元器件可靠性在微機(jī)測控系統(tǒng)的重要性

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電子元器件的可靠性是各類電子整機(jī)及裝備可靠性的基礎(chǔ)和，而在以往從事整機(jī)裝備制造的工程技術(shù)人員對元器件的可靠性沒有全面而透徹的了解，使得元器件的固有可靠性潛力沒有得到充分的發(fā)揮，而且還可能在裝配的過程中對元器件帶來可靠性損傷?；仡櫼幌驴煽啃园l(fā)展史，不難看出，初人們著重研究環(huán)境對設(shè)備（或產(chǎn)品）的影響，故可靠性定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。所謂規(guī)定的條件，主要指環(huán)境條件。隨著可靠性技術(shù)的發(fā)展，可靠性將全面滲透到工程里，貫穿于產(chǎn)品全壽命周期中。人們開始認(rèn)識到，影響設(shè)備（或產(chǎn)品）的功能的發(fā)揮不僅與所處的環(huán)境有關(guān)，而且與研制產(chǎn)品的人有關(guān)。

可靠性研究的重要性

可靠性是與電子工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)的，其重要性可從電子產(chǎn)品發(fā)展的三個特點(diǎn)來加以說明。首先是電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度在不斷增加。人們早使用的礦石收音機(jī)是非常簡單的，隨之先后出現(xiàn)了各種類型的收音機(jī)、錄音機(jī)、錄放相機(jī)、通訊機(jī)、雷達(dá)、制導(dǎo)系統(tǒng)、電子計(jì)算機(jī)以及宇航控制設(shè)備，復(fù)雜程度不斷地增長。電子設(shè)備復(fù)雜程度的顯著標(biāo)志是所需元器件數(shù)量的多少。而電子設(shè)備的可靠性決定于所用元器件的可靠性，因?yàn)殡娮釉O(shè)備中的任何一個元器件、任何一個焊點(diǎn)發(fā)生故障都將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障。一般說來，電子設(shè)備所用的元器件數(shù)量越多，其可靠性問題就越嚴(yán)重，為保證設(shè)備或系統(tǒng)能可靠地工作，對元器件可靠性的要求就非常高、非常苛刻。其次，電子設(shè)備的使用環(huán)境日益嚴(yán)酷，現(xiàn)已從實(shí)驗(yàn)室到野外，從熱帶到寒帶，從陸地到深海，從高空到宇宙空間，經(jīng)受著不同的環(huán)境條件，除溫度、濕度影響外，海水、鹽霧、沖擊、振動、宇宙粒子、各種輻射等對電子元器件的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品失效的可能性增大。第三，電子設(shè)備的裝置密度不斷增加。從代電子管產(chǎn)品進(jìn)入第二代晶體管，現(xiàn)已從小、中規(guī)模集成電路進(jìn)入到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，電子產(chǎn)品正朝小型化、微型化方向發(fā)展，其結(jié)果導(dǎo)致裝置密度的不斷增加，從而使內(nèi)部溫升增高，散熱條件惡化。而電子元器件將隨環(huán)境溫度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人們的極大重視?？煽啃砸呀?jīng)列為產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(biāo)加以考核和檢驗(yàn)。長期以來，人們只用產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)作為衡量電子元器件質(zhì)量好壞的標(biāo)志，這只反映了產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個方面，還不能反映產(chǎn)品質(zhì)量的全貌。因?yàn)?，如果產(chǎn)品不可靠，即使其技術(shù)性能再好也得不到發(fā)揮。從某種意義上說，可靠性可以綜合反映產(chǎn)品的質(zhì)量。可靠性工程師一個綜合的學(xué)科，它的發(fā)展可以帶動和促進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用、材料、工藝、設(shè)備和管理的發(fā)展，把電子元器件和其它電子產(chǎn)品提高到一個新的水平。正因?yàn)檫@樣，可靠性已形成一個專門的學(xué)科，作為一個專門的技術(shù)進(jìn)行研究。

1元器件的失效特性

元器件的失效特征，主要是指失鏟規(guī)律和失效形式。

1.1失效規(guī)律

元器件的失效規(guī)律分為三部分：早期失效期、穩(wěn)定工作期和衰老期。早期失效主要發(fā)生在元件制造或微機(jī)系統(tǒng)剛投入運(yùn)行后的短暫時間，其失效原因主要有：（1）元件本身存在的固有缺陶，如漏氣、接點(diǎn)斷裂等；（2）安裝工藝不可靠，如焊接不牢固等；（3）環(huán)境條件惡化，如溫度高、溫度大（可加速元件的失效）?？梢酝ㄟ^篩選元件、嚴(yán)格安裝工藝以及防止安裝前元件的老化來克服元件的早期失效。

