器可有幾種不同的正或負溫如用陶瓷作電介材料的特種小型電容器可有幾種不同的正或負溫度系數(shù)，在需要電容值固定不變的地方，把這些電容器和其他電度系數(shù)，在需要電容值固定不

52、變的地方，把這些電容器和其他電容組合起來，就可得到總溫度系數(shù)很小的、任何容量的組合電容。容組合起來，就可得到總溫度系數(shù)很小的、任何容量的組合電容。 第三種方法是漂移可靠性設計法第三種方法是漂移可靠性設計法，簡稱漂移設計簡稱漂移設計。下面以常用的下面以常用的最壞情況設計法為例加以介紹。最壞情況設計法為例加以介紹。 在電子設備中，功率損失通常以熱能耗散的形式表現(xiàn)，而任在電子設備中，功率損失通常以熱能耗散的形式表現(xiàn)，而任何具有電阻的元件都是一個內(nèi)部熱源。當電子設備工作時，本身何具有電阻的元件都是一個內(nèi)部熱源。當電子設備工作時，本身溫度會升高。同時，設備周圍的環(huán)境溫度亦會影響設備內(nèi)部溫度。溫度會升高。

53、同時，設備周圍的環(huán)境溫度亦會影響設備內(nèi)部溫度。隨著微電子技術的發(fā)展，電子設備的熱設計越來越受到重視。隨著微電子技術的發(fā)展，電子設備的熱設計越來越受到重視。由由經(jīng)驗可知，室溫每提高經(jīng)驗可知，室溫每提高10100 0C C，壽命就縮短，壽命就縮短1/21/21/1.51/1.5。這就是常說這就是常說的壽命與溫度存在著的壽命與溫度存在著“10100 0C C法則法則”，所以熱設計是電子設備可靠，所以熱設計是電子設備可靠性保障設計的主要方法之一。性保障設計的主要方法之一。 電子設備的熱設計技術是針對熱量的傳播方式，研究多種控制熱電子設備的熱設計技術是針對熱量的傳播方式，研究多種控制熱量的方法，以達到減

54、少溫升，來保證電子設備的可靠性。量的方法，以達到減少溫升，來保證電子設備的可靠性。電子設電子設備熱設計的要求如下：備熱設計的要求如下： (1)(1)通過熱設計可達到在滿足性能要求的條件下，盡可能減少儀器通過熱設計可達到在滿足性能要求的條件下，盡可能減少儀器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。 (2)(2)通過熱設計減少熱阻。通過熱設計減少熱阻。 (3)(3)熱設計能保證設備和元器件能在較低的慍度條件下工作；以便熱設計能保證設備和元器件能在較低的慍度條件下工作；以便作到減少參數(shù)漂移，保持電氣性能穩(wěn)定，從而提高可靠性。作到減少參數(shù)漂移，保持電氣性能穩(wěn)定，從而提高可靠性。 第四節(jié)第四節(jié) 熱設計熱設計 由

55、熱力學第二定律可知，只要有溫度存在，熱量總是自發(fā)地從由熱力學第二定律可知，只要有溫度存在，熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。熱能傳輸有導熱、熱對流、熱輻射三種高溫物體傳向低溫物體。熱能傳輸有導熱、熱對流、熱輻射三種基本形式，其原理及在工程中的應用分述如下。基本形式，其原理及在工程中的應用分述如下。一、導熱原理及熱設計中的應用一、導熱原理及熱設計中的應用 導熱是指直接接觸的物體各部分熱能交換的現(xiàn)象。導熱是指直接接觸的物體各部分熱能交換的現(xiàn)象。在液體和在液體和介電質(zhì)固體中，熱能的傳輸主要靠分子運動彈性波的作用介電質(zhì)固體中，熱能的傳輸主要靠分子運動彈性波的作用，在金，在金屬內(nèi)部則主要靠自由電子的

