提高電路中元器件的使用可靠性

陳龍?jiān)疲慀P云

（1.清華同方，江西 九江 332007；2.贛西供電局，江西 新余 338025）

1 引言

整機(jī)可靠性的基礎(chǔ)是必須有合理、正確的電路設(shè)計(jì)及元器件的可靠性保證，為得到高可靠性的整機(jī)設(shè)備必須兩者配合得當(dāng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的復(fù)雜程度越來越高，使用條件也越來越復(fù)雜和嚴(yán)酷，這就要求元器件生產(chǎn)廠家不斷地提高元器件的固有可靠性水平，也要求元器件的使用單位要不斷地提高元器件的使用可靠性水平，再加上合理、正確的電路設(shè)計(jì)，才能提高整機(jī)的可靠性。產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平，是產(chǎn)品取得更早的上市時(shí)間的有利保證，也是企業(yè)爭得市場、獲得信譽(yù)和取得經(jīng)濟(jì)效益的決定因素。

2 電子元器件的失效原因分析

2.1 設(shè)計(jì)問題

以往工作中的元器件失效分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，元器件失效不單是元器件本身的質(zhì)量問題所致，還有相當(dāng)?shù)谋壤怯捎谡麢C(jī)電路元器件的選擇和設(shè)計(jì)不合理而引起的。對我國使用的戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)和民用電視機(jī)等電子產(chǎn)品的現(xiàn)場故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，由于設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的故障占據(jù)首位。這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，要提高產(chǎn)品的可靠性，關(guān)鍵在于搞好產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)工作。

2.2 各種人為因素

據(jù)2008年 《可靠性與質(zhì)量信息》統(tǒng)計(jì)：各種不合理使用及人為損壞元器件所造成的失效比例在整個(gè)元器件失效數(shù)據(jù)中所占的比例約為58.1%。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，如庫存、搬運(yùn)、老化篩選、電氣裝配以及安裝調(diào)試、試驗(yàn)，這些都可能會(huì)有元器件失效的事例發(fā)生。例如：元器件的裝配，當(dāng)器件插上單元板后，試調(diào)整機(jī)，功能正常，但焊接到電路印制板上、裝入整機(jī)后，整機(jī)卻不能工作。分析原因，發(fā)現(xiàn)焊接使用的烙鐵沒有良好接地，不符合元器件的電路焊接標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致器件靜電擊穿失效。

2.3 其它因素

統(tǒng)計(jì)表明，由于其它電應(yīng)力造成的失效也占很大的比例。比較典型的原因有：接地不良、示波器探頭、反沖電動(dòng)勢、系統(tǒng)設(shè)計(jì)無余量、二次擊穿、輸入端引入高壓大電流、靜電和浪涌等。例如：很多單位的供電系統(tǒng)都是接 “0”保護(hù)，即 “零”線與 “地”線接在一起，這是符合供電系統(tǒng)的使用標(biāo)準(zhǔn)的。然而，對于微電子器件、CMOS器件，在其電路設(shè)計(jì)、調(diào)試和生產(chǎn)過程中，則必須采用接“地”保護(hù)，即 “零”線要嚴(yán)格分開。很多使用單位對此問題并未引起足夠的重視，從而導(dǎo)致了器件的失效或產(chǎn)品的報(bào)廢。

另一個(gè)問題是，在進(jìn)行直流電流的計(jì)量后，不注意引出線的接地問題，接地只接電源機(jī)殼而沒有接上地線，造成整機(jī)發(fā)生莫名奇妙的故障甚至導(dǎo)致有的元器件失效；或者由于接反了工作臺(tái)上輸出電源的正負(fù)極性，導(dǎo)致有些器件被擊穿失效。這是因?yàn)?，如果有正確的電路設(shè)計(jì)，并合理地選用元器件，就可以大大提高元器件的應(yīng)用可靠性；而且，對于絕大部分問題，在技術(shù)上都是可以解決的，在實(shí)踐中也是可以避免的。

3 提高電子元器件使用可靠性的幾點(diǎn)建議

a）盡量采用經(jīng)過元器件質(zhì)量認(rèn)定，并經(jīng)過實(shí)際證明質(zhì)量好、可靠性高、定點(diǎn)生產(chǎn)的成熟與通用的元器件。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)整機(jī)使用的環(huán)境條件和所要求的特性參數(shù)來確定選用元器件的具體型號、規(guī)格和品種。