穩(wěn)定工作期元件的突然性失效少，暫時性故障較多，這是因?yàn)樵骷ぷ髦械乃矔r應(yīng)力超過了元件所能承受的強(qiáng)度。而衰老期元件的失效率大大增加，可靠性也急劇下降。因此造成元件衰老的主要原因是：元件物理變化和機(jī)械磨損。

1.2失效形式

元器件的失效形式可分為：突然失效、退化失效、局部失效和全部失效。突然的效是因元件參數(shù)急劇變化，或因元件制造工藝不良、環(huán)境條件變壞而導(dǎo)致短路或開路所造成的。退化失效是因元件制造公差、溫度系數(shù)變化、材料變質(zhì)、電源電壓波動、工藝不良等因素使元器件參數(shù)逐漸變差，性能逐漸降低而形成的。由退化失鏟而導(dǎo)致的系統(tǒng)局部功能失效，稱為局部失效；由突然失效而使整個系統(tǒng)失效，稱為全局失效。

2元件的失效機(jī)理

2.1溫度影響

（1）環(huán)境溫度對半導(dǎo)體器件的影響

環(huán)境溫度升高將使半導(dǎo)體器件的允許功耗下降。因?yàn)闇囟壬邔⒅苯邮菇Y(jié)溫升高，引起工作電壓下降，P-N結(jié)構(gòu)的正向壓降減少，其開門和關(guān)門電平減少，元件的低電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而變小，而高電平抗干擾電壓容限則隨溫度升高而增大，因而造成輸出電平偏移，波形失真，穩(wěn)態(tài)失調(diào)，甚至?xí)霈F(xiàn)P-N結(jié)熱擊穿而損壞。

（2）溫度變化對電阻的影響

溫度變化對電阻的影響主要是當(dāng)溫度升高時，電阻內(nèi)部的熱噪聲加劇使其阻值偏離標(biāo)準(zhǔn)值、允許耗散功率下降等。

（3）溫度變化對電容的影響

溫度變化將引起電容介質(zhì)損耗變化，從而影響電容的使用壽命，同時還會引起阻容時間常數(shù)的變化，甚至可能發(fā)生因介質(zhì)損耗過大而熱擊穿的情況。

此外，溫度升高也將使電感線圈、變壓器、扼流圈等器件的絕緣性能下降。為了減小由溫度引起的干擾，除了選用熱穩(wěn)定性能好的元器件外，還要改善其運(yùn)行環(huán)境條件。

2.2濕度影響

濕度很高的運(yùn)行環(huán)境將使那些密封性能較差的元件受到腐蝕，從而造成退化失效；在這種環(huán)境下，當(dāng)含酸堿性的塵埃落到線路板或配電盤上時，將迅速腐蝕元器件的焊點(diǎn)與接線處，從而造成焊點(diǎn)脫落，接頭斷裂而引起接觸故障；濕度過高也是引起漏電耦合的主要原因。當(dāng)具有導(dǎo)電性的塵埃落到線路板上時，其表面的絕緣性能下降。若高電壓因漏電而耦合到低電壓器件，將可能造成電壓擊穿。

2.3振動、沖擊影響

機(jī)械振動與沖擊會使一些內(nèi)部有缺陷的元件加速失效，從而造成災(zāi)難性故障；機(jī)械振動還會使焊點(diǎn)、壓線點(diǎn)發(fā)生松動而導(dǎo)致接觸不良；若振動導(dǎo)致某些不應(yīng)相連的導(dǎo)線碰連，會產(chǎn)生意想不到的后果。

2.4電壓的影響

加在元器件上的電壓的穩(wěn)定性是保證元器件能夠正常運(yùn)行的重要條件。過高的電壓會增加元器件的熱損耗，甚至造成電壓擊空。

3元件的降額設(shè)計(jì)

