淺談電子產(chǎn)品可靠性?xún)?yōu)化措施

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 馮永平

隨著科技的不斷進(jìn)步，電子產(chǎn)品在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，電子產(chǎn)品是否可靠將會(huì)對(duì)整體產(chǎn)品的使用體驗(yàn)帶來(lái)巨大的影響。本文通過(guò)對(duì)電子產(chǎn)品可靠性概念進(jìn)行解析，并結(jié)合實(shí)際對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性?xún)?yōu)化提出個(gè)人觀點(diǎn)，希望為關(guān)注電子產(chǎn)品可靠性?xún)?yōu)化措施的人群帶來(lái)一定的參考啟發(fā)。

1 電子產(chǎn)品可靠性

電子產(chǎn)品可靠性是指電子產(chǎn)品在既定條件、環(huán)境下持續(xù)工作能否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)以及設(shè)計(jì)要求，并無(wú)故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性，是產(chǎn)品的一種固有特性。產(chǎn)品的可靠性可以通過(guò)可靠程度、故障率和平均無(wú)故障時(shí)間來(lái)評(píng)估。通常情況下，在評(píng)價(jià)一款產(chǎn)品可靠性時(shí)，需要對(duì)產(chǎn)品整體及所有零部件的使用壽命進(jìn)行試驗(yàn)，然后將試驗(yàn)得出的參數(shù)指標(biāo)與可靠性設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，找出性能中的不足之處，并針對(duì)參數(shù)反映出的性能問(wèn)題做出修正、改進(jìn)，以此來(lái)確保電子產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)都能夠符合時(shí)代發(fā)展以及市場(chǎng)需求。電子產(chǎn)品研發(fā)人員能夠通過(guò)可靠性試驗(yàn)掌握電子產(chǎn)品與設(shè)計(jì)之初的實(shí)際差距，并將二者之間的差距不斷縮小。而在軍工產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)GJB9001中，更為嚴(yán)苛得規(guī)定了“六性”要求，在“六性”中最重要的特性就是可靠性。

1.1 可靠性技術(shù)指標(biāo)

電子產(chǎn)品可靠性通常可以用數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)進(jìn)行表達(dá)，可靠性就是電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中其各項(xiàng)性能參數(shù)與時(shí)間、環(huán)境變化之間的對(duì)比，隨著使用場(chǎng)景、使用時(shí)長(zhǎng)發(fā)生改變，電子產(chǎn)品可靠性亦將發(fā)生變化。就目前而言，電子產(chǎn)品可靠性測(cè)試通常都會(huì)將可靠度、失效率等參數(shù)作為主要參考，并通過(guò)專(zhuān)業(yè)手段、設(shè)備儀器進(jìn)行對(duì)比，這樣就可以在產(chǎn)品正式量產(chǎn)之前掌握產(chǎn)品的全方位綜合評(píng)價(jià)。總體而言，電子產(chǎn)品的可靠性測(cè)試就是在更新、研發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 電子產(chǎn)品開(kāi)展可靠性?xún)?yōu)化需要注意的問(wèn)題

（1）選擇固定電路或有一定標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。減少電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

（2）在開(kāi)展可靠性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該注意對(duì)電路以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化。

（3）在測(cè)試過(guò)程中，如出現(xiàn)故障，則必須在故障完全解決后才可進(jìn)行下一步工作，對(duì)某些重大故障或重復(fù)故障，必須采取糾正措施以杜絕同類(lèi)型故障再次發(fā)生。

（4）在對(duì)可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)站在全局角度上進(jìn)行考量，避免出現(xiàn)顧此失彼的現(xiàn)象。

2 電子產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

經(jīng)常使用產(chǎn)品在特定環(huán)境因素及特定工況下的故障頻次數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)電子產(chǎn)品的可靠性。引起故障的原因可能是技術(shù)方面的，也可能是管理方面的。對(duì)于技術(shù)方面的問(wèn)題，應(yīng)采取技術(shù)歸零的方法進(jìn)行故障閉環(huán)，優(yōu)先確定故障原因，通過(guò)故障定位、機(jī)理分析、糾正措施及同類(lèi)型產(chǎn)品的舉一反三檢查等一系列措施以解決故障，其中機(jī)理分析是關(guān)鍵，糾正措施是核心。對(duì)于管理方面的故障需要采取管理歸零的方法進(jìn)行故障閉環(huán)，明確故障過(guò)程，清晰責(zé)任人員并采取一定的懲罰措施，最后修改規(guī)章制度，為后續(xù)產(chǎn)品的可靠性提高指明正確的方向。

2.2 可靠性參數(shù)化

在對(duì)電子產(chǎn)品可靠性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要提前對(duì)電子產(chǎn)品工藝、設(shè)計(jì)等方面的參數(shù)信息進(jìn)行整理分析，并了解各項(xiàng)參數(shù)的敏感性，然后根據(jù)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求對(duì)產(chǎn)品各性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 可靠性的仿真分析

