現(xiàn)代電子產品可靠性概述

一、現(xiàn)代電子產品的特點

電子產品是指利用電子技術制造出來的以電能為工作基礎的相關產品，包括電力/電氣設備和微電子儀器、設備和系統(tǒng)等。電子產品廣泛應用于國防、國民經濟各部門及人民生活的各個領域。

早期的電子產品主要以電子管為基礎元件進行制造，功能比較簡單，電路和結構也不復雜，制造難度不大。伴隨著生產和科學技術的發(fā)展、新工藝和新材料的應用，以及超小型化元器件和中大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的研制和推廣，電子產品在電路上和結構上發(fā)生了巨大的變化，小型化、超小型化、微型化結構的出現(xiàn)，使得一些傳統(tǒng)的設計方法逐漸被機電結合、光電結合等新技術所取代。

隨著產品性能的不斷增強、復雜程度的不斷提高和應用領域的不斷拓展，電子產品的可靠性要求日益提高，特別是在軍用、通信、生命醫(yī)療和航空/航天等領域，電子產品的可靠性已成為衡量電子產品使用性能的重要指標。

與早期的電子產品相比，現(xiàn)代電子產品具有以下特點。

（1）產品組成更復雜，組裝密度更大

早期的電子產品通常由少量電子管及分立元件通過簡單連接搭建而成，功能單一?，F(xiàn)代電子產品通常具有多種功能，產品組成更復雜，元器件、零部件數(shù)量更多，同時產品的體積和質量更小，因此組裝密度更大。尤其是超大規(guī)模集成電路及其衍生的各種功能模塊的出現(xiàn)，使電子產品的組裝密度較過去大幅提高。

（2）設備使用范圍廣，所處工作環(huán)境復雜

隨著應用場合的不斷拓展，電子產品需要適應的工作環(huán)境的范圍不斷擴大?，F(xiàn)代電子產品往往要在惡劣而苛刻的環(huán)境下工作，如地質鉆探、海上作業(yè)、南極科考、深空探測等。此時產品需要承受高溫、低溫和巨大溫差變化，高濕度和低氣壓，強烈的沖擊和振動，外界的電磁干擾與宇宙射線輻射等。這些都會對電子產品的正常工作產生影響。

（3）設備可靠性要求高、壽命長

早期電子產品由于結構簡單、功能單一、所用元器件數(shù)量少，往往不容易出現(xiàn)使用問題，而且即使偶爾出現(xiàn)故障，維修起來也相對容易。而現(xiàn)代電子產品復雜程度、精密性更高，元器件數(shù)量更多，如果出現(xiàn)故障，維修的難度和代價將大幅提升，因此要求具有更高的可靠性和足夠長的工作壽命，而可靠性低的電子產品將失去使用價值。為獲得高可靠性電子產品，不僅要求所使用的元器件質量等級更高，在電路設計和結構設計中也要做出更大的努力。

（4）產品要求高精度、多功能和自動化

現(xiàn)代電子產品往往要求高精度、多功能和自動化，有的還引入了智能控制單元，因而其控制系統(tǒng)更為復雜。精密機械廣泛地應用于電子產品是現(xiàn)代電子設備的另一大特點。自控技術、遙控遙測技術、計算機數(shù)據(jù)處理技術和精密機械的緊密結合，智能化的人機交互，使電子產品的精度和自動化程度達到了相當高的水平。

上述電子產品的特點，只是對整體而言，具體到某種產品又各具特點。當代電子產品具有上述特點，對電路設計和結構設計的要求更高，設計、生產人員只有充分了解這些特點，才能研制出滿足使用要求的現(xiàn)代電子產品。

二、電子產品的可靠性要求

可靠性是產品質量的一個重要方面，通常所說的產品質量好包含兩層意思：一是達到預期的技術指標，二是在使用中很可靠?？煽啃灾苯雨P乎產品的使用性能，影響著客戶體驗和滿意度，在軍工、導航、通信及航空/航天等領域，可靠性是用戶最為關注的核心指標之一。

