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可靠性設計：元器件、零部件、原材料的選擇與控制
發表時間:2023-05-04 14:03:41
通常，一個產品由各種基礎產品(包括各種元器件、零部件等)構成。由于元器件、零部件的數量、品種眾多，所以他們的性能、可靠性、費用等參數對整個系統性能、可靠性、壽命周期費用等的影響極大。
 
原材料則是各種基礎產品的基本功能賴以實現的基礎，與產品的性能、可靠性、壽命、成本等等密切相關，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
 
◆元器件的質量等級
 
元器件的質量等級是指元器件在裝機使用之前，按產品執行標準或供需雙方的技術協議，在制造、檢驗及篩選過程中對其質量的控制等級。
 
一種通俗的分法是商業級、工業級、汽車級、軍用級、航天級。
 
一般來說，質量等級越高，可靠性水平也越高。
 
國軍標元器件質量等級
 
◆元器件的選擇
 
元器件的選擇不當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.先制定好總規范，提出全面、系統的質量控制要求。
 
2.制定詳細系列的標準和詳細規范。
 
3.收集信息，建立合格元器件清單、優選庫。
 
4.制定使用手冊。
 
在選擇元器件的時候，要考慮一些問題：
 
1.元器件的技術性能、質量等級、使用條件等符合設備的要求。
 
2.選擇經過實踐證明質量穩定、可靠性高、有發展前途且供應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計的要求。
 
4.建議減少元器件的品類、規格和廠家。
 
5.結合目前的國際形勢，還要考慮元器件的供應穩定問題，例如會不會被制裁、限制，導致缺貨、法規問題等。
 
◆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計和制造等工作來保證。
 
但很多時候，發生故障，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或使用有誤造成。
 
能否正確使用元器件已經成為影響電子元器件、設備、系統可靠性的主要問題。下面舉一些常見的問題。
 
1.對元器件的性能掌握不夠
 
隨著電子技術突飛猛進的發展，新器件競相出現。有些器件由于缺乏詳細的技術資料，在使用中往往因為外圍電路的組配元器件類型和參數選擇不當導致元器件過應力損傷，最終導致損壞。因此，要深入掌握所使用元器件的技術性能，并嚴格控制新器件的使用。
 
2.降額設計
 
經驗表明，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力(電、熱、機械應力)，以使實際使用應力低于其規定的額定應力。
 
3.熱設計
 
電子元器件的熱故障是由于高溫導致元器件的劣化而造成的。現代電子設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、輻射和對流產生了熱耦合。
 
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故障。因此，設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體器件。
 
在普通領域，比較少會考慮輻射，但也有一些場景。一個例子：
 
某工程師為醫院急救設計了一個相關程序，在實驗室運行良好，但是每次在醫院調試都出bug，只好到醫院去調試，而且是當著急救病人！！！經過漫長的測試終于發現，是由于醫院使用的X射線導致電腦內存總是丟失幾個bit 的信息，而導致程序出問題，最終通過把電腦的內存用鉛板隔起來解決！
 
常見的手機、電腦，也可能與之相關。在2017年時，據媒體報道，美國范德堡大學的一項研究發現，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生的帶電粒子造成的。范德堡大學的教授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、電場感應等原因產生的靜電電壓有時可能會高達幾千伏，當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，損壞器件的內部結構，引起器件故障。在設計上，可以在器件的輸入端加上防靜電損傷的保護網絡，在保管、發放、生產和使用等過程中，工作人員必須全部采取防靜電措施等。
 
 一種防靜電聯機監控系統

6.操作過程中的損傷問題
 
在檢測、調試等操作過程中，由于測試不當或者測量儀器接地不當，會對元器件產生電應力損傷。例如，對于MOS器件，如果測試設備的電源，特別是數字電壓表接地不當，常產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。這種情況應在結構設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措施。例如，庫房的溫度、濕度應控制在規定范圍內，不應導致有害氣體的存在；存放器件的容器應采用不易帶靜電及不引起化學反應的材料制成；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，對零部件的生產制造以及產品的整體性能、可靠性水平產生基礎性的影響。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.根據零部件的使用工況(含主要功能)選擇原材料
 
我建議的是結合自身工作實際情況(產品品類、歷史經驗、現有質量管控體系等)，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條件作出基本選材推薦。
 
某涉水產品選材確認表
 
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(包括環境應力值，以及持續的時長，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多長時間)。這些工況如果缺失或支撐證據不足，就需要去做相應研究搞清楚。
 
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環境
 
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兼容性進行預測，建議在最終使用環境條件下進行適當的試驗。
 
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，尺寸穩定性，符合法規要求。
 
其中熱膨脹率不同經常會導致失效，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、溫度循環下，很容易出現開裂、脫落等問題，設計時要注意避開。
 
吸水率對原材料的尺寸穩定性也有一定影響，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出輕微的各向異性特征。模壓成型的零部件表現出各向同性特征。
 
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，加工的穩定性更強一點。
 
7.綜合考慮，確認所選原材料是否達到規格要求
 
每種原材料都有局限性，在設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計要求。