在對(duì)電子產(chǎn)品開(kāi)展可靠性仿真分析時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該將產(chǎn)品工作載荷、環(huán)境、特性等方面內(nèi)容全部輸入，其中產(chǎn)品工作載荷包括有電流、功率等內(nèi)容，環(huán)境則包括產(chǎn)品壽命、溫度、沖擊等，使電子產(chǎn)品的各種數(shù)據(jù)信息在產(chǎn)品分析模型中能夠非常清晰地表現(xiàn)出來(lái)，設(shè)計(jì)人員對(duì)溫度、機(jī)械應(yīng)力等各數(shù)據(jù)分析完畢后，則可以繼續(xù)對(duì)設(shè)備潛在故障進(jìn)行分析，并對(duì)故障出現(xiàn)時(shí)機(jī)做出推測(cè)，當(dāng)設(shè)計(jì)人員完全掌握故障機(jī)理之后，就可以對(duì)電子產(chǎn)品做出設(shè)計(jì)優(yōu)化，找出產(chǎn)品改進(jìn)的具體方向。

3 電子產(chǎn)品可靠性?xún)?yōu)化措施

3.1 生產(chǎn)過(guò)程控制

（1）特殊過(guò)程控制。電子產(chǎn)品的特殊過(guò)程主要是指產(chǎn)品合格后，不能通過(guò)后續(xù)的監(jiān)視或測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證或不能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)驗(yàn)證。在對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，如果無(wú)法科學(xué)驗(yàn)證合格程度，這將對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生一定的影響。所以為了提升電子產(chǎn)品質(zhì)量，需對(duì)電子產(chǎn)品的特殊過(guò)程加以控制，做好特殊過(guò)程的識(shí)別、確認(rèn)準(zhǔn)則的編制及確認(rèn)的實(shí)施，確保特殊過(guò)程受控、滿足要求，記錄完整、清晰并可追溯。對(duì)于某些通用特殊過(guò)程，例如印制板SMT過(guò)程，三防過(guò)程等，需要明確專(zhuān)人專(zhuān)設(shè)備生產(chǎn)，確保特殊過(guò)程控制得當(dāng)。

（2）關(guān)鍵過(guò)程控制。電子產(chǎn)品關(guān)鍵過(guò)程指對(duì)質(zhì)量特性起絕對(duì)性作用的形成過(guò)程，而起絕對(duì)性作用的某部件則為關(guān)鍵件。如果關(guān)鍵件發(fā)生故障，則容易造成重大損失，設(shè)計(jì)人員在研制階段工藝設(shè)計(jì)報(bào)告中需明確關(guān)鍵過(guò)程及關(guān)鍵件，并在生產(chǎn)圖紙中重點(diǎn)標(biāo)注。關(guān)鍵過(guò)程的檢驗(yàn)必須設(shè)置自檢和專(zhuān)檢，并統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)合格率以考核生產(chǎn)人員KPI。

（3）外協(xié)外購(gòu)管理。外協(xié)是指生產(chǎn)過(guò)程中由于本公司技術(shù)、工藝和設(shè)備等條件限制，必須由外單位協(xié)助完成的產(chǎn)品部分研發(fā)，生產(chǎn)等工作。外購(gòu)產(chǎn)品是指標(biāo)準(zhǔn)化的電子元器件等貨架產(chǎn)品。外協(xié)外購(gòu)需遵循“誰(shuí)外協(xié)，誰(shuí)負(fù)責(zé)，誰(shuí)采購(gòu)誰(shuí)負(fù)責(zé)”的質(zhì)量責(zé)任原則。在落實(shí)外協(xié)外購(gòu)單位時(shí)，需赴對(duì)方單位實(shí)地考察，并參與外協(xié)單位的過(guò)程檢驗(yàn)過(guò)程。明確外協(xié)產(chǎn)品常規(guī)檢驗(yàn)、飛行檢驗(yàn)等管理制度，做好外購(gòu)產(chǎn)品的進(jìn)貨復(fù)驗(yàn)工作，關(guān)鍵原材料、零部件必須100%復(fù)驗(yàn)。

（4）技術(shù)狀態(tài)管理。產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)分為功能特性及物理特性，功能特性指產(chǎn)品的性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)約束條件和使用保障要求。物理特性是指產(chǎn)品的形狀、尺寸、重量等。由設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)識(shí)別、控制、審核工作。技術(shù)狀態(tài)的更改必須執(zhí)行“論證充分、試驗(yàn)驗(yàn)證、各方認(rèn)可、落實(shí)到位”四條原則。

3.2 FMEA分析

失效模式與影響分析（FMEA）可以評(píng)價(jià)、分析各種有可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)情況，然后結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)消除風(fēng)險(xiǎn)，將風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的影響控制在能夠接受的水平。這種分析方法已經(jīng)在各行各業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用，通過(guò)找出產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用中的失效風(fēng)險(xiǎn)以及風(fēng)險(xiǎn)能夠帶來(lái)的結(jié)果，可以幫助設(shè)計(jì)人員有針對(duì)性地解決失效問(wèn)題，增加電子產(chǎn)品質(zhì)量。FMEA可以通過(guò)表格協(xié)助設(shè)計(jì)人員完成數(shù)據(jù)分析處理，從而令設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)期間提前掌握設(shè)計(jì)方案中的缺陷以及影響，以此來(lái)提前制定解決方案，避免因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品失效、性能下降而受到影響。失效模式影響分析主要內(nèi)容如下：

