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可靠性設(shè)計(jì)：元器件、零部件、原材料的選擇與控制

發(fā)表時(shí)間:2023-05-04 14:03:41

通常，一個(gè)產(chǎn)品由各種基礎(chǔ)產(chǎn)品(包括各種元器件、零部件等)構(gòu)成。由于元器件、零部件的數(shù)量、品種眾多，所以他們的性能、可靠性、費(fèi)用等參數(shù)對整個(gè)系統(tǒng)性能、可靠性、壽命周期費(fèi)用等的影響極大。

原材料則是各種基礎(chǔ)產(chǎn)品的基本功能賴以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，與產(chǎn)品的性能、可靠性、壽命、成本等等密切相關(guān)，必須對其加以控制。下面分別論述。

一、電子元器件的選擇與控制

◆元器件的質(zhì)量等級(jí)

元器件的質(zhì)量等級(jí)是指元器件在裝機(jī)使用之前，按產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或供需雙方的技術(shù)協(xié)議，在制造、檢驗(yàn)及篩選過程中對其質(zhì)量的控制等級(jí)。

一種通俗的分法是商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)、軍用級(jí)、航天級(jí)。

一般來說，質(zhì)量等級(jí)越高，可靠性水平也越高。

國軍標(biāo)元器件質(zhì)量等級(jí)

◆元器件的選擇

元器件的選擇不當(dāng)會(huì)造成所購買的元器件可靠性水平不符合要求。有一些通用的選型方法、原則可以參考，很多公司也制定有自己內(nèi)部的選擇清單。

一般來說，元器件的選擇控制要做如下事情：

1.先制定好總規(guī)范，提出全面、系統(tǒng)的質(zhì)量控制要求。

2.制定詳細(xì)系列的標(biāo)準(zhǔn)和詳細(xì)規(guī)范。

3.收集信息，建立合格元器件清單、優(yōu)選庫。

4.制定使用手冊。

在選擇元器件的時(shí)候，要考慮一些問題：

1.元器件的技術(shù)性能、質(zhì)量等級(jí)、使用條件等符合設(shè)備的要求。

2.選擇經(jīng)過實(shí)踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應(yīng)渠道可靠的標(biāo)準(zhǔn)元器件。

3.選擇的時(shí)候要考慮到降額和熱設(shè)計(jì)的要求。

4.建議減少元器件的品類、規(guī)格和廠家。

5.結(jié)合目前的國際形勢，還要考慮元器件的供應(yīng)穩(wěn)定問題，例如會(huì)不會(huì)被制裁、限制，導(dǎo)致缺貨、法規(guī)問題等。

◆元器件的正確使用

在講可靠性的分類時(shí)，我們提到一種分類方式是分固有可靠性和使用可靠性。其中固有可靠性主要靠設(shè)計(jì)和制造等工作來保證。

但很多時(shí)候，發(fā)生故障，并非本身的固有可靠性不高，而是使用者對元器件選擇不當(dāng)或使用有誤造成。

能否正確使用元器件已經(jīng)成為影響電子元器件、設(shè)備、系統(tǒng)可靠性的主要問題。下面舉一些常見的問題。

1.對元器件的性能掌握不夠

隨著電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，新器件競相出現(xiàn)。有些器件由于缺乏詳細(xì)的技術(shù)資料，在使用中往往因?yàn)橥鈬娐返慕M配元器件類型和參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致元器件過應(yīng)力損傷，最終導(dǎo)致?lián)p壞。因此，要深入掌握所使用元器件的技術(shù)性能，并嚴(yán)格控制新器件的使用。

2.降額設(shè)計(jì)

經(jīng)驗(yàn)表明，元器件故障的一個(gè)重要原因，是由于它工作在允許的應(yīng)力水平之上。為了提高元器件可靠性，延長其使用壽命，必須有意識(shí)地降低元器件的工作應(yīng)力(電、熱、機(jī)械應(yīng)力)，以使實(shí)際使用應(yīng)力低于其規(guī)定的額定應(yīng)力。

3.熱設(shè)計(jì)

電子元器件的熱故障是由于高溫導(dǎo)致元器件的劣化而造成的。現(xiàn)代電子設(shè)備所用的電子元器件組裝密度越來越高，使元器件之間通過熱傳導(dǎo)、輻射和對流產(chǎn)生了熱耦合。

4.抗輻射問題

在航天器中使用的元器件，通常要受到來自太陽系和銀河系的各種射線輻射。此外，在核爆環(huán)境中，元器件將受到高能中子和γ射線的損傷，進(jìn)而使整個(gè)電子系統(tǒng)故障。因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮輻射的影響，在需要時(shí)采用抗輻射加固的半導(dǎo)體器件。

在普通領(lǐng)域，比較少會(huì)考慮輻射，但也有一些場景。一個(gè)例子：

某工程師為醫(yī)院急救設(shè)計(jì)了一個(gè)相關(guān)程序，在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行良好，但是每次在醫(yī)院調(diào)試都出bug，只好到醫(yī)院去調(diào)試，而且是當(dāng)著急救病人！！！經(jīng)過漫長的測試終于發(fā)現(xiàn)，是由于醫(yī)院使用的X射線導(dǎo)致電腦內(nèi)存總是丟失幾個(gè)bit 的信息，而導(dǎo)致程序出問題，最終通過把電腦的內(nèi)存用鉛板隔起來解決！

