1、第一章 概述11 電子設備結構設計與制造工藝111現代電子設備的特點 當前，電子技術廣泛地應用于國防、國民經濟各部門以及人民生活等各個領域。由于生產和科學技術的發展，新工藝和新材料應用，超小型化元器件和中大規模、超大規模集成電路的研制和推廣，使電子設備在電路上和結構上產生巨大的變化。小型化、超小型化、微型化結構的出現，使得一些傳統的設計方法逐漸被機電結合、光點結合等新技術所取代，再加上電子設備要適應更加廣泛的用途和惡劣苛刻的工作環境，就使當代電子設備具有不同于過去的特點。這些特點可歸納為以下幾方面：1 設備組成較復雜，組裝密度大 現代電子設備要求具有多種功能，設備組成較復雜，元器件、零部件數量

2、多，且設備體積要小，組裝密度大。尤其是超大規模集成電路及其衍生的各種功能模塊的出現，使電子設備的組裝密度較過去提高了很多。2 設備使用范圍廣，所處的工作環境條件復雜。 現代電子設備往往要在惡劣而苛刻的環境條件下工作。有時要承受高溫、低溫和巨大溫差變化；高濕度和低氣壓；強烈的沖擊和振動；外界的電磁干擾等。這些都會對電子設備的正常工作產生影響。3 設備可靠性要求高、壽命長現代電子設備要求具有較高的可靠性和足夠的工作壽命?？煽啃缘偷碾娮釉O備將失去使用價值。高可靠性的電子設備，不僅元器件質量要求高，在電路設計和結構設計中都要作出較大的努力。4 設備要求高精度、多功能和自動化現代電子設備往往要求高精度、

3、多功能和自動化，有的還引入了計算機系統，因而其控制系統較為復雜。精密機械廣泛地應用于電子設備是現代電子設備的一大特點。自控技術、遙控遙測技術、計算機數據處理技術和精密機械的緊密結合，有的電子設備要求有智能實現人機交流，使電子設備的精度和自動化程度達到了相當高的水平。 上述電子設備的特點，只是對整體而言，具體到某種設備又各具自己的特點。由于當代電子設備具有上述特點，對電路設計和結構設計的要求更高了，設計、生產人員充分了解電子設備的特點，對于確保電子設備的性能滿足使用要求十分必要的。112 電子設備的制造工藝和結構設計工藝工作是企業生產技術的中心環節，是組織生產和指導生產的一種重要手段。在產品的設

4、計階段，它的內容是確定產品的制造方案并完善生產前的技術準備工作；在產品的生產制造階段，它的主要內容是組織指導符合設計要求的加工生產，直至出廠為止而采取的必要的技術和管理措施。工藝工作按內容可分為工藝技術和工藝管理，前者是生產實踐勞動技能和應用科學研究成果的積累和總結，是工藝工作的核心；后者是對工藝工作的計劃、組織、協調與實施，是保證工藝技術在生產中貫徹和發展的管理科學。工藝技術的實現和發展是由科學的工藝管理工作來保證和實現的。工藝工作將各個部門、各個生產環節聯系起來成為一個完整的整體。它的著眼點就是促進每項工作操作簡單、流暢、高效率、低強度。設計和制造電子設備，除滿足工作性能的要求外，還必須滿

5、足加工制造的要求，電路性能指標的實現，要通過具體的產品結構體現出來。電子設備是隨著電子技術的發展而發展的，其結構和構成形式也隨之發生變化。初期的設備較簡陋，考慮的主要問題是電路設計。到二十世紀四十年代，出現了將復雜設備分為若干部件，樹立起結構級別的先進想法；為防止氣候影響，研制出密封外殼；為防止機械過載而研制出減振器，設備結構功能進一步完善，結構設計成為電子設備設計的內容。隨后，由于軍用電子技術的發展和野戰的需要，結構設計的內容逐步豐富起來。目前，結構設計在電子設備的設計中占有較大的比重，直接關系到電子設備的性能和技術指標（條件）的實現。電子設備結構設計和生產工藝的任務就是以結構設計為手段，保

6、證所設計的電子設備在既定的工作環境條件和使用要求下，達到技術條件所規定的各項指標，并能穩定可靠地完成預期的功能，即保證電子設備的可靠性。113 電子設備結構設計與制造工藝課程內容電子設備結構與工藝包含了力學、機械學、材料學、熱學、電學、化學、美學、環境科學等多門基礎學科的內容，是一門綜合性的應用型邊緣學科，作為一門課程，它的內容只能涉及電子設備機構與工藝的最基本內容，具體包括以下內容：1. 電子設備的工作環境及其對設備的要求；2. 可靠性及提高可靠性的方法；3. 電子產品常用材料的防腐蝕措施；4. 溫度對電子設備的影響及散熱方法；5. 減振緩沖原理及常用減振器的選用；6. 電磁干擾及其屏蔽，接

7、地技術；7. 電子設備元器件布局與裝配；8. 印制電路板的結構設計與制造工藝；9. 電子設備整機裝配與調試；10. 電子產品的微型化結構及整機結構。1.2 電子設備的工作環境及其對設備的影響電子設備所處的工作環境，按其成因大體可為自然環境、工業環境和特殊使用環境。除自然環境外，工業環境和特殊使用環境一般是人為制造和改變的，故也被稱為誘發環境。表1.1中列舉的環境分類包含了電子設備可能遭遇的各種基本環境。環境因素造成的設備故障是嚴重的。國外曾對機載電子設備進行故障剖析，結果發現，50%以上的故障是由環境因素所致。而溫度、濕度、振動三項環境造成的故障率則高達44%。環境因素造成的設備故障和失效可分