降額使用是指在低于額定電壓和電流條件下使用元器件，對元件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)的目的是為了使元件可以降額使用，降額設(shè)計(jì)能提高元器件的可靠性。降額設(shè)計(jì)元器件壽命試驗(yàn)表明，失效率隨著工作電壓、環(huán)境溫度的提高而成倍地增加。降額設(shè)計(jì)就是為了使元件在低于其額定應(yīng)力情況下工作。影響設(shè)計(jì)機(jī)系統(tǒng)可靠性的應(yīng)力有：電應(yīng)力（電壓、電流、功率和頻率等）、溫度、機(jī)械應(yīng)力（振動、沖擊等）。當(dāng)工作應(yīng)力高于額定應(yīng)力時，其失效率就增加。反之，則降低。例如，在電阻使用時，實(shí)際負(fù)載功率要低于額定功率的30%,在裝配精度要求很高時，應(yīng)低于額定功率的50%;而電阻使用的電壓，只用到允許值的50%左右。特別是在高壓電路中，若考慮到由于塵埃和濕度的影響而導(dǎo)致漏電增多，以降低電壓50%左右使用是比較安全的；在高頻使用時，由于分布電容的存在，其阻值一般都要減小。通常體積小、阻值低的電阻，特性變化較少，高頻特性也好。因此，在較寬頻帶的電路中，選用體積小的金屬膜電阻，并應(yīng)盡量縮短引線。不讓高頻信號通過高阻值的電阻。若在高頻電路中使用線型電阻，則以選用低電阻為好。此外，還應(yīng)注意印刷電路板的接地布置，以盡量降低電阻的對地分布電容。降額使用多用于無源元件、大功率器件、電源模塊或大電流開關(guān)器件等。而它通常不適用于TTL器件，因?yàn)門TL電路對工作電壓范圍要求較嚴(yán)。

4元器件的選擇

元器件的正確選用是微機(jī)測控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。在選擇元器件時，不但要滿足性能要求，而且還必須是集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗又小的電子器件。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中半導(dǎo)體器件的選擇對系統(tǒng)的性能和可靠性影響極大。以下是半導(dǎo)體器件的選擇原則：

（1）為了使半導(dǎo)體器件滿足系統(tǒng)性能要求，必須深入了解元器件的電器參數(shù)。例如，對于二極管，應(yīng)考慮反響電壓、正向電流、反向電流、正向壓降和工作頻率。對于集成電路，要考慮的主要有電源電壓、負(fù)載電流、輸入信號電壓、輸出電平、環(huán)境溫度、扇出數(shù)以及封裝形式等。

（2）為了使半導(dǎo)體器件滿足系統(tǒng)可靠性要求，要注意溫度對器件性能的影響，通常應(yīng)選擇溫漂小、穩(wěn)定性好的元器件。

（3）測控系統(tǒng)選用集成度較高的芯片可以減少元器件的數(shù)量，使印刷電路板布局簡單，減少焊接和連線，因而可大大減少故障和干擾的概率，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此，在測控系統(tǒng)中，應(yīng)盡量選用集成芯片，尤其是大規(guī)模集成芯片，而避免使用分離元件和小規(guī)模集成芯片。

（4）測控系統(tǒng)所處的外部環(huán)境往往有嚴(yán)重干擾，因此，應(yīng)盡量選用抗干擾性能好的元器件。如選用CMOS器件來提高噪聲容限；選用測量放大器來抑制共模干擾；選用積分型A/D來抑制工頻干擾等。

（5）在野外作業(yè)的單片機(jī)智能化測試設(shè)備，由于采用電池供電，因此可選用功耗小的CMOS器件。

5元器件裝配工藝對可靠性的影響

測控系統(tǒng)中包含大量的元件和組件，它們都是通過焊點(diǎn)或接插連接起來的。由于連續(xù)導(dǎo)線數(shù)量大，焊點(diǎn)多，運(yùn)行時一旦出現(xiàn)故障，往往很難迅速查明故障點(diǎn)。因此，優(yōu)良的安裝工藝是系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。因此在測控系統(tǒng)中必須注意焊點(diǎn)質(zhì)量，防止虛焊；要將較重的元件安裝在印刷底板上，并使用專門緊固件，而不應(yīng)靠焊錫固定；接插件也要安裝可靠，保證接觸良好；結(jié)構(gòu)、布局要合理，各種走線（包括印刷板上的走線）要盡量縮短，并且各部件要遠(yuǎn)離熱源和干擾源。

6結(jié)束語

高可靠性產(chǎn)品才能滿足現(xiàn)代技術(shù)和生產(chǎn)的需要現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)之一是自動化水平不斷提高。一條自動化生產(chǎn)線是由許多零部件組成，生產(chǎn)線上一臺設(shè)備出了故障，則會導(dǎo)致