元器件的選擇通常要考慮以下幾方面的因素：

1）對元器件供應(yīng)商要考慮過去的歷史、生產(chǎn)裝備、供應(yīng)者審批狀態(tài)、滿足采購要求和二次資源等方面的問題；

2）在元器件應(yīng)用方面，則應(yīng)研究元器件封裝類型、尺寸、安裝和使用的經(jīng)驗(yàn)，功耗情況，降額和腐蝕控制；

3）從可靠性角度來說，首先應(yīng)考慮設(shè)計(jì)成熟性、供應(yīng)商和元器件的歷史及元器件的結(jié)構(gòu)，材料和工藝，生產(chǎn)質(zhì)量控制情況；

4）考察元器件質(zhì)量控制情況，特別是鑒定情況，基本文件或技術(shù)狀態(tài)控制，失效分析，污染控制及原材料檢驗(yàn)等方面；

5）器件性能方面，要考慮各功能參數(shù)漂移影響，環(huán)境設(shè)計(jì)余量和標(biāo)準(zhǔn)化要求等因素。

b）滿負(fù)荷極限工作的元器件，其壽命將大大下降。為了降低元器件現(xiàn)場使用的失效率，對元器件的使用實(shí)行降額 （包括電流、電壓和功率）及降溫的辦法。降額設(shè)計(jì)就是使原器件或設(shè)備工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)亟档陀谠骷蛟O(shè)備的額定值，從而達(dá)到降低基本故障率、提高使用可靠性的目的。電子產(chǎn)品和機(jī)械產(chǎn)品都應(yīng)做適當(dāng)?shù)慕殿~設(shè)計(jì)，因電子產(chǎn)品的可靠性對其電應(yīng)力和溫度應(yīng)力較敏感，故而降額設(shè)計(jì)技術(shù)對電子產(chǎn)品顯得尤為重要，成為可靠性設(shè)計(jì)中必不可少的組成部分。對于不同的元器件，降額的方法是不一樣的，電阻器的降額方法是降低功率比；電容器是降低其工作電壓；半導(dǎo)體器件的降額方法是將工作功耗保持在額定的功耗之內(nèi)；數(shù)字集成電路則通過周圍環(huán)境溫度和電負(fù)荷來降額；線性集成電路、大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器也是通過降低周圍環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)降額的；對于機(jī)械部件的軸承來說，它是以負(fù)荷比為降額系數(shù)的。

然而，降額設(shè)計(jì)也要把握好降額等級，過度的降額并無益處，會(huì)使元器件的特性發(fā)生變化或?qū)е略骷?shù)量不必要的增加或無法找到合適的元器件，反而對設(shè)備的正常工作和可靠性不利。有些元器件的負(fù)荷應(yīng)力是不能減額或者對最大減額有限制的。例如：電子管燈絲電壓和繼電器線包吸合電流是不能減額的，否則電子管的壽命要降低；特別是微波大功率磁控管等，不僅會(huì)影響壽命，而且還會(huì)因燈絲欠熱而跳火，以至不能正常工作；繼電器則不能吸合或會(huì)引起接點(diǎn)抖動(dòng)。有的元器件，減額到一定程度時(shí)卻得不到預(yù)期的減額效果。例如：薄膜電阻器的功率減額到10%以下時(shí)，失效率則不再下降。又如三極管的Vec電壓減額到額定值的四分之一以下和一般二極管的反向電壓減額到最大反向電壓的60%以下時(shí)，失效率也都不再下降。

c）在保證電路功能的前提下，應(yīng)按以下要求來選擇元器件。

1）盡量選用數(shù)字電路，少用模擬電路；盡量選用集成度高的電路，少用集成度低的電路；盡量選用密封的器件，不用扁平電路；盡量選用功耗小的器件。

2）根據(jù)頻率、功率、耐壓和噪聲等來選擇半導(dǎo)體分立器件時(shí)，應(yīng)盡量選擇硅半導(dǎo)體器件，不選或少選鍺半導(dǎo)體器件。

3）對使用環(huán)境苛刻，工作及貯存壽命有一定要求的高可靠設(shè)備，不能選用非氣密性的塑料封裝結(jié)構(gòu) （此類器件僅可在地面良好或地面固定環(huán)境中使用）的電路或器件，而應(yīng)選擇金屬、陶瓷密封封裝的電路或器件。

4）盡量選用高可靠器件，少用繼電器、開關(guān)、電真空器件和旋轉(zhuǎn)器件。

5）盡量選用無源器件，將有源器件減至最少的程度。

6）盡量不用或少用電位器，必須用時(shí)建議選用合成實(shí)芯或線繞電位器，調(diào)機(jī)結(jié)束后必須密封。

7）根據(jù)耐壓、介質(zhì)損耗、頻率、容量變化和溫度系數(shù)等參數(shù)來選擇電容器。盡量少用鋁電解電容器，需用時(shí)必須嚴(yán)格篩選。