常見的手機(jī)、電腦，也可能與之相關(guān)。在2017年時(shí)，據(jù)媒體報(bào)道，美國范德堡大學(xué)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)和手機(jī)的死機(jī)故障或許是由來自太陽系外的宇宙射線產(chǎn)生的帶電粒子造成的。范德堡大學(xué)的教授Bharat Bhuva稱這是一個(gè)大問題，但卻不為公眾了解。

5.防靜電損傷

由于摩擦、電場感應(yīng)等原因產(chǎn)生的靜電電壓有時(shí)可能會(huì)高達(dá)幾千伏，當(dāng)電子元器件與靜電帶電體接觸的時(shí)候，帶電體就會(huì)通過器件的管腿放電，損壞器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引起器件故障。在設(shè)計(jì)上，可以在器件的輸入端加上防靜電損傷的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，在保管、發(fā)放、生產(chǎn)和使用等過程中，工作人員必須全部采取防靜電措施等。

一種防靜電聯(lián)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

6.操作過程中的損傷問題

在檢測、調(diào)試等操作過程中，由于測試不當(dāng)或者測量儀器接地不當(dāng)，會(huì)對元器件產(chǎn)生電應(yīng)力損傷。例如，對于MOS器件，如果測試設(shè)備的電源，特別是數(shù)字電壓表接地不當(dāng)，常產(chǎn)生不該有的毛刺脈沖而損壞器件。

操作過程中還容易給半導(dǎo)體器件和集成電路帶來機(jī)械損傷，如引線變形、封裝破損等。這種情況應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配和安裝時(shí)引起重視。

7.儲(chǔ)存和保管問題

儲(chǔ)存和保管不當(dāng)是造成元器件可靠性降低或故障的重要原因，必須予以重視并采取相應(yīng)措施。例如，庫房的溫度、濕度應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，不應(yīng)導(dǎo)致有害氣體的存在；存放器件的容器應(yīng)采用不易帶靜電及不引起化學(xué)反應(yīng)的材料制成；定期檢查有測試要求的元器件。

二、零部件和原材料的選擇與控制

工程領(lǐng)域，可供選擇的原材料種類和牌號(hào)眾多。如何選擇一款合適的材料，對零部件的生產(chǎn)制造以及產(chǎn)品的整體性能、可靠性水平產(chǎn)生基礎(chǔ)性的影響。在原材料的選擇和控制上，有一些一般性的原則可以借鑒。

1.根據(jù)零部件的使用工況(含主要功能)選擇原材料

我建議的是結(jié)合自身工作實(shí)際情況(產(chǎn)品品類、歷史經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)有質(zhì)量管控體系等)，形成一個(gè)材料選材確認(rèn)表，對使用條件進(jìn)行簡述，以方便材料工程師根據(jù)條件作出基本選材推薦。

某涉水產(chǎn)品選材確認(rèn)表

包括接下來論述的幾點(diǎn)，其實(shí)都可以完善到這個(gè)表里，就看你工作中的實(shí)際需要。

2.考慮典型工況和極限工況下對原材料的性能要求

一般情況下，大家能把基本工況講明，但很多時(shí)候會(huì)忽略極限工況，原因主要有兩類，一個(gè)是忘記，另一個(gè)是本身就不知道極限工況是多少(包括環(huán)境應(yīng)力值，以及持續(xù)的時(shí)長，例如說極限工況是70℃，僅有這個(gè)溫度是不夠的，你還需要知道在這個(gè)溫度下會(huì)持續(xù)多長時(shí)間)。這些工況如果缺失或支撐證據(jù)不足，就需要去做相應(yīng)研究搞清楚。

3.考慮原材料在加工、使用以及清潔過程中可能暴露的化學(xué)環(huán)境

原材料的成分以及加工過程溫度、時(shí)間、壓力等等因素都會(huì)影響到材料的適用性，很難對原材料的化學(xué)兼容性進(jìn)行預(yù)測，建議在最終使用環(huán)境條件下進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)。

4.考慮原材料的其他特性

尤其是相對耐沖擊性/韌性，熱膨脹率，尺寸穩(wěn)定性，符合法規(guī)要求。

其中熱膨脹率不同經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致失效，例如玻璃和塑料的粘接，玻璃和不銹鋼的粘接等，在高溫、低溫、溫度循環(huán)下，很容易出現(xiàn)開裂、脫落等問題，設(shè)計(jì)時(shí)要注意避開。

吸水率對原材料的尺寸穩(wěn)定性也有一定影響，在選擇原材料時(shí)，要考慮濕度和水汽的影響。

5.考慮不同工藝過程對原材料物理特性的影響

即使選擇的原材料是相同的，但經(jīng)過不同的工藝過程后，材料的物理特性會(huì)存在一定的差異。例如噴射成型、擠壓成型、模壓成型的不同。

噴射成型的零部件表現(xiàn)出最大的各向異性特征(材料特性在各個(gè)方向不同)。擠壓成型的零部件則表現(xiàn)出輕微的各向異性特征。模壓成型的零部件表現(xiàn)出各向同性特征。

6.考慮所選材料的加工性能

加工性能也是需要考慮的。例如有些填充了玻璃及碳纖維的塑料，對比沒有添加填充物的塑料，加工的穩(wěn)定性更強(qiáng)一點(diǎn)。

7.綜合考慮，確認(rèn)所選原材料是否達(dá)到規(guī)格要求

每種原材料都有局限性，在設(shè)計(jì)零部件時(shí)要充分考慮，對各方面特性進(jìn)行驗(yàn)證，以確保達(dá)到零部件的設(shè)計(jì)要求。

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