評價一個電子產品，一是看功能是否先進、外觀是否美觀，這屬于產品的電路及結構設計問題；二是看能否以高效率、低成本的方式制造出來，這屬于產品的可制造性問題；三是看質量是否穩(wěn)定、產品是否可靠，這屬于產品的使用性問題。其中，電路和結構決定了電子產品的功能、外觀和性能指標，是設計師關注的核心問題；產品的可制造性決定了設計方案能否以高效率、低成本的方式轉化為實際產品，是制造廠家關注的重點；而產品的可靠性決定了產品能否在各種條件下經久耐用，是用戶關注的問題，代表了產品設計水平，也是企業(yè)核心競爭力的重要體現(xiàn)。

隨著材料技術、元器件技術和電子學設計技術的不斷發(fā)展，電子產品的功能越來越復雜、集成度越來越高，對電子產品的可靠性也提出了更高的要求。提高產品的可靠性，使其發(fā)揮最佳性能，是提升一個電子產品品質的關鍵因素，也直接影響著最終用戶的評價。電子產品的可靠性提升是一個極其重要且具備極大挑戰(zhàn)的工作，從某種意義上說，提高了產品的可靠性也就提高了產品的核心競爭力，科技進步的體現(xiàn)就是產品質量的升級及可靠性的提高。

三、電子產品可靠性簡介

1.可靠性的概念

GJB 450中對可靠性的定義是：系統(tǒng)、機械設備或零部件，在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力?？煽慷仍谲娪脴藴手幸灿邢嚓P釋義，即在規(guī)定的條件和時間內，完成規(guī)定功能的概率，它是衡量可靠性水平高低的一個重要指標。

可靠性的概念包含以下三層含義。

（1）產品的可靠性以“規(guī)定的工作條件”為前提

所謂“規(guī)定的工作條件”是指在規(guī)定的時間內產品使用時的應力條件、環(huán)境條件和儲存條件等。規(guī)定的條件不同，產品的可靠性也不同。例如，一般半導體元器件使用時的輸出功率越小其可靠性越高。又如，同一臺電子設備在不同使用環(huán)境下，可靠性可能相差很大，環(huán)境條件越惡劣，設備的可靠性越低。

（2）產品的可靠性與“規(guī)定的時間”密切相關

一般說來，產品經過老化時間后，有一個較長時間的穩(wěn)定使用期，以后，隨著時間的推移，穩(wěn)定性逐漸下降，可靠性降低。使用時間越長，可靠性越低。

（3）產品的可靠性用完成“規(guī)定功能”來衡量

這里的“功能”是指產品的全部功能，而不是其中一部分功能。產品只有完成全部規(guī)定功能，才被認為是可靠的。

2.可靠性的分類

可靠性的形成和評估和多方面因素有關，既取決于產品的設計制造過程，又受環(huán)境及使用條件等影響。

可靠性主要可分為以下三種：

（1）固有可靠性

固有可靠性是指產品在設計、制造時內在的可靠性。對于元器件產品來說，原料品質、制造工藝、工作參數(shù)等均會影響其固有可靠性。而對電子產品來說，固有屬性則受產品的復雜程度、電路和元器件的選擇與使用、元器件的工作參數(shù)及可靠性及機械結構和制造工藝等因素的影響?？傮w而言，電路及結構越復雜，所用的元器件越多，制造工序越多，則產品的固有可靠性越低。

（2）使用可靠性

使用可靠性是指使用和維護人員對產品可靠性的影響。它包括使用與維護的程序是否正確、設備選用是否合理、操作方法是否得當及其他人為因素。使用可靠性在很大程度上取決于使用設備的人。熟練而正確的操作、及時的維護和保養(yǎng)都能顯著提高產品的使用可靠性。使用可靠性與人機工程的設計有直接關系。

（3）環(huán)境適應性

環(huán)境適應性是指產品所處的環(huán)境條件對可靠性的影響，包括自然環(huán)境、機械環(huán)境和電磁環(huán)境等，提高設備的環(huán)境適應性，主要是對設備采取各種有效的防護措施。

