电子产品可靠性设计与制造及试验

电子产品可靠性设计与制造及试验

王业辉

广东昭信平洲电子有限公司528251

摘要：随着电子产品在各个领域被广泛运用，如何保证电子产品可靠性成为所有电子产品设计者，制造者关心的话题。提出了如何从多方面提高电子产品系统可靠性的经验和意见，包括产品设计可靠性，元器件可靠性和安装、调试可靠性等。最后介绍了电子产品的可靠性试验。

关键词：电子产品；可靠性；设计；制造；试验

一、设计的可靠性

电子产品是否可靠运行关键取决于可靠性的设计，通过合理的系统设计，可以大大减少电子产品运行故障率，提高其可靠性。系统电路设计力求简单，在选用芯片时，在保证高性价比情况下，应尽量选用集成度高的集成电路，这样可减少元器件数量，使得印制电路板布局简单，减少焊接和连线，减少故障率。同时，最好选择集成电路，因为器件具有抗干扰强、宽电压范围、功耗小等特点。设计软件时，在满足功能前提下，最大限度地简化程序。元器件是电子产品的物质基础，其性能直接影响整个产品工作的稳定性，故在系统设计时，选择合理的元器件至关重要。选择元器件时，首先，考虑其性能是否能够满足要求，例如电压等级、响应速度、驱动能力等。其次要考虑其在开路、短路、接触不良等非正常状态下工作情况。元器件寿命是随着工作电压、环境温度提高而大幅度缩短，故降额设计是提高产品可靠性的常用方法，就是让元器件在低于其额定条件下工作，降额使用多用于无源元件（电阻、电容等)、大功率器件、电源模块等。

二、元器件的可靠性

元器件的可靠性主要由生产厂家来保证，对于使用者来说主要是保证所选用的元器件的质量和可靠性指标符合设计要求。首先，严格管理元器件购置，在采购前应对供方进行考核，考核其质量管理体系是否能够满足要求，是否能够保证产品一致性。在考核时应适当抽取一定数量的产品进行型式试验，考核其所生产的产品是否能够达到规定指标。供方一旦选定，不要随意更换，当然对供方还需要定期考核，淘汰不合格供方。其次，元器件储存条件（温度、湿度)要符合规定要求，入库后要严格管理，建立科学档案资料，对不同型号、不同批次的元器件应分开放置。对不合格的元器件要与合格品隔离起来，防止混入合格的元器件流入生产现场。最后，元器件在装机前应经过老化筛选，淘汰那些质量不佳的元件。老化时所选用电气应力（电压、电流等）应等于或略高于额定值，淘汰那些功耗偏大、性能指标不稳定的元器件。

电子产品在运行时还会受到来自内部或外部的各种电气干扰，所以设计电路时也要考虑电路抗干扰能力。防止外部干扰主要从以下几个方面。

（1）电源方面干扰，电子产品的供电电源受外界干扰而引起电压波动，通常会有一些杂波成分，电子产品要在该条件下能正常工作，需在电源方面加以考虑。通常采用电源滤波器或隔离变压器来屏蔽杂波成分，电源模块应采用宽电压范围输入。

（2）信号通道的干扰，电子产品通常有开关量、模拟量（输入/输出）通道，这些信号在工作环境比较恶劣时会受到干扰。输入通道一般采用光电隔离、施密斯触发器等器件进行抗干扰处理，有时软件也会对输入信号进行滤波处理。输出信号一般不宜直接驱动大功率设备，采用继电器、脉冲变压器等器件间接驱动，防止大功率设备在启动时产生的瞬变电流火花干扰电子产品。

（3）空间外来干扰，间外来干扰主要是场干扰，强电场可以在控制系统中产生感应电动势，抑制空间外来干扰主要措施是屏蔽，用双绞线或屏蔽线传输信号。屏蔽是指用屏蔽体（通常用低电阻材料做成）把通过空间的电场、磁场部分隔离开来，隔断其空间场的耦合通道。传输信号线采用双绞线或屏蔽线，双绞线一根做信号传输，一根做屏蔽接地线，屏蔽线用金属编织网做屏蔽外层。