8）根據(jù)阻值范圍、溫度系數(shù)、噪聲、高頻高速響應(yīng)、功率、電壓以及穩(wěn)定性等參數(shù)來選擇電阻器時(shí)，應(yīng)盡量不用RT電阻器，而選用RJ電阻器。

對于特殊電路，或者由成本很高的元器件所組成的電路，可加保護(hù)電路作為預(yù)防措施。對功耗較大的 （如≥3 W）的元器件，應(yīng)附加具有散熱的部件，并保證其接觸良好。

d）在電路中，若使用的是特殊元器件，如CMOS電路、場效應(yīng)管，則應(yīng)具有防靜電的工藝配套措施，如配備防靜電服、防靜電皮和防靜電手套。

e）正確地選擇安裝工藝方法，如印制板的機(jī)械配合孔、元器件的安裝孔以及結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的合理性。以防止由于結(jié)構(gòu)或工藝設(shè)計(jì)的不合理而造成元器件存在的內(nèi)應(yīng)力，從而加速元器件的早期失效。

f）加速元器件應(yīng)用可靠性的研究，編寫有關(guān)元器件的使用指南或使用規(guī)則，制定元器件優(yōu)選目錄，根據(jù)不同類型電子設(shè)備的可靠性指標(biāo)要求和使用環(huán)境條件的要求，確定該設(shè)備所需的電子元器件的質(zhì)量等級，擬制該設(shè)備的元器件優(yōu)選清單。在應(yīng)用時(shí)根據(jù)產(chǎn)品各研制階段的實(shí)際需要，對元器件優(yōu)選目錄實(shí)施動(dòng)態(tài)管理。這樣可以提高電路設(shè)計(jì)人員對元器件的可靠性設(shè)計(jì)水平。例如：可根據(jù)單位的實(shí)際情況來編寫 《COMS電路使用規(guī)則》、 《集成運(yùn)放電路使用規(guī)則》等文件。從而使設(shè)計(jì)、使用人員有章可循，將大大減少人為因素造成的元器件失效。

g）加強(qiáng)元器件的檢驗(yàn)和老化篩選工作，在源頭杜絕不合格元器件的質(zhì)量監(jiān)督和質(zhì)量跟蹤。開展元器件極限應(yīng)力分析試驗(yàn)，提高元器件使用可靠性。通過在極限溫度及機(jī)械應(yīng)力下元器件試驗(yàn)與分析，充分暴露元器件設(shè)計(jì)、工藝及結(jié)構(gòu)缺陷，為元器件滿足裝備系統(tǒng)特定使用環(huán)境下的可靠性提供最直接的數(shù)據(jù)參考。有關(guān)使用部門應(yīng)及時(shí)做好質(zhì)量信息反饋工作，定期寫出使用情況報(bào)告，交有關(guān)質(zhì)量部門。在進(jìn)行產(chǎn)品維修服務(wù)時(shí)，故障、失效分析應(yīng)到元器件級而不是到電路板級，這樣，根據(jù)某批產(chǎn)品的元器件故障、失效分析和統(tǒng)計(jì)就可以判定所選用的批量元器件的可靠性，由此可以采取加嚴(yán)檢驗(yàn)或換廠家等措施。

h）組織失效分析研討會(huì)，交流元器件使用經(jīng)經(jīng)驗(yàn)。將篩選失效的樣品及現(xiàn)場使用失效的樣品全部收集起來，送分析中心進(jìn)行失效分析，及時(shí)判別失效模式，弄清失效機(jī)理，根據(jù)分析結(jié)果找出危害質(zhì)量的主要原因。有必要時(shí)還可做破壞性物理分析（簡稱DPA分析），了解器件批次性質(zhì)量的好差。同時(shí)，加強(qiáng)接觸元器件的有關(guān)人員 （如庫房、篩選和裝配）進(jìn)行培訓(xùn)，提高從業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)。

4 結(jié)束語

電子元器件的應(yīng)用可靠性是一門科學(xué)，是提高整機(jī)應(yīng)用可靠性的關(guān)鍵。通過合理地選擇與控制元器件，盡可能地降低元器件的失效率，并采取揚(yáng)長避短的補(bǔ)償措施，提高元器件的使用可靠性。元器件的應(yīng)用是電子產(chǎn)品的可靠性的基礎(chǔ)保證，對電子元器件質(zhì)量和管理的投入，不僅不會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效益，反而會(huì)提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1] GJB/Z 299C-2006，電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊 [S].

[2] GJB/Z 450A-2004，裝備可靠性工作通用要求 [S].

[3] GJB/Z 35-1993，電子元器件降額準(zhǔn)則 [S].

[4] 陸廷孝，鄭鵬洲，何國偉，等.可靠性設(shè)計(jì)與分析 [M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.