8、為兩類：一類是功能故障，指設備的各種功能出現不利的變化，或受環境條件的影響功能不能正常發揮，一旦外界因素消失，功能仍能恢復；另一類是永久性損壞，如機械損壞等。表1.1自然環境工業環境和特殊使用環境（誘發環境）溫度霧氣溫度梯度加速度濕度輻射高壓、低壓高強度噪聲大氣壓真空瞬態沖擊電磁場降雨磁場高能沖擊腐蝕性介質風沙靜電場周期振動固體粉塵鹽霧生物因素隨機振動電子設備所處的環境雖然復雜多樣，但按其對設備的影響劃分，歸納起來不外乎三個方面，即氣候因素影響，機械因素影響，電磁干擾（也稱噪聲干擾）影響。13 對電子設備的基本要求為使電子設備具有較好的使用性能與制造工藝性能，并使其在各種工作環境下能正常可靠地

9、工作，設計和制造電子設備時應滿足相應的要求。131 工作環境對電子設備的要求如前所述，工作環境包括氣候環境、機械環境和電磁環境，它們影響著設備的性能與壽命，為減少和防止各種因素對設備的不良影響，使其能適應工作環境，對設備提出了以下要求：1 氣候條件對電子設備的要求（1）采取散熱措施，保證電子設備工作溫度不會過高，元器件工作溫度不超過允許溫度。（2）采取防護措施，保證設備內的結構件、零部件不受潮濕、鹽霧、大氣污染等氣候因素的侵蝕。對某些電子設備或部件還應采取密封措施。2 機械條件對電子設備的要求（1）采取減振緩沖措施，保證設備內的各種元器件、零部件在外界機械條件的作用下不致損壞和失效。（2）提高

10、設備的耐振動抗沖擊能力，保證其工作的可靠性。3 電磁環境對電子設備的要求（1）采取各種屏蔽措施，使電子設備在各種干擾存在的情況下，還能有效地工作，從結構上提高電子設備的電磁兼容能力。（2）通過合理的布線、線路設計和接地，從電路方面減少電磁干擾對設備的影響。132 使用方面對電子設備的要求電子設備的生產設計是基于使用的，應充分考慮使用方面對設備的要求。1 體積重量要求電子設備正在向小型化發展，體積和重量日益減小，這是電子設備得到廣泛應用的原因之一。減小設備體積和重量不但有經濟意義，有時甚至起決定作用。例如軍用電子設備，減小其體積重量，直接影響部隊的戰斗力和裝備使用的靈活性，同時對減小體力消耗，提

11、高戰斗力有重要作用。研究電子設備體積重量的要求，應考慮設備的用途、運載工具、機械負荷等因素。另外，對于生產批量很大的產品還要特別考慮經濟因素。描述電子設備體積重量的指標主要有兩個：平均比重（重量體積比）和體積填充系數。首先，緊湊性提高，受到溫升限制。設備的平均比重增大，則單位體積發熱量增加，為保證設備正常工作，就需要采用冷卻系統，而冷卻系統本身就具有一定的體積和重量，反而提高了設備的總體積和總重量。溫升限制是大多數設備（尤其是大功率設備）提高緊湊性時遇到的最大困難。其次，緊湊性提高，設備穩定度下降。尤其是超高頻和高壓設備，分布電容廣，易產生自激和脈沖波形變壞。另外，元器件之間距離小還容易產生短

12、路和擊穿。再次，緊湊性提高給生產時的裝配和使用時的維護修理帶來一定困難，降低設備的可靠性。最后，緊湊性高的設備，在整機結構方面要求有較高的零件加工精度和裝配精度，因而提高了產品成本。2 操縱維修要求電子設備的操縱性能如何，是否便于維護修理，直接影響設備的可靠性。在設備的結構設計中要全面考慮。（1）設備要操縱簡單，控制結構輕便，為操縱者提供良好的工作條件。（2）設備安全可靠，有保險裝置。當操縱者發生誤操作時，不會損壞設備，更不能危及人身安全。（3）設備的體積填充系數在可能的情況下應取低一些（最好不超過0.3），以保證元器件間有足夠的空間，便于裝拆和維修。（4）有便于維修的結構。如采用插入式或折疊

13、式的結構；快速裝拆結構；可換部件式結構；可調元件、測試點布置在設備的同一面等。（5）設備應具有過負荷保護裝置（如過電流、過電壓保護），危險和高壓處應用警告標志和自動安全保護裝置（如高壓自動斷路門開關）等，以確保維修安全。（6）設備最好具備監測裝置和故障預報裝置，能使操縱者盡早發現故障或預測失效元器件，及時更換維修。133 生產方面對電子設備的要求1 生產條件對電子設備的要求電子設備在研制階段之后要投入生產。生產廠的設備情況、技術水平、工藝水平、生產能力、生產周期、生產管理水平等因素，都屬于生產條件。電子設備如果要順利地生產必須滿足生產條件對它的要求，否則，就不可能生產出優質的產品，甚至根本無法

14、生產。（1）電子設備中的零部件、元器件的品種和規格盡可能地少，技術參數、形狀、尺寸應盡最大限度標準化和規格化，盡量采用生產廠以前曾經生產過的零部件或其它專業廠生產的通用零部件或產品，這樣便于生產管理，有利于提高產品質量，保持產品繼承性，并能降低成本。（2）設備中的機械零部件、元器件必須具有較好的結構工藝性，能夠采用先進的工藝方法和流程，原材料消耗降低，加工工時短。例如，零件的結構、尺寸和形狀便于實現工序自動化；以無屑加工代替切削加工；提高沖制件、壓塑件的數量和比例等。（3）設備所使用的原材料，其品種規格越少越好，應盡可能地少用或不用貴重材料，立足于使用國產材料和來源多、價格低的材料。（4）設備

