電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計-第章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)

第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》教師：董武北京印刷學院信息工程學院北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)1.1可靠性的重要性1.2可靠性的概念1.3可靠性定量表征1.4可靠性技術(shù)概要1.5可靠性設(shè)計北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.1可靠性的重要性2011年，溫州高鐵追尾事故：北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》國家安監(jiān)總局公布溫州動車事故調(diào)查報告：原因：通信系統(tǒng)在雷擊下失靈通號集團所屬通號設(shè)計院，在LKD2-T1型列控中心設(shè)備，存在嚴重設(shè)計缺陷和重大安全隱患。當溫州南站列控中心采集驅(qū)動單元，采集電路電源回路中保險管F2遭雷擊熔斷后，采集數(shù)據(jù)不再更新，錯誤地控制軌道電路發(fā)碼及信號顯示，使行車處于不安全狀態(tài)。雷擊也造成5829AG軌道電路發(fā)送器與列控中心通信故障。北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》該動車安全控制系統(tǒng)的可靠性有重大缺陷：1）防雷設(shè)計有缺陷應(yīng)采用防雷電保護接地、內(nèi)部設(shè)備的嚴格屏蔽、浪涌保護元件，等多種防護手段，防止雷電襲擊2）冗余設(shè)計列控中心采集電路只有一路獨立電源。應(yīng)配備兩路獨立電源，只有當兩路電源同時失效時，才會導致系統(tǒng)故障3）設(shè)備設(shè)計重大缺陷列控中心主機：雖收到故障信息，未采取任何防護措施北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2014中國探月工程“嫦娥三號”玉兔月球車：北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》月球車是我國最高智能機器人：能夠自主導航:根據(jù)照相機拍到的四周情況，自己決定該走哪條路、怎么走；能夠自主避障；能夠自動上坡下坡動力來源：可伸縮的太陽能電池帆板，白天工作時展開，夜晚則收起來，保護各種儀器不被凍壞。白天時太陽能電池帆板還要調(diào)整角度，避免被陽光照射得太熱。移動裝置：為“六輪獨立驅(qū)動，四輪獨立轉(zhuǎn)向”的方案。月球車“玉兔”出現(xiàn)問題北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》全國大學生智能汽車競賽2011第六屆太原理工大學賽場北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2012年第七屆河北大學賽場北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2013第八屆東北大學秦皇島分校賽場北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2014第九屆北京理工大學賽場北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2015第十屆北京工業(yè)大學賽場北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》智能車曾經(jīng)出現(xiàn)的可靠性問題：1、智能車正常運行后停下后，又運行，又停下來：單片機不停的復位，原因：直流電機運行干擾單片機的電源電壓；程序中數(shù)組的指針越界2、智能車前期運行正常，突然不能正常運行（程序一直沒有變）：傳感器的位置發(fā)生了變化（線性CCD的螺絲松動，電感的位置發(fā)生了變化）直流電機經(jīng)過長時間運行后，已經(jīng)損壞；舵機拐彎的軸承松動北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》火車網(wǎng)上訂票系統(tǒng)：刷票軟件，高峰時崩潰，硬件和軟件的問題電子監(jiān)管碼自動識別排廢系統(tǒng)：編碼器輸出脈沖信號雜亂?北美防空聯(lián)合司令部，早期警報指揮中心一個價值僅45美分極小的集成電路失效，兩次發(fā)生虛假的蘇聯(lián)人進攻的警報北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》?83年，科羅拉多州洪水泛濫計算機預告錯誤，水庫被沖垮?