元器件可靠性在微机测控系统的重要性

　　电子元器件的可靠性是各类电子整机及装备可靠性的基础和，而在以往从事整机装备制造的工程技术人员对元器件的可靠性没有全面而透彻的了解，使得元器件的固有可靠性潜力没有得到充分的发挥，而且还可能在装配的过程中对元器件带来可靠性损伤。回顾一下可靠性发展史，不难看出，初人们着重研究环境对设备（或产品）的影响，故可靠性定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。所谓规定的条件，主要指环境条件。随着可靠性技术的发展，可靠性将全面渗透到工程里，贯穿于产品全寿命周期中。人们开始认识到，影响设备（或产品）的功能的发挥不仅与所处的环境有关，而且与研制产品的人有关。

　　可靠性研究的重要性

　　可靠性是与电子工业的发展密切相关的，其重要性可从电子产品发展的三个特点来加以说明。首先是电子产品的复杂程度在不断增加。人们早使用的矿石收音机是非常简单的，随之先后出现了各种类型的收音机、录音机、录放相机、通讯机、雷达、制导系统、电子计算机以及宇航控制设备，复杂程度不断地增长。电子设备复杂程度的显着标志是所需元器件数量的多少。而电子设备的可靠性决定于所用元器件的可靠性，因为电子设备中的任何一个元器件、任何一个焊点发生故障都将导致系统发生故障。一般说来，电子设备所用的元器件数量越多，其可靠性问题就越严重，为保证设备或系统能可靠地工作，对元器件可靠性的要求就非常高、非常苛刻。其次，电子设备的使用环境日益严酷，现已从实验室到野外，从热带到寒带，从陆地到深海，从高空到宇宙空间，经受着不同的环境条件，除温度、湿度影响外，海水、盐雾、冲击、振动、宇宙粒子、各种辐射等对电子元器件的影响，导致产品失效的可能性增大。   第三，电子设备的装置密度不断增加。从代电子管产品进入第二代晶体管，现已从小、中规模集成电路进入到大规模和超大规模集成电路，电子产品正朝小型化、微型化方向发展，其结果导致装置密度的不断增加，从而使内部温升增高，散热条件恶化。而电子元器件将随环境温度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人们的极大重视。可靠性已经列为产品的重要质量指标加以考核和检验。长期以来，人们只用产品的技术性能指标作为衡量电子元器件质量好坏的标志，这只反映了产品质量好坏的一个方面，还不能反映产品质量的全貌。因为，如果产品不可靠，即使其技术性能再好也得不到发挥。从某种意义上说，可靠性可以综合反映产品的质量。可靠性工程师一个综合的学科，它的发展可以带动和促进产品的设计、制造、使用、材料、工艺、设备和管理的发展，把电子元器件和其它电子产品提高到一个新的水平。正因为这样，可靠性已形成一个专门的学科，作为一个专门的技术进行研究。

　　1 元器件的失效特性

　　元器件的失效特征，主要是指失铲规律和失效形式。

　　1.1 失效规律

　　元器件的失效规律分为三部分：早期失效期、稳定工作期和衰老期。早期失效主要发生在元件制造或微机系统刚投入运行后的短暂时间，其失效原因主要有：（1）元件本身存在的固有缺陶，如漏气、接点断裂等；（2）安装工艺不可靠，如焊接不牢固等；（3）环境条件恶化，如温度高、温度大（可加速元件的失效）。可以通过筛选元件、严格安装工艺以及防止安装前元件的老化来克服元件的早期失效。

　　稳定工作期元件的突然性失效少，暂时性故障较多，这是因为元器件工作中的瞬时应力超过了元件所能承受的强度。而衰老期元件的失效率大大增加，可靠性也急剧下降。因此造成元件衰老的主要原因是：元件物理变化和机械磨损。

　　1.2 失效形式

　　元器件的失效形式可分为：突然失效、退化失效、局部失效和全部失效。突然的效是因元件参数急剧变化，或因元件制造工艺不良、环境条件变坏而导致短路或开路所造成的。退化失效是因元件制造公差、温度系数变化、材料变质、电源电压波动、工艺不良等因素使元器件参数逐渐变差，性能逐渐降低而形成的。由退化失铲而导致的系统局部功能失效，称为局部失效；由突然失效而使整个系统失效，称为全局失效。

　　2 元件的失效机理

　　2.1 温度影响

　　（1）环境温度对半导体器件的影响

　　环境温度升高将使半导体器件的允许功耗下降。因为温度升高将直接使结温升高，引起工作电压下降，P-N结构的正向压降减少，其开门和关门电平减少，元件的低电平抗干扰电压容限随温度的升高而变小，而高电平抗干扰电压容限则随温度升高而增大，因而造成输出电平偏移，波形失真，稳态失调，甚至会出现P-N结热击穿而损坏。

　　（2）温度变化对电阻的影响

　　温度变化对电阻的影响主要是当温度升高时，电阻内部的热噪声加剧使其阻值偏离标准值、允许耗散功率下降等。

　　（3）温度变化对电容的影响

　　温度变化将引起电容介质损耗变化，从而影响电容的使用寿命，同时还会引起阻容时间常数的变化，甚至可能发生因介质损耗过大而热击穿的情况。

　　此外，温度升高也将使电感线圈、变压器、扼流圈等器件的绝缘性能下降。为了减小由温度引起的干扰，除了选用热稳定性能好的元器件外，还要改善其运行环境条件。

　　2.2 湿度影响

　　湿度很高的运行环境将使那些密封性能较差的元件受到腐蚀，从而造成退化失效；在这种环境下，当含酸碱性的尘埃落到线路板或配电盘上时，将迅速腐蚀元器件的焊点与接线处，从而造成焊点脱落，接头断裂而引起接触故障；湿度过高也是引起漏电耦合的主要原因。当具有导电性的尘埃落到线路板上时，其表面的绝缘性能下降。若高电压因漏电而耦合到低电压器件，将可能造成电压击穿。