15、（含零部件）的加工精度的要求要與技術要求相適應，不允許無根據地追求高精度。在滿足產品性能指標的前提下，其精度等級應盡可能的低，裝配也應簡易化，盡量不搞選配和修配，便于自動流水生產。2 經濟性對電子設備的要求電子設備的經濟性包括使用經濟性和生產經濟性兩方面內容。設備在使用、貯存和運輸過程中所消耗的費用，稱為使用經濟性，其中維修費所占的比例最大，電費次之。生產經濟性是指生產成本，它包括生產準備費用，原材料和輔助材費用，工資和附加費用、管理費用等。為提高產品的經濟性。在設計階段應考慮以下幾個問題：（1）研究產品的技術條件，分析產品設計參數、性能和使用條件，正確制定設計方案和確定產品的復雜程度，這是產

16、品經濟性的首要環節。（2）由產量確定產品結構形式和生產類型。產量的大小決定著生產批量的規模，進而影響生產方式類型。（3）在保證產品性能的條件下，按最經濟的生產方式設計零部件，在滿足產品技術要求的條件下，選用最經濟合理的原材料和元器件，以降低產品的成本。（4）周密設計產品的結構，使產品具有較好的操作維修性能和使用性能，降低設備的維修和使用費用。14 可制造性設計（DFM）概念1.4.1 可制造性設計概念為什么現今的管理對設計師在這方面的表現特別重視呢？主要是因為設計是整個產品壽命的第一站。在效益學的觀點上來說，問題越早發現就能夠越早解決，其成本效益也就越高，問題對公司造成的損失也就越低。在電子生

17、產管理上，曾有學者做出這樣的預測，即在每一個主要工序上，其后工序的解決成本費用為前一道工序的10倍以上。例如設計問題如果在試制時才給予更正，其所需要將會較在設計時解決高出超過10倍，而如果這設計問題沒法在試制時解決，當它流到再下一個主要工序的批量生產時，其解決費用就可能高達100倍以上。此外，對于設計造成的問題，即使公司擁有最好的設備和工藝知識，也未必能夠很完善的解決。所以基于以上的原因，把設計工作做好是門很重要的管理。所謂把設計做的好，這里指的是包括產品功能、性能、可制造性和質量等各方面。當前技術的快速發展，如芯片集成、電子組裝、材料、生產設備和管理技術等方面快速發展使得電路板組裝密度越來越

18、高，電子產品亦向微型化、低價格、多功能方向發展，這就導致制造對設計的依賴越來越強。 不論公司從事的是什么樣的產品，不論設計師面對的顧客是內部或是外部顧客，對設計師的要求都可說是一致的。他們的要求都離開不三方面。即優良或至少滿意的品質、相對較低的成本（或價格）、和有較短而及時的交貨期。而身為一代的設計師，其職責已不是單純的把產品的功能和性能設計出來那么簡單，而是必須對以上所提到的三方面負責，并做出貢獻。 目前在工業界里，幾乎沒有人不談品質管理的。先進管理觀念強調，品質不是制造出來的，而應該是設計出來的。這觀念有其重要的地方，是使用用戶從以往較被動的關注點（生產線上）移到較主動的關注點（設計上）。

19、但說法不夠完善。嚴格和具體來說，品質既不是生產來的，也不是單靠設計來的，而應該是配合來的。好的品質是通過良好的設計（配合工藝和生產能力的設計），優良的工藝調制，和生產線上的工藝管制而獲得的。而這三者又是需要有良好的品質管理理念、知識、系統和制度來確保的。在確保產品高而穩定的品質、高生產效率和低生產成本、以及準確的交貨時間，我們的生產線必須要有一套所謂的堅固工藝（Robust Process）。而堅固工藝是必須通過設計、工藝能力、各設備性能之間的完好配合才能實現的。所謂堅固工藝，是指其對外界各種影響它表現的因素的靈敏度很低。也就是說，對這些因素的大變化，其整體效果還是穩定不變或只限于合格范圍內的

20、變動。堅固的工藝是相對的，所以一套設計規范也是有其針對性的。它在某一生產環境下（設備、管理、材料、工藝能力、品質標準）也許是堅固的，但在另一個環境下卻可能變得不堅固。因此，設計的好與不好，也是有它的特定性。用戶必須了解和牢記這一點。1.4.2 DFM涉及的內容DFM涉及的內容有以下一些方面，l 熱對產品的影響l 器件特性l 可檢查和可測試性l 對環境的高度適應能力（穩定性）l 耐腐蝕性l 可制造性、可維修性l 防靜電能力對DFM/DFT/DFR/DFA等的要求，給設計人員增加了壓力，對于相關不確定的問題，可求助于工藝或相關人員。產品設計要素有如下一些方面，不同的產品有不同的考慮重點l DFV價

21、格設計Design for Value (performance / price ratio)l DFR可靠性設計(Design for Reliability)l DFM可制造性設計(Design for Manufacturability)l DFA 可裝配性設計(Design for Assembly)l DFT 可測試設計(Design for Testability)l DFS 可維護性設計(Design for Servicability) 各設計階段考慮因素亦有所不同，設計者應明白在設計中應考慮何種內容。設計步驟和內容 注意點電路 DFV, DFM, DFT, DFRPCB DF