（4）接地干扰，由于实际接地电阻不为零，故在地线中有电流流过在地线各点造成电位差。在设计时应将交流地、直流地、模拟地、数字地分开。印制电路板设计是否合理对电子产品是否能够可靠运行同样起着关键作用，设计印制电路板电路图时，首先考虑元器件布局，将发热量大的元件放置通风较好的边缘地方，同时尽量远离受温度影响较大的元件。较大元件固定不宜采用直接管脚焊接固定，应采用其他方式固定。地线布置尽量放宽。布线时要考虑线间的互相干扰。在电源线和集成芯片都要安置去耦电容。

三、可靠性试验中试验前预处理方法分析

电子产品的正确可靠安装调试是保证系统运行和可靠性的重要措施，尽管元件选择可靠，设计合理，但如果安装调试方法等不正确，则系统可靠性将难以得到保证。安装调试要严格按照工艺文件及相关技术文件执行。可靠性试验标准中规定冷浸阶段前实际上要经过降温段，冷浸结束后还会有个升温段。在产品设计制造之前，可以通过电子仿真软件对算法或电路模型进行仿真优化，确定基本电路模型，然后设计电路。当电子产品生产制造出来以后，再通过试验来判定产品性能指标是否达到规定要求。为了使电子产品内部潜在的缺陷提早暴露出来，使出厂产品质量保持可靠稳定，对电子产品进行可靠性筛选试验是必要的。可靠性筛选试验通常是在产品调试结束，检测正常之后进行。采用定量环境应力筛选是比较高效筛选方法，对于电子产品温度应力平均可以暴露79%的缺陷，振动应力平均可以暴露21%的缺陷。受试产品预处理的目的是为了消除或部分消除试验样品过去所受的影响，并保持试验结果的一致性。在可靠性试验中，试验是第一个循环，试验前有必要对受试产品进行预处理。此外，一般还要在受试产品进箱前，把试验箱内的材料烘干。一般型式试验项目有以下几部分（实际应用时可参考进行其中一项或几项试验)

（1）性能试验，为了保证产品每项性能指标都能满足相关要求，需对电子产品做性能试验。（2）电压波动试验让供给电子产品电源电压在一定范围内波动，观察电子产品是否能够正常工作。确保电子产品在供电电源不稳时能正常工作。

（3）高低温试验是验证产品是否能够适应温度环境。

（4）交变湿热试验，交变湿热试验是验证产品是否能够适应湿度环境。

（5）绝缘耐压试验电子产品要求有一定的绝缘能力，需对电子产品做该项试验。

（6）低温存放试验，电子产品存放时温度有时很低，通过做该项试验来验证其低温存放能力。（7）振动冲击试验，电子产品有时在振动环境下工作，需对其做振动冲击试验。

（8）电磁发射骚扰试验，该试验主要验证电子产品向空间发射电场、磁场骚扰别的电子产品能力。

（9）防护等级试验，电子产品需要一定的防护能力，通过防护等级试验，了解其防护能力。由于型式试验费用较高，没有必要对每套电子产品做型式试验，通常抽取一到两套样品进行试验。

四、电子器件的内部温度跟随性结构工艺设计

使得电子器件在低温后启动时快速温升的方法有很多。当电子产品安装在温控舱内时，首先要做的是提高PCB的环境温度的跟随性，加热器与PCB间的热阻越小，电子器件被加热的速度也就越快。热设计工程师可通过设计机箱的结构及内部元器件的排版来改变热阻，改变热阻可以为PCB迅速加热，并保证PCB处于失效模式对应的门限温度之上。

此类设计对大的固定电子产品是比较有意义的，其内部温度随环境温度变化的速率比较慢，能延缓降温速率，如果需要在冷浸结束升温后，使内部温度尽快地达到工作温度，则设计时应该将热交换时间常数降低，例如：将关键材料的热传导系数降低。当采用强迫风冷的时候，风道设计十分重要，例如：如何避免漩涡，增加热交换系数等。

五、结束语

以上只在几个方面简单介绍电子产品如何提高其可靠性，在系统设计时必须对电子产品工作环境、工作状态进行全面分析，确定相应参数，针对其工作不稳定因素，有重点地采取相应措施。在试验方面，根据实际情况，选择相应的试验项目及试验参数。提高电子产品可靠性是一个综合的课题，需对各个环节进行考虑。

参考文献：

[1]王幸之---王雷---翟成---单片机应用系统抗干扰技术---2015

[2]潘建---浅谈电子产品的可靠性设计---2016

[3]赵洪杰---电路设计中元器件应用可靠性探讨---2015