通信電子產品金屬零件芯片研制階段的可靠性設計

王 進

（山信軟件股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104）

可靠性設計貫穿于通信電子產品金屬零件芯片研發、生產、使用全生命周期，產品的可靠性設計指標一般包括工作區域溫度、存儲溫度范圍、平均無故障時間以及平均修復時間等。設計人員應當事先編制出電子產品的可靠性設計方案，并結合可靠性增長試驗數據，查找出影響產品各項性能指標的主客觀因素，以提升通信電子產品芯片的可靠性、穩定性，延長產品的使用壽命。

1 影響通信電子產品金屬零件芯片可靠性的主要因素

1.1 環境應力的影響因素

在電子產品研制階段，常常受到高溫、低溫、振動、高濕以及干燥等環境應力的影響，而導致電子元器件性能下降，功能喪失，給電子產品質量造成不利影響。環境應力對應電子產品的故障模式如表1 所示。

表1 環境應力對應電子產品的故障模式

1.2 靜電的影響

通信電子產品金屬零件芯片在研制階段，工作人員身體所攜帶的靜電壓高達幾千伏，在沒有采取防靜電措施時，工作人員接觸到電子元器件時，就會產生靜電放電現象，靜電隨著金屬部件或者接口縫隙進入到元器件的機體當中，使元器件受損，嚴重的還會發生火災等重大安全事故[1]。

為此，技術人員針對靜電放電對產品可靠性設計造成的影響，做了一個簡單測試。測試溫度為15℃～35℃，想對濕度為30%～60%，大氣壓力介于86kpa ～106kpa 之間。所用的測試設備包括靜電放電發生器、待測的電子元器件，計算機、數據掃描接收器等。測試結果如果為C 級或者D 級，根據標準要求，屬于不合格產品。測試方法是將被測的電子元器件放置在靜電測試臺的絕緣墊表面，然后選擇尖頭+/-8kv（接觸放電），圓頭+/-15kv（空氣放電），當選定測試點后，連續10 次放電，觀察數據掃描設備掃描出的數據，得出最后結論：A 產品在經歷一次電擊后，標簽立即停止工作，而其它緣部分并無影響。而B 產品在暫停工作5 秒鐘后，標簽會繼續工作。通過該測試可知，靜電放電將對電子產品的各項性能造成直接影響。

2 可靠性設計遵循的原則

通信電子產品金屬零件芯片研制階段的可靠性設計需要從定量與定性兩個方面予以考慮，其中定量分析包括對環境條件、溫升控制、電磁兼容等指標的考慮，而定性分析則是根據設計規范當中“不允許發生的事件”規定，編制“不允許發生”的設計方案，以保證產品的可靠性與穩定性。可靠性設計是一個較為復雜的過程，牽涉概率論、集合論、布爾代數等多種理論，因此，在結合這些理論的同時，應當遵循以下設計原則。

2.1 方案簡化，結構簡化

一些設計人員為了追求產品性能與指標，在設計產品開發方案時往往將關注焦點集中在產品的高尖端電子芯片性能方面，甚至選擇的研發與生產工藝并未經過專家驗證，導致產品功能性喪失。因此，在設計初始階段，應當力求產品結構簡單化、積木化、插件化，在確保產品各項性能指標滿足規范要求的同時，盡量簡化設計方案內容，并且達到降低生產成本，提高產品可靠性的目的。

2.2 選擇標準化單元電路

由于標準化單元電路技術純熟，并且經過電路應用的成功案例較多，因此，性能穩定可靠。比如在生產電子產品金屬芯片時，可以選用集成電路來代替傳統的分散式元件電路，這主要由于集中電路焊點少，密封性好，同時，已經形成標準化應用體系，相比于分散式元件電路，這種電路發生故障的概率將大幅降低。

2.3 選用嫻熟工藝

在通信電子產品芯片研制階段，盡量選用習慣式的操作方法以及已經成型的嫻熟生產工藝，如果選擇新技術、新工藝、新材料，必須做好事先驗證工作，以確保新工藝及新材料的通用性與適用性。另外，隨著數字技術水平不斷提升，近年來，線性電路已經逐步退出歷史舞臺，取而代之的數字電路具有匹配度高、可靠性好、穩定性強等優勢，被普遍應用于通信電子產品新品的生產過程當中，因此，技術人員應當不斷學習和借鑒新型數字電路的先進技術與經驗，從而確保電子產品的整機可靠性。

3 提高通信電子產品金屬芯片可靠性的有效路徑

3.1 熱設計

環境溫度指標是影響產品可靠性的主要因素之一，如果電子元器件內部溫升效應劇烈，就會造成元器件失效，而縮短電子產品的使用壽命。據調查統計數據表明，電子元器件內部溫度每升高2℃，產品可靠性就會下降10%，溫度升高50℃的產品壽命只有溫度升高25℃時的六分之一，因此，針對電子產品采取熱設計至關重要。熱設計主要是選用低功耗的元器件，減少發熱器件數量，加大加粗印刷板的寬度。另外通過散熱器、風冷、液冷、熱電致冷等降溫措施，遏制金屬電子元器件的溫升速度。

通信電子產品的整機自然散熱包括對流、輻射以及導熱等方法，機箱內的結構設計、印刷板安放以及元器件排布應當使空氣流通阻力達到最小值，電源變壓器的安裝位置應當靠近機箱殼體通風孔處，預留足夠的空間。大功率電阻的元器件底部與印刷板的安裝面距離應大于10mm，并且利用鋁型材散熱器為元器件提供一個良好的降溫環境[2]。

3.2 降額設計

降額設計就是將電子元器件可能承受的應力值降低到額定應力數值以下，不同種類的元器件，需要考慮的應力因素也有所不同，這其中包括電壓、電流、溫度、頻率、振動等等。在降額設計時，降額幅度可以分為一、二、三級降額，一級降額是元器件實際承受的應力與元器件額定應力的比值小于50%的降額，這種降額效果最為明顯，但是投入成本較高。二級降額是70%左右的降額，成本適中，降額效果較好。三級降額需要同時采取一些額外的補償措施，才能保證降額效果，因此，這種降額設計實現的難度較大。

3.3 電磁兼容設計

電磁兼容設計主要是為了避免生產設備，以及電子產品產生的電磁輻射對產品功能造成影響，也可以定義為電子產品金屬芯片的抗干擾能力設計。電磁兼容設計指標按照元器件級、電路級、模塊級、產品級的指標要求，遵循“逐級分層次”的設計原則。一般情況下，電磁干擾信號有兩種干擾方式，即傳輸耦合的路徑干擾以及輻射耦合的場干擾方式，為了切斷干擾信號的傳輸路徑，可以應用濾波來隔離和屏蔽干擾信號，或者選用相互間干擾小的設備，以提高產品的可靠性。

4 結語

提高通信電子產品金屬零件芯片可靠性的技術，還包括信號完整性設計、冗余設計、測試性與維修性設計等，因此，通信電子產品芯片的設計人員與專業技術人員在實際應用當中，應當結合產品的性能、標準規范要求，合理選用設計方法，制訂針對性強、適用性好的產品設計方案，以研制生產出更多的高品質通信電子產品。