22、A, DFM, DFT, DFR, DFS 熱設計 DFREMC, EMI, ESD DFT, DFR機械設計 DFV, DFA, DFM, DFT, DFR, DFS軟件 DFT, DFS材料選擇 DFA, DFM, DFT, DFR, DFS封裝及包裝 DFA, DFR優良制造性的標準從2方面來定義。一是產品的可制造性，包括高的生產效率、產品的高穩定性、生產線可接受的缺陷率幾方面的定義；另一方面是產品的高可靠性的定義，如產品適應不同環境的變化的參數定義、產品的使用周期定義。工藝設計內容包括以下一些方面，從可制造性的角度看，設計人員應有所了解，從而在設計中靈活運用，更好的與工藝人員溝通。l

23、基本工藝路線的選取l 設備能力的考慮l 設備輔助工具的考慮l 工藝設計規范l 工藝參數的調制l 工藝管制及檢驗 15 產品可靠性151 可靠性概述1 可靠性的概念可靠性是指產品在規定的時間內和規定的條件下，完成規定功能的能力?？煽啃缘母拍畎龑雍x：首先，產品的可靠性是以“規定的條件”為前提的。所謂“規定的條件”是指在規定的時內產品使用時的應力條件、環境條件和儲存條件等，。規定條件不同，產品可靠性不同。例如，一般半導體器件使用時的輸出功率越小，其可靠性越高。又如，同一臺電子設備在實驗室中使用和在野外使用，可靠性相差很大，環境條件越惡劣，設備的可靠性越低。其次，產品的可靠性與“規定的時間”密切

24、相關。一般說來，產品經過一個老化時間后，有一個較長時間的穩定使用期，以后，隨著時間的推移，穩定性逐漸下降，可靠性降低。時間越長，可靠性越低。最后，產品的可靠性是用完成“規定的功能”來衡量的。這里所謂功能是指產品的全部功能，而不是其中一部分。產品只有完成規定的全部功能，才被認為是可靠的。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，二是要在使用中很可靠。根據研究的具體對象，應對電子產品的使用條件、使用時間、功能和失效做出具體規定。產品的可靠性是用概率來表示的。產品在使用過程中，常常因為各種偶然因素，如元件的突然損壞、應力（電負荷、溫度、機械影響等）突

25、變、維護或使用不當等的影響而失效，即某一具體產品的失效具有偶然性。但是，大量偶然事件中包含規律性是必然的。我們可以用概率的方法來表示隨機事件發生的可能性大小。即我們雖無法確切地知道產品出現失效的時間，但我們可以求出產品在規定時間和條件下完成規定功能的可能性大小。2 可靠性的主要指標電子產品功能的發揮，在很大程度上取決于產品可靠性的高低。在可靠性理論中，描述可靠性的特征量有許多種，這里給出可靠性的最基本的幾個指標。（1）可靠度（正常工作概率） 可靠度是指產品在規定條件下和規定時間內完成規定功能的概率。顯然，可靠度是可靠性的定量表示。通常用R(t)表示。R(t)= ×100% （1.1）

26、式中 R(t)產品在時間t內正常工作的概率； N試驗樣品數； n 規定時間t內的故障數；（N - n）規定時間t內仍然完好的產品數?？煽慷鹊奈锢硪饬x是：到某個試驗期時，仍然完好的產品數與試驗產品總數的比例，即完好產品（不失效）的概率。試驗樣品按規定抽取，不可能無窮多，有足夠數量即可。在1.1式中，當t=0時，表示產品試驗或工作初期，R(0)=1，表示產品全部完好；當t=，即產品試驗或工作了無窮長時間， R()=0，表示產品全部達到壽命終止期。顯然，0R(t)1 ，R(t)越接近1，表示可靠度越大。（2）故障率 故障率是指產品在規定的條件和規定的時間內，失去規定功能的概率。通常用F(t)表示。

27、F(t)= ×100% （1.2）F(t)越接近1，表示產品故障率越高。F(t)與R(t)是對立事件，二者的關系是： F(t)+R(t)=1 （1.3）（3）失效率（瞬時失效率） 失效率是指產品工作到t時刻后的一單位時間內的失效數與在t時刻尚能正常工作的產品數之比。用(t)表示，即 (t)= （1.4）式中 N試驗樣品數； t實驗時的測試時間間隔，單位為小時（h） n(t)時間從0到t時的失效數； n(t+t)時間從0到（t+t）時的失效數； n(t+t) n(t)t時刻后，在t時間間隔內的失效數； N n(t)時刻t時尚能正常工作的產品數。失效與產品的可靠度有密切聯系。一般情況下，

28、當為常數時，失效率與可靠度R(t)滿足 R(t) = e-t （1.5）即失效率越低，可靠度越高。(t)用單位時間的百分數表示，用1×10-6/1000h（或1×10-9/h）作為失效率單位，即100萬個元件工作1000小時后出現一個失效元件，稱為1菲特。失效率等級劃分如表1.3表示。（4） 平均壽命（平均正常工作時間）平均壽命是指產品正常工作的平均時間；對不可修復產品，是指產品失效前的平均工作或貯存時間；對可修復產品，平均壽命是指相鄰兩次故障間的平均時間。平均壽命可表達為： t=ti/N （1.6）式中 t平均壽命； ti試驗樣品數正常工作時間之和； N試驗樣品數（對可修

29、復產品，N是試驗樣品中的維修總次數）。表1.3 失效率等級名 稱符 號最大失效率(1/h)名 稱符號最大失效率(1/h)亞五級Y3×10-5八 級B1×10-8五 級W1×10-5九 級J1×10-9六 級N1×10-6十 級S1×10-10七 級Q1×10-73 可靠性的分類（1）固有可靠性 固有可靠性是指產品的設計、制造時內在的可靠性。對電子產品來說，產品的復雜程度、電路和元器件的選擇與使用、元器件的工作參數及其可靠度，以及機械結構和制造工藝等影響產品的固有可靠性。對于元器件來說，原料品質、制造工藝、工作參數等影響固有可