意大利國家數(shù)據(jù)庫被破壞6秒鐘，要6年才可修復。?1996年6月，歐洲阿里亞那五火箭發(fā)射失敗升空40秒，在4000米自爆，損失5億英鎊。原因：火箭設(shè)計師重硬件可靠性設(shè)計，輕軟件可靠性設(shè)計，導致火箭慣性制導系統(tǒng)軟件出現(xiàn)規(guī)格和設(shè)計錯誤北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》軟件系統(tǒng)存在的問題：?據(jù)統(tǒng)計：“約75%的軟件開發(fā)費用于可靠性測試和維護”IBM開發(fā)OS360：花費5000人年，每個新版本存在100個bug據(jù)調(diào)查：“對軟件系統(tǒng)，每百萬行代碼有兩萬個Bug，測試時發(fā)現(xiàn)90％，余下Bug中，200個在運行的第一年出現(xiàn)，其他則不被發(fā)現(xiàn)”?“例行維護通常在修復200個Bug時引入200個新的Bug”–美國國防部《軟件開發(fā)水平評估》?最高級企業(yè)：每4行代碼，平均缺陷數(shù)0.32個?最低級企業(yè)：每4行代碼，平均缺陷數(shù)11.95個–據(jù)統(tǒng)計：“軟件故障率是硬件的10倍”北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.2可靠性的概念1、元器件元器件，也稱為“電子元器件”：是電子系統(tǒng)的最基本單元，包括二極管、三極管、電阻、電容、電感、集成電路芯片、繼電器、電纜等，零部件，也稱為“機械零部件”：指機械系統(tǒng)的基本單元，包括螺栓、螺帽、軸承、銷子、彈簧、軟管、齒輪、密封件等產(chǎn)品：指系統(tǒng)、設(shè)備、部件、元器件、軟件等裝備：指由各種元器件、零部件組裝而成，具有獨立功能的系統(tǒng)例如：電子設(shè)備、衛(wèi)星、飛機、潛艇等北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》元器件的分類：北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2、可靠性任何電子產(chǎn)品的評價，有4個指標：功能、性能、成本、可靠性。電子系統(tǒng)可靠性的定義1：指電子系統(tǒng)不出故障，或盡可能少出故障，如果出現(xiàn)故障，能夠在最短時間內(nèi)修復。電子系統(tǒng)可靠性的定義2：電子系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)、規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要方面北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》故障或失效：在規(guī)定時間內(nèi)、規(guī)定條件下，產(chǎn)品失去規(guī)定的功能故障：指可修復產(chǎn)品（如電子整機，經(jīng)更換元器件可以修復），短時間內(nèi)失去規(guī)定功能（如電磁干擾）失效：指不可修復產(chǎn)品（如電子元器件，只能更換，無法修復），為失效永久，失去規(guī)定功能（如雷電引發(fā)燒毀）北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)：第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》規(guī)定條件:包括使用條件、環(huán)境條件使用條件：動力負載條件（電源、輸出功率、載荷等），使用頻率條件（工作頻率、速度、數(shù)據(jù)率等），過電應(yīng)力條件（靜電、浪涌、過電壓、過電流、雷擊等）環(huán)境條件：氣候環(huán)境（溫度、濕度、空間輻射、氣壓等），生物和化學環(huán)境（霉菌、鹽霧、臭氧、污染等），機械環(huán)境（振動、沖擊、加速度等），電磁環(huán)境（電場、磁場、電磁場等）北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》電子系統(tǒng)的可靠性，有三個因素決定：1）電子元器件的可靠性2）電路和結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計3）電子整機的組裝可靠性可靠性是電子系統(tǒng)的生命線特別是：應(yīng)用在惡劣環(huán)境下，例如:野外、強電環(huán)境、雷擊、高濕度、高溫、航天宇宙中北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》3.