四、影響電子產品可靠性的主要因素

一般來說，電子產品的可靠性與壽命有關。電子元器件的平均壽命越長，電子產品的可靠性往往越高。但可靠性與壽命又不是同一個概念，電子產品的可靠性高，不一定壽命就長，壽命長其可靠性也不一定高，這都與使用要求有關。

影響電子產品可靠性的要素主要包括以下幾個：

（1）自然環(huán)境

電子元器件在工作中受環(huán)境因素影響較大，如溫度、濕度、鹽霧、氣壓、海拔高度、大氣污染顆粒等都會對電子元器件的正常運行產生影響，使其電氣性能下降，甚至損傷元器件，從而引發(fā)故障。

（2）機械結構

電子產品的機械結構設計要滿足使用工況的要求，強烈的機械振動或碰撞會使設備產生機械結構的損傷變形，甚至導致電子元器件的物理損傷或失效，致使電子產品無法正常運行。

（3）電磁環(huán)境

環(huán)境中的電磁波無處不在，電子產品在運行中，無時無刻不與空間中的電磁信號進行接觸。在電磁信號的影響下，電子電路的噪聲會變大，穩(wěn)定性會變差，如果干擾嚴重，甚至會導致設備運行故障，或危及人身安全。

（4）組裝工藝

除元器件品質及設計因素外，制造過程也會直接影響產品的可靠性，組裝工藝的不同會直接影響連接牢固度、密封性、耐環(huán)境腐蝕能力等，進而影響電子產品的質量和可靠性。

事實上，除使用可靠性外，電子產品的固有可靠性和環(huán)境適應性，都是由設計、制造過程決定的，也就是說，電子產品制造出來后，電子產品的主要可靠性指標已經固定不變了，外部環(huán)境只是對可靠性的一種考驗，因此，提高電子產品可靠性的關鍵在于提高設計和制造水平。

五、提高電子產品可靠性的主要措施

提高電子產品可靠性主要是指提高其固有可靠性，入手點在于源頭設計和制造過程，主要措施需根據(jù)影響可靠性的相關因素制定，包括元器件的品質選擇、結構及電路的設計、組裝工藝的選擇等方面。

1.可靠性設計

提高產品可靠性的措施，在設計層面主要包括以下幾個方面：

（1）可靠性預計

可靠性預計屬于設計層面的措施，是指針對產品的可靠性要求，在總體設計階段對可靠性指標進行預先分解和評估，從而可為后續(xù)設計工作的順利開展打下基礎。

進行可靠性預計，應注意以下要求。

① 應根據(jù)所選用的電路形式、可靠性結構模型、元器件、工作環(huán)境及以前積累的數(shù)據(jù)，對電子產品的可靠性進行預計分析，以便提前采取措施，對這類產品在未來應用中可能發(fā)生的故障進行科學應對。

② 設計人員應給予電子產品可靠性預計足夠的重視，并將相應的預計分析工作落實到位，確保這類產品可靠性預計的有效性。

（2）電子元器件的合理選用

對于電子產品而言，元器件的可靠性水平決定了整機的可靠性程度。電子產品可靠性設計工作的開展中，需要重視實踐中與之相關的電子元器件的合理選用，從而滿足其可靠性設計要求。

電子元器件選用應注意以下要求。

① 應綜合考慮電路性能、運行環(huán)境、成本控制等要素，選擇滿足使用要求且性價比良好的電子元器件，為電子產品可靠性設計方案的形成提供支持。

② 在電子元器件的選用過程中，需要對不同類型的元器件進行對比分析，確定電子產品所需的最佳電子元器件。

③ 應對設計過程中選用電子元器件的實際應用效果進行科學評估，以確保這類元器件在電子產品應用中有良好的適用性。

④ 元器件降額使用。元器件選型過程中，通常將電子元器件的工作應力適度降低，低于規(guī)定的額定值，從而降低元器件的基本故障率?！敖殿~設計”是降低基本故障率的常用手段，在最佳降額范圍內，采取Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級降額等級，可實現(xiàn)可靠性提高和成本控制的最優(yōu)方案。