30、靠性。電子產品的固有可靠性在很大程度上依賴于元器件的可靠性。產品越復雜，所用元器件越多，產品固有可靠性越低。（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，操作方法是否得當以及其它人為的因素。使用可靠性在很大程度上依賴于使用設備的人。熟練而正確的操作，及時的維護和保養都能顯著提高使用可靠性。（3）環境適應性 環境適應性是指產品所處的環境條件對可靠性的影響。提高設備的環境適應性，主要是對設備采取各種有效的防護措施。4 可靠性設計的基本原則（1）設計方案的簡化 在滿足產品性能的要求下，要盡量減化設計方案，減少所用元器件的數目，選用

31、可靠性高的元器件，盡可能降低元器件的使用應力強度（降額使用），這是提高電子產品可靠性的重要環節。在設計階段一定要按可靠性要求進行設計。（2）注意可靠性與經濟性的關系 產品的可靠性提高，將造成生產和科研費用增加，即生產成本提高，但使用和維修費用將隨可靠性提高而降低，因此總的費用不一定增加。若降低產品可靠性，雖然研制、生產費用下降了，但其使用和維修費將上升，總費用仍有可能增加。（3）可靠性與可維修性 考慮電子產品可靠性設計時，還應考慮可維修（4）加工工藝的可靠性 工藝加工必須保證產品元器件在加工過程中，不致受到熱力、機械的和電氣的損傷，并嚴格按照工藝文件的要求進行加工。應當把可靠性設計與加工的可靠

32、性密切配合起來，以保證產品的質量要求。關于加工工藝的要求，在以后各章中均有涉及，在此不再贅述。（5）充分考慮元器件和產品的可靠性，適當采用余度設計和備份設計。152 元器件可靠性與產品可靠性1 元器件的可靠性元器件的可靠性通常用失效率來表征。實踐發現，普通元器件和半導體元器件的失效規律不盡相同。（1）元器件的失效規律普通電子元器件的失效規律如圖1.2所示，這就是常說的船形曲線或浴盆曲線，它分為三個階段： 圖1.2 典型普通元器件失效曲線在使用的早期，由于設計、制造上的缺陷而發生的失效叫做早期失效，對應的失效期為早期失效期。這個時期失效高，但隨元件的工作時間的增加而失效率迅速降低；在早期失效之后

33、，進入偶然失效期，也稱隨機失效期。此時，失效率是常數，且較低，偶然失效期是元件使用的壽命期；在產品使用的后期，進入老化失效期，失效率迅速上升，產品報廢。通過對原材料和生產工藝加強檢驗、質量控制和對元器件進行篩選老化，可以大大降低早期失效率。研究偶然失效期對實踐指導最有意義，電子設備的所有元器件和組件都應工作在失效率較低的偶然失效期,盡量避免工作在耗損失效期。（2）一般元器件的可靠性通常用失效率表示。元器件工作在偶然失效期，其失效率為常數，由（1.5）式，其可靠度為：R(t)=e-t 元器件可靠性與使用條件有密切關系，使用條件包括工作環境條件和負荷條件。一般說來，元器件所處的條件越惡劣，其失效率

34、越高，因此，元器件一般都是降額使用，使其失效率降低，延長工作壽命，提高可靠性。所謂降額使用就是元器件的額定參數要高于使用參數。但并不是說所有元器件都是減額越多越好，如繼電器減額則吸引力減少，氧化膜磨不掉，可靠性降低。所以降額使用要根據具體的元器件區別對待。2 系統可靠性一個復雜的系統可以由多個子系統或部件組成。而每一個子系統或部件又由多個元器件組成。我們可以根據元器件的可靠性求得系統可靠性，也可以根據系統可靠性分配各子系統的可靠性。（1） 串聯系統設一個復雜的系統C，可以由多個子系統或部件A1A2A3An組成，只要任何一個Ai失效，則C失效；若要C可靠，則Ai 必須全部可靠。這樣的系統C的可靠

35、性為R(C)=R(A1)×R(A2)×R(A3)××R(An)= （1.7）由于R(Ai)1，所以相乘項越多，則積越小，因此，為提高系統的可靠性，應盡量減少串聯系統的數目。（2）冗余系統（備份系統）串聯系統的可靠度低于各子系統的可靠度，當串聯系統的可靠性設計不能滿足預定要求時，可以采用備份元件或備份系統的方法提高可靠性，稱為冗余系統或備份系統。冗余系統只在極端重要的場合（如導彈發射與制導、衛星系統等）或元件可靠性滿足不了系統要求時才采用。并聯系統是最常見的冗余系統。它的特點是只要系統中任何一元件（或子系統）可靠，則系統就可靠，只有所有元件（或子系統）全部

36、失效時，系統才失效。可見，備份越多，可靠性越高，但設備費用卻成倍增加，因此，可靠性的提高，要著重提高基礎件（或子系統）的可靠性，而不提倡采用備份。16 提高電子產品可靠性的方法電子產品是由電子元器件、組件、部件按照一定的工藝要求組合起來的，電子產品的可靠性的基礎是電子元器件的可靠性，電子元器件的正確選用、合理的結構設計、有效的防護措施是保證電子產品可靠性最有效的辦法。本節主要從上述幾方面介紹提高電子產品可靠性的方法。151 正確選用電子元器件1選用電子元器件的原則（1）根據電性能指標和使用條件選用合適的元器件，使用條件不得超過元器件參數和環境條件，并留有富余量；（2） 盡可能地壓縮元器件的品種