可維修性和可保障性可維修性：指產(chǎn)品在固定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，恢復到能完成規(guī)定功能的能力，使用平均維修時間(MTTR,Meantimetorepair可保障性：指產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行保障時，保持完成規(guī)定功能的能力,使用平均故障延誤時間(MLDT,MeanLogisticsDelayTime)表示。平均故障延誤時間：指從出現(xiàn)故障，到開始維修，之間的平均時間可用性，或可信性：指可維修、可保障產(chǎn)品在某時刻具有或維持規(guī)定功能的能力。)表示。北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》4.安全性和健壯性安全性(Safety)：正確地安裝、維護和使用設(shè)備，使之不會危害人、家畜和財產(chǎn)健壯性(Robustness)，或魯棒性、堅固性：系統(tǒng)從各種出錯條件下恢復原有功能的能力。北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》5.可靠性的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀20世紀40年代：可靠性引起重視50、60年代：對可靠性進行深入研究70年代：研究成熟，制定了很多可靠性標準和規(guī)范80年代：在各種電子設(shè)備，民用、工業(yè)設(shè)備、軍事設(shè)備都非常強調(diào)可靠性現(xiàn)狀：從元器件的研制、生產(chǎn)，到設(shè)備和系統(tǒng)的開發(fā)研制，都嚴格遵守可靠性原則特別是：在惡劣環(huán)境下的武器裝備和工控設(shè)備北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》6.可靠性研究的2個方面1)可靠性理論研究：從數(shù)學理論出發(fā)，研究電子設(shè)備的可靠性理論2)可靠性工程研究可靠性理論在工程上的實現(xiàn)這門課程：主要學習可靠性工程研究北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.3可靠性定量表征1.3.1失效率1.3.2壽命1.3.3失效分布北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.3.1失效率可靠性可用定量的指標來表征。我們無法準確預計產(chǎn)品在何時失效，只能得到產(chǎn)品在何時失效的可能性高低，所以，可靠性的定量表征指標均為概率或平均值1）可靠度R(t)定義：產(chǎn)品在t時間內(nèi)不失效的概率R(t)=P{τ>t}τ為產(chǎn)品的壽命有N個產(chǎn)品，工作到t時間，有n(t)個失效，N(t)個未失效，則R(t)的估計值（實際的可靠性定量指標只能通過試驗或現(xiàn)場觀測得到其近似值，亦稱觀測值）產(chǎn)品在剛投入使用時不會失效：R(0)=1產(chǎn)品只要使用時間足夠長，最終一定會失效：R(+∞)=0北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2）失效概率(也稱為不可靠度)F(t)定義：產(chǎn)品在t時間內(nèi)失效的概率F(t)=P{τ≤t}τ為產(chǎn)品的壽命顯然:F(t)+R(t)=1若N個產(chǎn)品工作到t時間有n(t)個失效，則產(chǎn)品在剛投入使用時不會失效：F(0)=0產(chǎn)品只要使用時間足夠長，最終一定會失效：F(+∞)=1北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》3）失效密度(也稱累積失效率或失效概率密度)f(t)定義：產(chǎn)品在t時刻附近的單位時間內(nèi)，發(fā)生失效的概率若N個產(chǎn)品，在t時刻附近的單位時間段△t內(nèi)，有△n(t)個失效，則失效密度和其它參數(shù)的關(guān)系：因為：所以：北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》4）失效率λ(t)定義：在t時刻，尚未失效的產(chǎn)品在t時刻附近的單位時間內(nèi)，發(fā)生失效的概率若N個產(chǎn)品，在t時刻未失效的產(chǎn)品有N(t)個，在t時刻附近的單位時間段△t內(nèi)，有△n(t)個失效，則失效率和其它參數(shù)的關(guān)系：λ(t)的單位：