　　2.3 振动、冲击影响

　　机械振动与冲击会使一些内部有缺陷的元件加速失效，从而造成灾难性故障；机械振动还会使焊点、压线点发生松动而导致接触不良；若振动导致某些不应相连的导线碰连，会产生意想不到的后果。

　　2.4 电压的影响

　　加在元器件上的电压的稳定性是保证元器件能够正常运行的重要条件。过高的电压会增加元器件的热损耗，甚至造成电压击空。

　　3 元件的降额设计

　　降额使用是指在低于额定电压和电流条件下使用元器件，对元件进行降额设计的目的是为了使元件可以降额使用，降额设计能提高元器件的可靠性。降额设计元器件寿命试验表明，失效率随着工作电压、环境温度的提高而成倍地增加。降额设计就是为了使元件在低于其额定应力情况下工作。影响设计机系统可靠性的应力有：电应力（电压、电流、功率和频率等）、温度、机械应力（振动、冲击等）。当工作应力高于额定应力时，其失效率就增加。反之，则降低。例如，在电阻使用时，实际负载功率要低于额定功率的30%,在装配要求很高时，应低于额定功率的50%;而电阻使用的电压，只用到允许值的50%左右。特别是在高压电路中，若考虑到由于尘埃和湿度的影响而导致漏电增多，以降低电压50%左右使用是比较安全的；在高频使用时，由于分布电容的存在，其阻值一般都要减小。通常体积小、阻值低的电阻，特性变化较少，高频特性也好。因此，在较宽频带的电路中，选用体积小的金属膜电阻，并应尽量缩短引线。不让高频信号通过高阻值的电阻。若在高频电路中使用线型电阻，则以选用低电阻为好。此外，还应注意印刷电路板的接地布置，以尽量降低电阻的对地分布电容。降额使用多用于无源元件、大功率器件、电源模块或大电流开关器件等。而它通常不适用于TTL器件，因为TTL电路对工作电压范围要求较严。

　　4 元器件的选择

　　元器件的正确选用是微机测控系统可靠性设计中的重要环节。在选择元器件时，不但要满足性能要求，而且还必须是集成度高，抗干扰能力强，功耗又小的电子器件。在系统设计中半导体器件的选择对系统的性能和可靠性影响极大。以下是半导体器件的选择原则：

　　（1）为了使半导体器件满足系统性能要求，必须深入了解元器件的电器参数。例如，对于二极管，应考虑反响电压、正向电流、反向电流、正向压降和工作频率。对于集成电路，要考虑的主要有电源电压、负载电流、输入信号电压、输出电平、环境温度、扇出数以及封装形式等。

　　（2）为了使半导体器件满足系统可靠性要求，要注意温度对器件性能的影响，通常应选择温漂小、稳定性好的元器件。

　　（3）测控系统选用集成度较高的芯片可以减少元器件的数量，使印刷电路板布局简单，减少焊接和连线，因而可大大减少故障和干扰的概率，使系统的可靠性大大提高。因此，在测控系统中，应尽量选用集成芯片，尤其是大规模集成芯片，而避免使用分离元件和小规模集成芯片。

　　（4）测控系统所处的外部环境往往有严重干扰，因此，应尽量选用抗干扰性能好的元器件。如选用CMOS器件来提高噪声容限；选用测量放大器来抑制共模干扰；选用积分型A/D来抑制工频干扰等。

　　（5）在野外作业的单片机智能化测试设备，由于采用电池供电，因此可选用功耗小的CMOS器件。

　　5 元器件装配工艺对可靠性的影响

　　测控系统中包含大量的元件和组件，它们都是通过焊点或接插连接起来的。由于连续导线数量大，焊点多，运行时一旦出现故障，往往很难迅速查明故障点。因此，优良的安装工艺是系统系统设计的重要环节。因此在测控系统中必须注意焊点质量，防止虚焊；要将较重的元件安装在印刷底板上，并使用专门紧固件，而不应靠焊锡固定；接插件也要安装可靠，保证接触良好；结构、布局要合理，各种走线（包括印刷板上的走线）要尽量缩短，并且各部件要远离热源和干扰源。

　　6 结束语

　　高可靠性产品才能满足现代技术和生产的需要 现代生产技术的发展特点之一是自动化水平不断提高。一条自动化生产线是由许多零部件组成，生产线上一台设备出了故障，则会导致整条线停产，这就要求组成线上的产品要有高可靠性，上边提到的Appolo宇宙飞船正是由于高可靠性，才一举顺利完成登月计划。现代生产技术发展的另一特点设备结构复杂化，组成设备的零件多，其中一个零件发生故障会导致整机失效。如1986年美国"挑战者"号航天飞机就是因为火箭助推器内橡胶密封圈因温度低而失效，导致航天飞机爆炸和七名宇航员遇难及重大经济损失。由此可见，只有高可靠性产品才能满足现代技术和生产的需要。