37、和規格數量，提高它們的復用率；（3）除特殊情況外，所有電子元器件都要按不同要求進行可靠性篩選，然后才能用到電子產品中去；（4）仔細分析比較同類元器件的差異，擇優選用，并注意積累元器件在使用中的性能與可靠性方面的依據，作為以后選用的重要依據。2選用電子元器件的方法對電子元器件進行篩選，就是要從一批元器件中選出可靠性較高的元器件，淘汰那些有潛在缺陷而導致早期失效的元器件，這對提高電子產品的可靠性有重要意義。考慮到技術困難和經濟合理性，我們必須精心選擇應力條件和篩選方法，用最經濟有效的方法達到規定的可靠性。（1）按復雜程度可分為：分布截尾篩選法：篩選掉參數偏離標稱值過大的產品。應力強度篩選法：對產品

38、施加各種應力條件后進行測試挑選。老煉篩選：在規定的時間內對產品施加各種應力條件后進行測試挑選。線性鑒別篩選：類似于老煉篩選，但要運用數理統計技術進行判別。精密篩選：在接近于產品使用條件下進行長期老煉，并多次精確測定參數變化量，從中進行挑選和預測。在以上五種方法中，前兩種方法簡便易行，但效果差。目前主要用老煉篩選法。（2）按照施加應力手段不同，篩選可分為：壽命篩選、環境應力篩選、密封性篩選、檢查性篩選等。152 電子元器件的降額使用降額使用就是元器件在低于其額定值的應力條件下工作，是提高電子產品可靠性的最有效措施之一。對元器件有影響的應力包括：時間、溫度、濕度、腐蝕、機械應力和電應力，合理的降額

39、可以大幅度地減少元器件的失效。1電阻器的降額使用要點元器件實際使用時的參數與額定值的比值為降額系數，用S表示。電阻器的降額系數S一般取0.10.6，環境溫度一般低于60，低于45最好。當S<0.1時，發熱量過小，潮氣不易驅，失效率反而提高。可變電阻器失效率比固定電阻高12個數量級，一般少用。2電容器的降額使用要點電容器的使用溫度一般應低于50，尤其是電解電容器更不宜在高溫下工作，電解電容器在低于-45使用時應采用耐寒型。電容器的電壓降額系數S一般小于0.6，對于電解電容器S不得小于0.2，金屬化紙介電容器一般取0.50.8，小型云母電容器常出現低電平失效，所以交流運作時S不得太小，其承受

40、的電壓不低于100mV，否則應選用其它類型的電容器。3半導體器件降額使用要點不同半導體器件的降額系數S的含義是不同的，如晶體三極管的S為實際功率與25時的最大額定功率之比，晶體二極管的S為平均正向電流與25時的最大額定正向電流之比，穩壓管的S為實際耗散功率與25時的最大額定功率之比，光電器件的S為實際耗散功率與25時最大額定功率乘以與最大允許結溫有關的修正系數之比。半導體器件的S一般取0.5以下，使用溫度低于50，鍺管還要低一點。表1.6是常用元器件的推薦降額使用范圍，設計時可參考。表1.6 常用元器件的推薦降額范圍元器件種類電阻器電容器半導體器件電感器繼電器接插件微電機內容TSPTSVSPS

41、VTSISISISP范圍<450.10.6<50<0.6<0.5<0.7<1300.60.7白熾燈負載0.15電感性負載0.3同左0.30.8符號說明：T工作溫度（）； SP功率降額系數；SV電壓降額系數；SI電流降額系數。153 采用冗余系統（備份系統）從上節已知，系統中串聯的元件或子系統越多，其可靠性就越低；而當采用冗余系統（備份系統）后，系統的可靠性將會提高。如圖1.7（a）所示并聯系統，只有當構成并聯關系的A1 、A2 、An全部出故障系統才不能運行，否則，只要A1 、A2 、An中有一個可以正常工作，系統都將會正常運行下去。圖1.7（b）為一個待機

42、系統，正常情況下A1執行工作，當A1出現故障時，轉換開關自動接通，A2接替A1開始工作，所以，只有A1 、A2均不正常時，系統才不能運行。待機系統是由于A2一般情況下處等待狀態而得名，由于該系統增加了一個轉換開關，其可靠性的高低直接影響系統可靠性，應選用可靠性較高的器件。154 采取有效的環境防護措施有效的環境設計可以防止與減少溫度、潮濕、生物危害、機械振動與沖擊、電磁干擾等對電子設備材料和器件的不良影響，達到提高電子設備的可靠性的目的。各種環境設計的原理與方法將在相關章節中介紹。155 進行環境試驗將電子設備置于模擬的工作環境或實際使用環境中、按照技術指標的要求進行試驗，以考核其性能和可靠性

43、。提前發現問題，采取有效的改進措施，消除設計制造中存在的不可靠因素。環境試驗可分為以下兩種：1 單項試驗單項試驗的目的是考核某項指標的穩定性。將設備置于人工模擬的工作環境中，按照技術指標的要求，考核產品抵抗某項環境影響因素的能力。如耐溫、耐濕、耐壓、密封、耐振動、耐沖擊等的穩定性試驗。2 綜合試驗綜合試驗的目的是考核產品在綜合因素作用下所能達到的性能指標。這種實驗比較接近于實際使用情況，所以通過綜合試驗，更能考核設備的真實可靠性。156 設置故障指示和排除系統為提高設備的可靠性，正確設置故障指示和排除系統可以簡化故障的判斷、查找，使故障的維修與排除變的迅速。具體做法有：采用故障檢測電路及故障預

