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可靠性設(shè)計：元器件、零部件、原材料的選擇與控制
發(fā)表時間:2023-05-04 14:03:41
通常，一個產(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、費用等參數(shù)對整個系統(tǒng)性能、可靠性、壽命周期費用等的影響極大。
 
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
 
元器件的質(zhì)量等級是指元器件在裝機使用之前，按產(chǎn)品執(zhí)行標準或供需雙方的技術(shù)協(xié)議，在制造、檢驗及篩選過程中對其質(zhì)量的控制等級。
 
一種通俗的分法是商業(yè)級、工業(yè)級、汽車級、軍用級、航天級。
 
一般來說，質(zhì)量等級越高，可靠性水平也越高。
 
國軍標元器件質(zhì)量等級
 
◆元器件的選擇
 
元器件的選擇不當(dāng)會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.制定詳細系列的標準和詳細規(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。
 
在選擇元器件的時候，要考慮一些問題：
 
1.元器件的技術(shù)性能、質(zhì)量等級、使用條件等符合設(shè)備的要求。
 
2.選擇經(jīng)過實踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應(yīng)渠道可靠的標準元器件。
 
3.選擇的時候要考慮到降額和熱設(shè)計的要求。
 
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，例如會不會被制裁、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，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)計和制造等工作來保證。
 
但很多時候，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)突飛猛進的發(fā)展，新器件競相出現(xiàn)。有些器件由于缺乏詳細的技術(shù)資料，在使用中往往因為外圍電路的組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，并嚴格控制新器件的使用。
 
2.降額設(shè)計
 
經(jīng)驗表明，元器件故障的一個重要原因，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，必須有意識地降低元器件的工作應(yīng)力(電、熱、機械應(yīng)力)，以使實際使用應(yīng)力低于其規(guī)定的額定應(yīng)力。
 
3.熱設(shè)計
 
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，進而使整個電子系統(tǒng)故障。因此，設(shè)計人員必須考慮輻射的影響，在需要時采用抗輻射加固的半導(dǎo)體器件。
 
在普通領(lǐng)域，比較少會考慮輻射，但也有一些場景。一個例子：
 
某工程師為醫(yī)院急救設(shè)計了一個相關(guān)程序，在實驗室運行良好，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、電腦，也可能與之相關(guān)。在2017年時，據(jù)媒體報道，美國范德堡大學(xué)的一項研究發(fā)現(xiàn)，計算機和手機的死機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)生的靜電電壓有時可能會高達幾千伏，當(dāng)電子元器件與靜電帶電體接觸的時候，帶電體就會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)計上，可以在器件的輸入端加上防靜電損傷的保護網(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)計及裝配和安裝時引起重視。
 
7.儲存和保管問題
 
儲存和保管不當(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)合自身工作實際情況(產(chǎn)品品類、歷史經(jīng)驗、現(xiàn)有質(zhì)量管控體系等)，形成一個材料選材確認表，對使用條件進行簡述，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)品選材確認表
 
包括接下來論述的幾點，其實都可以完善到這個表里，就看你工作中的實際需要。
 
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，但很多時候會忽略極限工況，原因主要有兩類，一個是忘記，另一個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)的時長，例如說極限工況是70℃，僅有這個溫度是不夠的，你還需要知道在這個溫度下會持續(xù)多長時間)。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、時間、壓力等等因素都會影響到材料的適用性，很難對原材料的化學(xué)兼容性進行預(yù)測，建議在最終使用環(huán)境條件下進行適當(dāng)?shù)脑囼灐?/span>
 
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)計時要注意避開。
 
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，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)定性更強一點。
 
7.綜合考慮，確認所選原材料是否達到規(guī)格要求
 
每種原材料都有局限性，在設(shè)計零部件時要充分考慮，對各方面特性進行驗證，以確保達到零部件的設(shè)計要求。