（3）熱設計

現(xiàn)代電子產品中元器件密度不斷增大，元器件之間通過傳導、輻射和對流產生大量的熱耦合，熱應力成為影響電子產品可靠性的重要因素之一。因此，需要對電子產品進行合理的熱設計，以確保在其設計方案作用下的電子產品能夠處于良好的應用模式。

熱設計應注意以下要求。

① 電子產品熱設計應根據(jù)使用要求，單獨或綜合采用散熱、加裝散熱器和制冷三種基本技術手段，以獲得理想的熱設計方案，最大限度地滿足電子產品的可靠性設計要求。

② 在電子產品的熱設計過程中，需要設計人員結合實際情況，合理使用對流散熱方式、傳導散熱方式和利用熱輻射特性方式，使這些方式作用下的電子產品能夠保持良好的散熱狀況。這樣有利于增強電子產品可靠性設計的效果，使其在最終的設計方案應用中更具科學性。

（4）冗余設計

電子產品冗余設計是指利用一臺或多臺相同的系統(tǒng)構成并聯(lián)形式，在其中某一系統(tǒng)發(fā)生故障時進行科學應對。在冗余設計的作用下，電子產品應用中的某一元器件發(fā)生故障時，其他元器件依然可以正常工作，從而滿足電子產品可靠性設計要求。

進行冗余設計，應注意以下要求。

① 在遵循冗余理論的前提下，應充分結合實踐經驗，以確定電子產品所需的冗余設計方案，進而為其可靠性設計水平的提升提供保障。

② 冗余設計會增大整個系統(tǒng)的體積、質量和成本。因此只有在較重要的電子產品中（如導彈制導、原子彈引信等）才采用。

（5）電磁兼容性設計

在電子產品可靠性設計過程中，為了使最終得到的產品能夠達到國家電磁兼容標準要求，避免電子電路運行中產生相互干擾，需要考慮電子產品的電磁兼容性設計。

電磁兼容性設計的一般要求如下。

① 設計人員應通過對印制電路板設計、電源線濾波、屏蔽機箱、信號線濾波、電纜設計、接地等技術的合理運用，使電子產品在應用中滿足電磁兼容方面的要求，進而提升其應用價值。

② 在電子產品的電磁兼容性設計方案形成過程中，應充分考慮元器件的電磁特性和敏感特性，對電子產品的電路狀況也應重點關注，必要時應進行改進處理。

③ 電磁兼容性設計過程中，應準確識別易受干擾電路和不易受干擾電路，并按照分類處理的原則采取針對性措施，從而保持電子產品具有良好的電磁兼容性。

（6）可維修性設計

實踐中通過對電子產品可修復性特點的考慮，需要在其可靠性設計中注重可維修性方面的設計，從而消除電子產品應用中可能存在的安全隱患。

進行電子產品可維修性設計，應注意以下要求。

① 應從維修便捷性、成本經濟性等方面進行考慮，以確定電子產品所需的可維修性設計方案，從而為產品維修工作的開展提供科學指導。

② 應選用性能可靠的維修工具，使這類工具支持下的電子產品維修工作效率得以提高，并完善其可維修性設計方案。

③ 應處理好電子產品可維修性設計中的細節(jié)問題，以確保其設計方案應用的有效性。

（7）結構可靠性設計

電子產品在使用、運輸中會受到各種環(huán)境因素的影響，這些環(huán)境因素可能會加速或造成電子產品的損壞，在電子產品結構設計過程中，要充分考慮這些不利因素的影響，提高電子產品的防護能力，進而提高電子產品的可靠性。

結構可靠性設計的作用及要求主要包括：

① 通過采用有效的散熱裝置控制元器件的溫升；

② 消減振動、沖擊、碰撞等機械因素對產品造成的危害；

③ 排除內部與外部的噪聲干擾；

④ 加強防腐、防潮、防霉的研究，延長結構材料使用壽命；

⑤ 設計過程應遵循標準化、系列化、通用化要求。

2.可靠性試驗驗證

可靠性試驗是研究失效及其影響結果，并為提高或評價試驗對象的可靠性而進行的各種試驗的總稱。從廣義上說，凡是為了了解、評價、考核、分析和提高可靠性而進行的試驗，都可稱為可靠性試驗。可靠性試驗技術是在20世紀50年代開始發(fā)展起來的，最早應用于軍工產品，至今已在航空、航天、電子、自動化、汽車和計算機等行業(yè)廣泛應用?？煽啃栽囼炇菍Ξa品的可靠性進行調研、分析和評估的一種重要手段，也是提高和保證產品可靠性的一個重要環(huán)節(jié)。