56、運動；在氣體中依靠分子和原子的擴屬內(nèi)部則主要靠自由電子的運動；在氣體中依靠分子和原子的擴散。散。 1導熱基本定律導熱基本定律 導熱的基本定律是：在純導熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)由導熱所導熱的基本定律是：在純導熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)由導熱所傳遞的熱量傳遞的熱量Qk(w)與材料兩端的溫差與材料兩端的溫差T(oC)及垂直于導熱方向的截及垂直于導熱方向的截面積面積S(cm2)成正比，與導熱的路徑長度成正比，與導熱的路徑長度l(cm)成反比，與材料的導成反比，與材料的導熱系數(shù)熱系數(shù)(Wcm oC)成正比，即：成正比，即：(13)第四節(jié)第四節(jié) 熱設計熱設計( (續(xù)續(xù)) ) (1)(1)導熱系數(shù)導熱系數(shù)。導熱系數(shù)導

57、熱系數(shù)是表示物體導熱能力的物理量，其物理是表示物體導熱能力的物理量，其物理意義是單位時間內(nèi)通過單位長度溫度降低意義是單位時間內(nèi)通過單位長度溫度降低1 10 0C C時所傳遞的熱量。表時所傳遞的熱量。表3 3列列出了不同材料在攝氏出了不同材料在攝氏20200 0C C時的導熱系數(shù)。時的導熱系數(shù)。 表表3 3 有關材料在有關材料在20200C0C時的導熱系時的導熱系 (Wcm oC)第四節(jié)第四節(jié) 熱設計熱設計( (續(xù)續(xù)) ) (2)(2)熱阻熱阻 如果把導熱過程模擬成導電過程，則熱路歐姆定律為如果把導熱過程模擬成導電過程，則熱路歐姆定律為 （1414） 式中，式中，T T和和QQk k的定義和單位

58、與式的定義和單位與式(13)(13)相同，熱阻相同，熱阻R RT T的單位為的單位為0 0C/WC/W。 對于橫截面為對于橫截面為S S，長為，長為L L的棒料，其熱阻的棒料，其熱阻R RT TL/SL/S。 2 2傳導散熱的主要措施（熱設計）傳導散熱的主要措施（熱設計） 對于安裝密度高的電子設備，對流和輻射換熱都比較困難。傳導對于安裝密度高的電子設備，對流和輻射換熱都比較困難。傳導散熱就成了散熱的主要手段。其主要措施有；散熱就成了散熱的主要手段。其主要措施有； (1)(1)選用導熱系數(shù)大的材料選用導熱系數(shù)大的材料制造傳熱零件，例如銀、紫銅等。制造傳熱零件，例如銀、紫銅等。 (2)(2)由于導

59、熱是兩種不同溫度的物體相互接觸時產(chǎn)生的，因此，必由于導熱是兩種不同溫度的物體相互接觸時產(chǎn)生的，因此，必須注意須注意接觸熱阻接觸熱阻。接觸狀態(tài)決定了導熱過程。一般認為接觸熱阻。接觸狀態(tài)決定了導熱過程。一般認為接觸熱阻與接觸壓強大小、表面加工狀態(tài)、清潔程度、材料性質(zhì)和接觸面與接觸壓強大小、表面加工狀態(tài)、清潔程度、材料性質(zhì)和接觸面積的大小有關。其中以積的大小有關。其中以接觸壓力影響最大接觸壓力影響最大。第四節(jié)第四節(jié) 熱設計熱設計( (續(xù)續(xù)) ) 接觸不良的干面間存在著空氣隙，導致熱流線在接觸處發(fā)生收縮，接觸不良的干面間存在著空氣隙，導致熱流線在接觸處發(fā)生收縮，致使溫度發(fā)生突變，出現(xiàn)接觸熱阻劇增。因此

60、，必須增大接觸壓力，致使溫度發(fā)生突變，出現(xiàn)接觸熱阻劇增。因此，必須增大接觸壓力，降低接觸面粗糙度、提高清潔度來保證接觸良好。或在接觸面間涂硅降低接觸面粗糙度、提高清潔度來保證接觸良好?；蛟诮佑|面間涂硅脂，或在接觸面間墊入軟的可展性導熱材料。涂導熱硅脂，接觸熱阻脂，或在接觸面間墊入軟的可展性導熱材料。涂導熱硅脂，接觸熱阻可降低可降低252535%35%，墊入鉛箔，熱阻約降低，墊入鉛箔，熱阻約降低20452045；若半導體器件；若半導體器件與散熱器之間要求小電容時，可采用氧化鈹墊片。與散熱器之間要求小電容時，可采用氧化鈹墊片。 (3)(3)盡量縮短熱傳導的路徑盡量縮短熱傳導的路徑，且在熱傳導路徑中