Fit：1Fit=10-9/h，每十億個小時的失效元件數(shù)Fpmh：1Fpmh=10-6/h，每百萬個小時的失效元件數(shù)北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》經(jīng)過大量的實驗，表明：電子元器件的失效率有一定的規(guī)律元器件電容插座接點二極管集成電路大、中、小規(guī)模石英晶體電阻焊點變壓器晶體管（三極管）可變電阻導線絞接點失效率（%1000h）0.020.050.0130.010.050.0020.00020.50.040.010.00002北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.3.2壽命1.壽命的定義平均壽命：壽命的平均值壽命方差：北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2.壽命的估值不可修復產(chǎn)品：θ是MTTF(平均無故障時間)的估計值當所有試驗樣品都觀察到壽命終了的實際值時，θ是它們的算術(shù)平均值。若有N個產(chǎn)品投入試驗，都觀察到壽命終了期，壽命為ti的有ni個（i=1,2,…,k)，則可修復產(chǎn)品：θ是MTBF(平均故障間隔時間)的估計值θ的估計值：產(chǎn)品使用壽命期內(nèi)，在某個觀察期間，累計工作時間T與故障次數(shù)r之比北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.3.3失效分布1.浴盆曲線絕大多數(shù)電子元器件、電子系統(tǒng)整機的失效率曲線：早期失效期：失效率較高，呈下降趨勢，失效原因：由于設(shè)計錯誤、工藝缺陷(焊接不牢、密封不良、材料中有雜質(zhì)、缺陷)、裝配問題、管理不當?shù)韧ㄟ^篩選老化的方法，剔除早期失效的產(chǎn)品，提高可靠性初始失效期的時間：一般幾十至幾百小時北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》絕大多數(shù)電子元器件、電子系統(tǒng)整機的失效率曲線：偶然失效期，?也稱為使用壽命期:失效率較低，穩(wěn)定，基本保持常數(shù)，是產(chǎn)品的最佳工作階段失效原因：大多由于產(chǎn)品固有質(zhì)量、或者偶然因素引起偶然失效期的時間：不同器件不一樣；同一種器件：不同用途的也不一樣民用級芯片：失效期達百萬、千萬小時工業(yè)級、軍用級芯片：失效期更長北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》絕大多數(shù)電子元器件、電子系統(tǒng)整機的失效率曲線：耗損失效期，又稱衰老期：失效率再度呈現(xiàn)上升趨勢相對于一般電子設(shè)備或電子元器件，半導體器件在損耗期的上升更緩慢一些失效原因：由于元器件材料磨損、疲勞、老化等只能更換元器件解決元器件失效的形式：1）突然失效，或稱為災(zāi)難性失效：突然短路或開路2）退化失效：元器件的參數(shù)逐漸變差系統(tǒng)的失效的兩種形式：局部失效、整體失效北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2.指數(shù)分布處于偶然失效期的絕大多數(shù)電子元器件，以及由許多元器件獨立組成，且無過多冗余的電子系統(tǒng)，均符合指數(shù)分布。指數(shù)分布：用于描述偶然沖擊引起的失效。偶然沖擊：指在很短的時間間隔內(nèi)，幾乎不會發(fā)生多于一次的沖擊，而且發(fā)生各次沖擊的事件是彼此獨立的可靠度：失效概率：失效密度：失效率為常數(shù)：北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》平均壽命：平均壽命與失效率互為倒數(shù)壽命方差：北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)例如:野外、強電環(huán)境、雷擊、高濕度、高溫、北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)1失效率可靠性可用定量的指標來表征。1）電子元器件的可靠性包括使用條件、環(huán)境條件第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》對集成電路功耗的影響：R(t)=P{τ>t}τ為產(chǎn)品的壽命北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)5）射頻電路設(shè)計與高速數(shù)字設(shè)計應(yīng)用可靠性和固有可靠性的比較：例如：電腦死機后，再也無法開機第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》這門課程：主要學習可靠性工程研究為ti的有ni個（i=1,2,…,k)，第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.4可靠性技術(shù)概要1.4.1全壽命周期的可靠性保證技術(shù)全壽命周期：包括電子系統(tǒng)的設(shè)計、制造、測試檢驗、工作、失效等各個階段。