當一個產品制造出來后，原則上，其性能指標應該可以達到原設計所規(guī)定的可靠性要求，但實際情況要復雜得多。事實上，設計過程很難將所有的可靠性問題考慮周全，不同的可靠性指標間甚至存在矛盾或沖突，只能采用折中設計，對于復雜系統(tǒng)，這種情況更為明顯。因此，有必要通過一系列可靠性試驗驗證可靠性指標的實現(xiàn)程度，或發(fā)現(xiàn)并判明各種故障和缺陷。

可靠性試驗的原理是：模擬現(xiàn)場工作條件及壽命周期中的其他環(huán)境條件，將各種工作模式和各種應力條件按照一定的時間比例、一定的循環(huán)次序反復施加到受試產品上。經過對受試產品的失效進行分析和處理，將得到的信息反饋到設計、制造、材料和管理等部門進行改進，以提高產品的固有可靠性，同時依據(jù)試驗的結果對電子產品的可靠性做出評定?？煽啃栽囼炓_到預期的效果，必須特別重視試驗條件的選擇、試驗周期的設計和失效判據(jù)的確定。

值得注意的是，對于各種電子產品環(huán)境試驗條件的擬定，必須根據(jù)具體的使用情況來考慮。例如，電子產品的循環(huán)試驗，采用不同的試驗順序，所產生的試驗結果就不一樣。以氣候因素的循環(huán)試驗為

例，當采用高溫→潮濕→低溫的試驗順序時（即電子產品先在烘箱中進行加溫，使元器件受熱干燥。然后，將其放進潮濕箱，在毛細力作用下，使元器件吸潮。最后，將元器件置于冷凍箱中冷卻），若產品質量不過關，則在熱脹冷縮的作用下，極易引起破裂。而如果按潮濕→高溫→低溫的順序進行，由于高溫烘烤首先對元器件進行了去潮處理，則潮濕對產品的影響相當于被人為屏蔽了，此時試驗過程只能反映出產品受冷熱交替變化的影響，結果顯然是不一樣的。

六、電子產品可靠性試驗介紹

1.可靠性試驗的目的

據(jù)統(tǒng)計，在電子產品中，元器件和零部件缺陷、工藝缺陷及設計缺陷各占1/3左右。糾正這些缺陷，使產品的可靠性逐漸提高，達到設計的要求，所花費的時間是要求的MTBF的5～25倍。所以，一個產品從研制定型到批量生產，始終都離不開可靠性試驗。盡管可靠性試驗往往成本很高，但有效的可靠性試驗可以成倍地提高初始樣機的可靠度，從而取得更大的經濟效益。

可靠性試驗的目的就是發(fā)現(xiàn)產品全壽命周期中的可靠性問題，并加以分析、評估和處理?？煽啃栽囼炟灤┯诋a品設計、生產、使用、維護的各個階段。

① 在研制階段用以暴露試制產品各方面的缺陷，評價電子產品可靠性達到預定指標的情況，保證出售產品的可靠性。

② 對新材料、新產品、新工藝和新設計進行評價，研究新的試驗方法。

③ 生產階段為監(jiān)控生產過程提供信息，暴露使用過程中出現(xiàn)的不確定因素，研究預防故障發(fā)生的措施。

④ 暴露和分析電子產品在不同環(huán)境和應力條件下的失效規(guī)律及有關的失效模式和失效機理。

⑤ 對定型產品進行可靠性鑒定或驗收，研究電子產品的失效分布規(guī)律。

⑥ 為改進產品可靠性，制定和改進可靠性試驗方案，為用戶選用電子產品提供依據(jù)，為進行有效的可靠性管理提供依據(jù)。

2.可靠性試驗的分類

根據(jù)試驗的環(huán)境條件、試驗的目的、產品的工作階段、施加的應力強度、對可靠性的影響、試驗產品的破壞程度、試驗規(guī)模及抽樣方案的類型等，可將可靠性試驗分成很多種類。