44、、報警裝置；采用插入單元和便于替換部件結構；減少檢修通道上的障礙以便于維修；采用標準化結構和快速拆卸結構等。第二章 電子產品的防腐蝕設計21 概述211 腐蝕效應1腐蝕的概念 材料受環境介質的化學作用而發生性能下降、狀態改變、甚至損壞變質的現象。2腐蝕的分類 根據被腐蝕材料的種類，可分為金屬腐蝕和非金屬腐蝕兩大類。金屬腐蝕：金屬與周圍環境介質之間發生化學或電化學作用而引起的破壞或變質現象。按照腐蝕的機理分類，可分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕?；瘜W腐蝕主要為金屬在無水的液體和氣體以及在干燥的氣體中的腐蝕。物理腐蝕是指金屬由于單純的物理溶解作用而引起的破壞，金屬與熔融液態金屬接觸引起的金屬溶解

45、或開裂就屬于物理腐蝕。電化學腐蝕是金屬與電解液發生作用所產生的腐蝕。其特征是腐蝕過程中有電流產生，在金屬表面上有隔離的陽極區和陰極區，被腐蝕的是陽極區。電化學腐蝕的現象與原電池作用相似。電化學腐蝕是最普遍、最常見的金屬腐蝕，在造成電子設備故障的常見的原因中，金屬的電化學腐蝕是最常受到指責的因素。大多數電子設備的制造、運輸、儲存和使用都是在地面或接近地面的地方進行，因此金屬材料在潮濕大氣中的腐蝕破壞是電子設備防腐蝕設計重點考慮的問題。非金屬材料在化學介質或化學介質與其他因素（如應力、光、熱等）共同作用下，因變質而喪失使用性能稱為非金屬材料腐蝕。電子設備使用的非金屬材料，以有機高分子材料為最廣泛，

46、如塑料、涂料、薄膜、絕緣材料等。高分子材料腐蝕的主要形式有老化、化學裂解、溶脹和溶解、應力開裂等。由于生物活動而引起材料變質破壞的現象通常稱為生物腐蝕，其中由于霉菌和其他微生物引起的腐蝕也稱為霉腐或霉變。212 腐蝕性環境因素凡是能夠作為腐蝕介質引起材料腐蝕的環境因素，都可稱之為腐蝕性環境因素，主要有以下幾種：1 水分。2 氧和臭氧。3 溫度。4 腐蝕性氣體。5 鹽霧。6 沙和灰塵。7 太陽輻射。8 微生物額動物。213 防腐蝕設計的基本要求實踐證明，采取恰當的防護措施，腐蝕是可以受到一定程度的控制，有些腐蝕事故是可以避免的。在防腐蝕設計時，應該考慮的主要因素有：電子設備可能遭遇的環境條件及主

47、要的腐蝕性環境因素；對腐蝕損壞最敏感的部位（包括元器件、零部件和材料）；要求保護的程度（臨時性防護、可更換零件防護、高穩定性永久性防護等）以及允許采用的防護手段。通過對各種因素的綜合分析，預測可能發生的腐蝕類型和危險性后果，從而確定合理而有效的防腐蝕措施。防止電子設備腐蝕損壞的基本方法有以下幾種：1 采用高耐蝕性材料；2 消除或削弱環境中的腐蝕性因素；3 對不耐蝕材料進行耐蝕性表面處理；4 防腐蝕結構設計；5 電化學保護；企圖僅僅采用一種方法來達到防止腐蝕的目的是不切實際的。通常需要將幾種方法接合起來使用，以獲得經濟而有效的結果。22 潮濕及生物危害的防護221 潮濕的防護1、潮濕的危害氣候條

48、件對電子設備的影響是多方面的，但從設備產生故障的直接原因來看，潮濕是主要因素。潮濕對電子設備具有下列破壞作用：（1）引起金屬腐蝕及加快腐蝕速度。（2）使非金屬材料性能變壞、失效。一些吸濕較大的材料，吸濕后發生溶脹、變形、強度降低乃至產生機械性破損。此外，水分附著在材料表面或滲入內部，使材料表面電導率增加，體積電阻降低，造成短路、漏電和擊穿，介質損耗增大。潮濕也是使油漆涂覆層起泡，脫落從而失去其保護作用的一個重要因素。（3）水是一種極性介質，能夠改變電氣元件的參數，例如水附著在電阻器上，會形成一漏電通路，相當于在電阻器上并聯一可變電阻。（4）在一定溫度條件下，潮濕有利于霉菌的生長繁殖，引起非金屬

49、材料的霉爛。（5）當溫度升高或空氣中含有雜質（如灰塵、鹽分等）時，潮濕的影響和危害將加劇。2、吸濕機理 處在潮濕空氣中的物體，由于空氣中的水分在熱的作用下蒸發形成水蒸汽，水蒸氣的分子運動，必然有一部分水分子被吸附在物體表面上，形成了一層水膜，隨著空氣相對濕度增高，水膜厚度亦增大。一切物體的吸濕，都是由這層水膜引起的。 物體的吸濕有以下四種形式：（1）擴散 在高濕環境下，由于物體本身和周圍環境的水汽壓力差較大，水分子在壓力差的作用下，向物體內部擴散，使水分子進入物體內部。擴散隨著溫度增高而加劇。（2）吸收 有些材料本身具有縫隙和毛細孔，當物體處于潮濕空氣中時，材料表面的水分子由于毛細作用，進入材