在各個階段：必須采用不同的可靠性技術(shù)手段，保證電子系統(tǒng)的可靠性北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》第一代可靠性保證技術(shù)：老化篩選：對所有的器件、產(chǎn)品實施，使其工作在最大功耗下，連續(xù)工作100小時或更長，剔除早期失效的產(chǎn)品可靠性試驗：抽樣進行，使其在比正常工作高得多的條件下，工作失效分析：對老化篩選、可靠性試驗進行分析，得到失效模式、失效機理，為改進提供依據(jù)。北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》第二代可靠性保證技術(shù)：提出“內(nèi)建可靠性”的理念，認為可靠性是設(shè)計出來的、生產(chǎn)出來的、維修出來的。無論是設(shè)計、生產(chǎn)、維修，必定包含著管理1）需求調(diào)查階段分析用戶對可靠性、維修性的要求、對影響可靠性的因素進行分析：用戶使用條件、使用環(huán)境、操作人員2）設(shè)計方案階段制定可靠性、維修性的實施方案，制定可靠性、維修性的工作計劃、工作規(guī)范北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》3）硬件、軟件方案設(shè)計開發(fā)階段對可靠性、維修性的實施方案進行分解和細化，落實到細節(jié)上，選擇合適的元器件、合理的軟件設(shè)計方法4）生產(chǎn)制造階段在研發(fā)的系統(tǒng)經(jīng)過多個用戶、長時間（幾個月）使用，并被專家、用戶鑒定、認可之后，進入生產(chǎn)制造階段采取嚴格的可靠性保障措施：每道工序進行質(zhì)量控制，仔細設(shè)計生產(chǎn)工藝，使用經(jīng)過老化篩選的元器件，認真測試，進行環(huán)境試驗對故障進行記錄，并做分析，寫出故障報告北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》5）使用階段產(chǎn)品使用時：必須保證產(chǎn)品在規(guī)定的條件下工作必須對使用者進行技術(shù)培訓，提供技術(shù)資料，保證一旦出現(xiàn)故障，知道如何進行維修，保證在最短時間內(nèi)修好。北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》系統(tǒng)設(shè)計中要注意的問題1）一慢一快的原則一慢：指在用戶需求調(diào)查、制定方案時，要仔細、認真、全面、周到制定方案：慎重，選擇最佳方案，無論是硬件還是軟件，方案都是合理，每個器件都要考慮只有方案合理、可以實現(xiàn)，后續(xù)工作才有意義需要經(jīng)驗，對電子的硬件、軟件有全面的了解和把握北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》一快原則：一旦方案確定，要調(diào)動所有開發(fā)人員的積極性，以最快的速度進行開發(fā)制定各部分的開發(fā)時間節(jié)點，例如：各個硬件模塊、軟件模塊的開發(fā)和調(diào)試時間、聯(lián)調(diào)時間等如果沒有按照這個原則，最終結(jié)果都不好北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2）在設(shè)計階段要考慮調(diào)試問題制定方案時：考慮如何聯(lián)調(diào)，采用什么步驟、順序進行調(diào)試；準備需要的信號源、測試設(shè)備硬件軟件開發(fā)階段：考慮選擇的元器件是否能夠正常工作軟件要進行調(diào)試：模擬各種可能的情況，測試軟件的錯誤北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》3）硬件和軟件的折中應(yīng)用有些功能既可以軟件實現(xiàn)，又能夠硬件實現(xiàn)，要充分考慮各種可能，進行最優(yōu)設(shè)計例如：1）進行數(shù)字電路設(shè)計，設(shè)計計數(shù)器，時序狀態(tài)控制：可以使用數(shù)字電路芯片，進行硬件設(shè)計也可以使用CPLD、FPGA，編寫程序進行實現(xiàn)2）單片機要進行以太網(wǎng)通信：TCPIP協(xié)議既可以使用C語言編寫，也可以使用硬件實現(xiàn)了的以太網(wǎng)接口芯片，例如W5100北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》第三代可靠性保證技術(shù)：失效檢測和壽命預報：在產(chǎn)品內(nèi)部嵌入監(jiān)控模塊，檢測退化過程，在產(chǎn)品失效前預報、及時發(fā)現(xiàn)故障，更換元器件、切換到冗余系統(tǒng)上。