一）按環(huán)境條件分類

按環(huán)境條件分類，可靠性試驗包括：

（1）穩(wěn)定性試驗

將產品置于人工模擬的工作環(huán)境之中，按照技術指標的要求，考核產品抵抗每種環(huán)境影響因素的能力。如耐溫、耐濕和耐壓的穩(wěn)定性，不滲水性，以及耐振動、沖擊、加速度等各種穩(wěn)定性項目的試驗。

（2）綜合性試驗

考驗產品在綜合因素的作用下所能達到的性能指標。這種試驗比較接近實際使用情況，所以在環(huán)境試驗中占有重要地位。

二）按試驗項目分類

按試驗項目分類，可靠性試驗包括：

（1）可靠性壽命試驗

通常采用的是破壞性壽命試驗，其任務是在規(guī)定的條件下，抽取一定數(shù)量的樣品做壽命試驗，記錄每個元器件失效時間，進行全部數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，求出元器件的可靠性指標，用以評價產品的可靠性水平，并進一步分析產品失效的原因，提出提高可靠性的措施。可靠性壽命試驗是各種可靠性試驗中最主要的內容，也是與統(tǒng)計方法關系最密切的內容。

（2）可靠性環(huán)境試驗

可靠性環(huán)境試驗研究各種環(huán)境條件對元器件的影響。環(huán)境應力是指產品工作時所承受的不利環(huán)境條件，如溫度、濕度、電壓、污染、振動、霧、輻射等。

（3）可靠性篩選試驗

可靠性篩選試驗是對合格產品進行全數(shù)檢查，淘汰潛在的早期失效元器件，以提高整批元器件的可靠性。可靠性篩選試驗是提高產品可靠性行之有效的基礎工作。

（4）整機可靠性鑒定試驗

整機可靠性鑒定試驗安排在新產品試制成功以后，目的是驗證設備設計能否在規(guī)定的環(huán)境條件下滿足規(guī)定的性能及可靠性要求。這種試驗是以壽命試驗的方式進行的，要求對設備的平均壽命做出定量的鑒定。

（5）整機可靠性驗收試驗

當產品投入連續(xù)生產后，應對整機安排一系列定期試驗，用以確定設備能否滿足相應的性能和可靠性要求，用來確定每批產品是否可以出廠交付使用?？煽啃则炇赵囼炿m然也是以壽命試驗的方式進行的，但它只要求制定一個簡單的驗收方案和驗收標準，供試驗工作人員掌握并做出判斷。整機可靠性驗收方案及其驗收標準稱為可靠性抽樣檢驗方案。

三）按試驗目的分類

按試驗目的分類，可靠性試驗包括：

（1）可靠性工程試驗

可靠性工程試驗的目的是暴露產品設計、工藝、元器件和原材料等方面存在的缺陷或故障，對其進行分析，采取糾正措施并加以排除，使產品的固有可靠性得到提升，達到合同規(guī)定的可靠性要求。

（2）可靠性統(tǒng)計試驗

可靠性統(tǒng)計試驗的目的是驗證產品是否達到了規(guī)定的可靠性水平，而不是暴露產品存在的缺陷或故障。可靠性統(tǒng)計試驗又稱為可靠性驗證試驗。對于不同的產品，為了達到不同的目的，可以選擇不同的可靠性試驗方法。

 七、結語

電子產品與我們的生活密不可分。電子產品的質量在一定程度上也直接影響著我們的生活水平。電子產品的可靠性是衡量電子產品質量和使用性的重要指標，可靠性的提升是電子產品穩(wěn)定運行的基本保障。

影響電子產品可靠性的因素很多，包括自然環(huán)境、機械環(huán)境和電磁環(huán)境等?？煽啃栽O計工作就是圍繞這些環(huán)境因素，在設計和制造中采取相應措施，以提高產品的防護能力和適用性，進而保證電子產品的質量，提升電子產品的核心競爭力。