50、料內部。（3）吸附 由于物體表面分子對水分子具有吸引力，當物體處于潮濕空氣中時，水分子就會吸附到物體表面上，形成一層水膜。（4）凝露 當物體表面溫度低于周圍空氣的露點溫度時，空氣中的水蒸汽便會在物體表面上凝結成水珠，形成一層很厚的水膜。在高低溫交變循環下，可能造成物體內部的內凝露，嚴重時造成物體內部積水。 擴散和吸收使水分子進入材料內部，因而會使材料的體積電阻率下降，水分子以擴散和吸收的形式進入材料內部的程度，可以用吸濕性（吸潮性）和透濕性等指標表示。 吸附和凝露會使材料表面形成一層水膜，造成材料表面電阻率下降。材料表面是否被水潤濕，對材料表面電阻率有很大的影響，一般來講，材料表面被水潤濕的程

51、度越大，其表面電阻率下降也越大，材料表面被水潤濕的程度可用潤濕角來表征。當潤濕角900時，材料可被認為是親水性的，即物體表面對水分子的吸引力大于水的表面張力。親水性物體使水在物體表面上連成一片水膜。當潤濕角900時，則被認為是憎水性的，即物體表面對水分子的吸引力小于水的表面張力。憎水性物體使水在物體表面上收縮成不相連接的小水珠，物體表面不易潤濕，水分子不易滲入物體內部。而且，角越大，表示物體的憎水性越強 以上四種吸濕形式可能同時出現，也可能只出現某一二種，這要根據具體情況而定。3、防潮濕措施 防潮濕措施首先是合理地選用材料，在滿足結構強度，性能要求和經濟性的情況下，應采用耐腐蝕、耐濕、化學性能

52、穩定的材料，同時采取表面憎水處理、浸漬、灌封、密封等方法。（1）憎水處理親水性物質的吸濕性、透濕性大，可以通過憎水處理改變其親水性，使它的吸濕性和透濕性降低。方法是把硅有機化合物盛在容器中，放到加熱器中加熱到5070，讓其揮發，被處理的元器件和零件在有機硅蒸汽中吸收有機硅分子，然后在180200的環境中烘烤，有機硅分子滲入元器件和零件所有的毛細孔和縫隙并與水分子化合，在元器件和零件表面形成憎水性的聚硅烷膜。（2）浸漬和蘸漬 浸漬是將被處理的元器件和零件浸入絕緣漆中，經過一段時間使絕緣漆進入元器件和零件的毛細孔、縫隙以及結構中的空隙，從而提高了元器件和零件的防潮濕性能。浸漬有一般浸漬和真空浸漬兩

53、種，真空浸漬的效果高于一般浸漬。經浸漬處理后的元器件和零件除了具有良好的防潮濕性能外，還能提高纖維絕緣材料的抗電強度、熱穩定性，提高元器件和零件的機械強度，改善了傳熱性能。 蘸漬是把被處理的元器件和零件短時間（幾秒鐘）地浸泡在絕緣漆中，使元器件和零件表面上形成一層薄絕緣漆膜；也可以用涂覆的辦法在元器件和零件表面涂上一層絕緣漆膜。蘸漬適用于敞開式的整機、功能單元等，除了能防潮濕以外，還能增加元器件和零件的外形美觀。 蘸漬和浸漬的區別在于：蘸漬只是在材料表面上形成一層防護性能絕緣漆膜，而浸漬則是將絕緣漆深入到材料內部，所以蘸漬的防潮濕性能比浸漬差。 常用的防潮漆有：環氧絕緣清漆、聚氨脂絕緣清漆、環

54、氧聚酰胺絕緣清漆等。（3）灌封 灌封是用熱熔狀態的樹脂、橡膠等將元器件澆注封閉，形成一個與外界環境完全隔絕的獨立的整體。灌封除可保護電子元件避免潮濕和腐蝕外，還能避免強烈振動、沖擊及劇烈溫度變化對電子元件的不良影響，以及提高抗振沖強度。但此法多適用于小型的單元、部件及元器件。灌封材料主要要求是應具有優異的粘附力，很小的透濕性、較高的軟化點以及優良的向物體縫隙的滲透能力。常用的灌封材料有：有機硅凝膠、有機硅橡膠、環氧樹脂等。（4）密封 密封是長期防止潮氣影響的最有效方法。它就是將零件、元器件或一些復雜的裝置甚至整機安裝在不透氣的密封結構中。此法造價較高，工藝較復雜。作為防潮濕的輔助手段，有時可對

55、某些設備采用定期通電加熱的方法來驅除潮氣，也以用吸潮劑吸掉潮氣。222 生物危害的防護1、霉菌的滋生及其危害性 （1）霉菌特性霉菌屬于細菌中的一個系列，它能在土壤里及一切有機材料和有些無機材料的表面上滋生和繁殖霉菌的孢子很小（小于1m），極易隨空氣侵入設備內部，因此，凡是空氣可以進入的設備中，所有的零件都有可能受到霉菌孢子的污染。此外，各種昆蟲和塵埃也都是傳播孢子媒介。霉菌在生長和繁殖過程中需要水分、氧氣以及碳、氫元素和微量磷、鎂、鉀、鈣等元素作為其營養物質。霉菌孢子只有在潮濕的情況下，才能生長；只有在有水的情況下，霉菌才能進行一系列的新陳代謝作用。一般情況下，當空氣中的相對濕度低于65%時，霉菌極難生長，而在潮濕的環境中，霉菌生長旺盛；但當空氣中的相對濕度達到100%時，物體的表面將凝聚一層水膜，對霉菌的生長亦不利。氧氣是霉菌生命過程中進行呼吸作用的必需物質，停止供給新鮮氧氣，