北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.4.2可靠性篩選技術(shù)篩選的定義：指對所有的元器件進行非破壞性測試、應(yīng)力試驗，經(jīng)過一定時間后，把特性測試一遍，剔除失效的器件，或具有潛在缺陷的元器件的過程元器件篩選的目的：是淘汰有缺陷的器件。元器件的固有可靠性：即使廠家采取了很多措施，但是難以避免有不合格的產(chǎn)品在元器件生產(chǎn)的過程中，由于材料的缺陷、設(shè)備工藝的原因，元器件存在內(nèi)傷，在出廠之前，沒有暴漏出來?？煽啃院Y選效果的表示：篩選剔除率：被淘汰的產(chǎn)品占產(chǎn)品總數(shù)的比率北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》篩選應(yīng)力的大小、應(yīng)力施加的時間：應(yīng)保證早期容易失效的器件，能夠被發(fā)現(xiàn)并剔除，同時不會對無早期失效的器件帶來損傷篩選應(yīng)力越大，則應(yīng)力施加的時間應(yīng)越短，例如：125℃、100小時的篩選與100℃、240小時的篩選，效果是相同的北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》一次篩選和二次篩選：為什么需要進行二次篩選？1）元器件生產(chǎn)公司使用的篩選條件，低于產(chǎn)品的實際使用條件2）元器件在生產(chǎn)公司出產(chǎn)后，在使用之前，經(jīng)過長時間的運輸、存儲，其性能可能會發(fā)生變化北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》（4）振動沖擊篩選把元器件放在振動試驗臺上，連續(xù)振動，后測試性能，把不合格的去掉（5）濕度篩選把元器件放在高濕度的環(huán)境下，存放數(shù)十個小時，后測試元器件的性能（6）密封檢測篩選氦質(zhì)譜檢漏：檢測出細微的漏氣浸油法：把元器件放在100°的碳氟油液體中，元器件內(nèi)部的空氣，遇到高溫膨脹會有氣泡冒出（7）樣機的連續(xù)工作樣機在進入現(xiàn)場之前，加電連續(xù)工作數(shù)十到數(shù)百小時北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.4.3可靠性與成本的權(quán)衡一個電子產(chǎn)品的壽命周期成本：包括研發(fā)生產(chǎn)成本、運行維護成本研發(fā)生產(chǎn)成本：包括原材料采購、設(shè)計、工藝改進等方面的成本運行維護成本：包括修理、維護、備件和保障等方面的成本可靠性越低：研發(fā)成本越低，運行維護成本越高可靠性越高：研發(fā)成本越高，運行維護成本越低前期研發(fā)階段：投入越多，后期的運行維護成本越低可靠性最低端、最高端：壽命周期成本都很高壽命周期成本最低，也是性價比的最佳點：下面兩條曲線的交叉點北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》在設(shè)計階段解決可靠性問題：比在測試、生產(chǎn)階段來解決，不僅可用的技術(shù)手段多，而且投入經(jīng)濟成本少得多手段北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》國外某短程導彈項目，在研制階段的七個節(jié)點，進行設(shè)計修改，所付出的平均花費在產(chǎn)品研發(fā)中：越早考慮可靠性設(shè)計，成本就會越低北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.5可靠性設(shè)計1.5.1應(yīng)用可靠性和固有可靠性1.5.2環(huán)境應(yīng)力1.5.3失效模式和失效原因1.5.4可靠性設(shè)計的重要性人為因素北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.5.1應(yīng)用可靠性和固有可靠性電子元器件可靠性的分類：固有可靠性和應(yīng)用可靠性固有可靠性：器件制造完成時，所具有的可靠性，取決于器件的設(shè)計、制造工藝和原材料，和出廠時的可靠性檢測條件應(yīng)用可靠性：器件在實際使用時，在整個系統(tǒng)中，表現(xiàn)出的可靠性除與固有可靠性有關(guān)之外，還與器件的工作條件與非工作條件有關(guān)工作條件：元件實際工作時的條件非工作條件：元器件在運輸、存儲、焊接、裝配、測試時的條件北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》應(yīng)用可靠性和固有可靠性的比較：1）應(yīng)用可靠性<固有可靠性例如：元器件工作時所處的條件，不符合元器件自身的特點；在運輸、存儲、焊接、裝配時，器件受到了不適當?shù)碾姟?、機械、化學等應(yīng)力、或誤操作等“一類元件裝出三類整機”2）應(yīng)用可靠性>固有可靠性在運輸、存儲、焊接、裝配時，器件的操作正常；元器件工作時所處的條件，符合額定條件；整機設(shè)計時采取了降額、冗余、容錯等措施，“三類元件裝出一類整機”，北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.5.2環(huán)境應(yīng)力環(huán)境應(yīng)力：指電子系統(tǒng)所處的各種環(huán)境環(huán)境應(yīng)力的分類：電應(yīng)力、溫度應(yīng)力、機械應(yīng)力、氣候應(yīng)力等北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》引起電子設(shè)備失效的環(huán)境應(yīng)力分布：野外地面電子設(shè)備機械電子設(shè)備航空電子設(shè)備溫度：對各種電子設(shè)備影響都大振動：對航空電子設(shè)備影響最大北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》按應(yīng)力強度（從小到大）及產(chǎn)生的后果，環(huán)境應(yīng)力的分類：A級、B級、C級，通常叫“干擾”例如：電磁干擾、噪聲等，通常由元器件的功能暫時失效所致A級：設(shè)備仍然能在規(guī)定的環(huán)境中實現(xiàn)正常功能，但性能有下降例如：電腦運行速度變慢B級：設(shè)備出現(xiàn)誤動作，或喪失局部功能，但設(shè)備總體上仍在正常運轉(zhuǎn)。干擾消失后，設(shè)備自動恢復正常狀態(tài)，不再出現(xiàn)誤動作或局部功能失常例如：電腦個別軟件無法運行C級：設(shè)備運行停止，需要外部干預（如操作者重新啟動）才能重新開始運行例如：電腦死機，重新開機，可恢復正常北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》如果應(yīng)力類型為電應(yīng)力：D級、E級，通常叫“電過應(yīng)力”例如：浪涌、靜電放電、雷擊、核輻射等通常由元器件的永久性失效所致D級：故障現(xiàn)象同C級，但已給設(shè)備引入不可恢復的潛在損傷，設(shè)備的壽命及抗環(huán)境應(yīng)力能力已下降例如：電腦死機后重新開機可正常運行，但之后會頻繁死機E級：設(shè)備即時永久喪失功能，必須進行維修例如：電腦死機后，再也無法開機北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》c.溫度對電容的影響溫度變化影響電容的電介質(zhì)、技術(shù)參數(shù)、使用壽命2）電源的影響電源自身的波動、瞬時掉電、沖擊：電源電壓升高：對放大器的影響：使放大器的放大倍數(shù)增加，放大器不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激，嚴重的使器件擊穿對集成電路功耗的影響：使集成電路的功耗增加，過大功耗會損壞器件對電容的影響：可能使電容擊穿電容的失效率和電容的電壓成正比會使系統(tǒng)的硬件產(chǎn)生暫時、永久性的故障北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》3）濕度的影響使元器件的絕緣性能變差，引起漏電。特別是既有高壓，又有低壓的電路4）振動、沖擊的影響損壞系統(tǒng)的器件使器件斷裂、脫焊、接觸不良使導體碰撞，引起短路5）其他環(huán)境因素的影響電磁干擾、壓力、鹽霧、粉塵、粒子輻射等高濕度：腐蝕密封不良的器件；電子設(shè)備故障統(tǒng)計結(jié)果:原因溫度振動濕度粉塵鹽霧氣壓沖擊其他百分比22.211.4104.21.91.91.147.3結(jié)論：環(huán)境因素引起的故障，占到了一半以上北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》6）結(jié)構(gòu)和工藝的影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理：需要通風的地方?jīng)]有留出位置晶閘管、大繼電器等產(chǎn)生大干擾的器件，放在易受干擾的元器件附近操作人員觀察、維修十分困難弱信號電纜和強信號電纜放在了一起工藝上的不完善：焊點虛焊、電路板加工不良、金屬化孔斷開例如：有些元器件靠近熱源；北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》1.5.3失效模式和失效原因元器件失效按照嚴重程度，有三個類型：1）即時失效元器件功能立刻喪失，影響整機的合格率、成本必須更換元器件2）潛在失效當時元器件的功能正常，但給元器件的功能帶來隱性損傷，其壽命、環(huán)境適應(yīng)能力明顯退化，存在失效隱患影響整機壽命及環(huán)境適應(yīng)能力，比較隱蔽3）暫時失效元器件功能暫時失常，但是在干擾消失后，會恢復正常北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》元器件失效的其它分類：1）按照失效模式，指失效后的表現(xiàn)開路失效、短路失效、功能退化失效、突變失效2）按失效的原因初始失效、隨機失效、耗損失效、誤用失效、環(huán)境應(yīng)力失效3）按時間特征漸變失效、突然失效、間歇失效、退化失效北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》統(tǒng)計數(shù)據(jù):（來源：航天部失效分析中心）我國航天設(shè)備的故障：大約50％是由元器件失效引起其中，元器件失效中，因為元器件使用不正確，又占30～50％北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》元器件失效的原因：1）元器件自身的原因芯片集成度→↑工藝尺寸↓→片內(nèi)電流密度↑，電場強度↑，熱不匹配性↑芯片工作電壓→↓噪聲容限↓→抵抗外界過電壓的余度↓數(shù)字電路工作頻率↑、模擬電路靈敏度↑→片內(nèi)防護電路設(shè)計制造難度↑北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》電子元器件的發(fā)展：從電子管、晶體管、集成電路，到超大規(guī)模集成電路，其抗應(yīng)力沖擊的能力，下降了5個數(shù)量級μJ：表示抗應(yīng)力沖擊能力的單位北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》隨著集成電路工藝尺寸的縮小、集成電路工作電壓的降低、集成電路速度的提升，要保證同樣的片內(nèi)靜電防護級別，所需的成本將會按指數(shù)規(guī)律上升北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》2）片外原因系統(tǒng)高頻高速化：電過應(yīng)力與干擾的傳播路徑多樣化、復雜化應(yīng)用環(huán)境多樣化：如航天、航空、車載、手持移動設(shè)備等保護手段低成本化：如采用無屏蔽作用的塑料機箱取代金屬機箱，用塑料封裝取代高可靠的金屬、陶瓷封裝等北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》3）元器件失效的浴盆曲線大量實驗表明：元器件的失效率有一定規(guī)律在規(guī)定條件(額定條件)下，元器件的失效率曲線：浴盆特性曲線特點：不同的時期，失效率不一樣使用方法：避開元器件的初始失效期使其工作在隨機失效期(失效率低)在到達損耗失效期之前，更換新的元器件北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》4）使用不當在正常使用條件（額定工作條件）下：元器件有失效期，經(jīng)過若干時間的使用，會逐漸衰老失效，是正?，F(xiàn)象在非額定工作條件下：元器件的故障率會大大提高實際使用時：許多故障是由于使用不當、錯誤使用造成的額定工作條件：各種元器件的正常工作條件：包括額定電壓、額定電流、額定功率、額定溫度、額定電磁環(huán)境、額定濕度、額定頻率等北京印刷學院信息工程學院電子信息工程專業(yè)第一章電子設(shè)計可靠性基礎(chǔ)《電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計》（1）電阻器電氣特性：阻值、額定功率、誤差、溫度系數(shù)、溫度范圍、線性度、噪聲、頻率特性、穩(wěn)定性例如：薄膜電阻：用于高頻、脈沖電路線繞電阻：用于低頻、直流電路功率電阻：用于功率大的場合使用不當?shù)睦樱撼^電阻的額定功率，應(yīng)該使用大功率電阻北京印刷學院信息工程學院電子信