（1）失效模式。自下而上的歸納分析法，評(píng)價(jià)產(chǎn)品中的每一個(gè)零部件產(chǎn)生故障對(duì)整體產(chǎn)品的影響，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，提供改進(jìn)優(yōu)化方案。

（2）失效效應(yīng)。分析各種故障模式，掌握故障對(duì)上層模塊和最終系統(tǒng)的影響，掌握部件之間的故障相關(guān)性，掌握改進(jìn)和優(yōu)化的關(guān)鍵。

（3）關(guān)鍵性分析，在對(duì)所有失效模式根據(jù)嚴(yán)重程度、出現(xiàn)概率進(jìn)行評(píng)估之后需要進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)這種方式能夠確定制定優(yōu)化措施時(shí)的先后順序。

（4）最壞情況。設(shè)計(jì)人員對(duì)電路組成部分參數(shù)的容差范圍進(jìn)行分析之后，能夠找出組合中的最壞情況，從而了解鏈路中有可能出現(xiàn)的性能參數(shù)偏差，通過(guò)利用已知參數(shù)的變化極限能夠預(yù)測(cè)出各項(xiàng)性能參數(shù)的變化數(shù)值，為零部件后續(xù)優(yōu)化帶來(lái)改進(jìn)方向，增加產(chǎn)品可靠性。

3.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于電子產(chǎn)品面對(duì)的工作環(huán)境各不相同，所以在對(duì)其電路進(jìn)行可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要將產(chǎn)品可靠性需求放在首位，確保制定出的設(shè)計(jì)方案能夠有效滿足電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。例如電子產(chǎn)品在日常運(yùn)行期間需要面對(duì)持續(xù)振動(dòng)、沖擊，則在設(shè)計(jì)過(guò)程中就要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、接插件選型等方面入手，以此來(lái)確保電子產(chǎn)品符合實(shí)際要求。除此之外，還要在優(yōu)化設(shè)計(jì)期間結(jié)合當(dāng)前已有的技術(shù)、理論，將已經(jīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的通用設(shè)計(jì)方法、原則融入到產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中，此類(lèi)設(shè)計(jì)方法如下：

（1）通用設(shè)計(jì)要求。在優(yōu)化設(shè)計(jì)期間需要針對(duì)防反接、過(guò)流保護(hù)等內(nèi)容進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

（2）熱設(shè)計(jì)。對(duì)于電子產(chǎn)品而言，導(dǎo)致其出現(xiàn)失效情況的主要原因之一便是熱應(yīng)力。高溫環(huán)境會(huì)使絕緣材料性能下降，元器件損壞，低熔點(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落等，在設(shè)計(jì)期間，應(yīng)該在降低功率損耗的同時(shí)合理利用熱傳導(dǎo)、對(duì)流設(shè)計(jì)等方法來(lái)優(yōu)化電子產(chǎn)品的工作溫度，減少溫度對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響。

（3）電磁兼容。在設(shè)計(jì)期間，通過(guò)優(yōu)化電路抗擾度能夠有效提升電子產(chǎn)品在復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)的可靠性，設(shè)計(jì)人員需要專(zhuān)門(mén)對(duì)電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)等多角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行樣機(jī)電磁兼容測(cè)試，以達(dá)到產(chǎn)品的電磁兼容要求。

（4）簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。產(chǎn)品越復(fù)雜，產(chǎn)品單元零件越多，產(chǎn)品的固有可靠性就越低。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，保證必要功能的前提下，減少硬件或者軟件的數(shù)量，去掉多余或不必要的功能，可以有效提高可靠性。

（5）可制造性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中必須結(jié)合當(dāng)前的工藝水平，避免產(chǎn)品在方案正式實(shí)施之后無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在PCB設(shè)計(jì)結(jié)束之后要對(duì)方案進(jìn)行檢查，然后結(jié)合設(shè)計(jì)報(bào)告來(lái)修改設(shè)計(jì)方案。

（6）結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)。電路板安裝結(jié)構(gòu)、防護(hù)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，若方案不夠嚴(yán)謹(jǐn)，就有可能導(dǎo)致電子產(chǎn)品電路板以及元器件在機(jī)械應(yīng)力下出現(xiàn)損傷。

（7）余度設(shè)計(jì)。對(duì)某一特別重要的功能，有必要采用多種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。只有在各個(gè)方案均出現(xiàn)故障時(shí)，產(chǎn)品才會(huì)喪失該重要功能。采用余度設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致產(chǎn)品成本的上升，并與第四點(diǎn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)相矛盾，設(shè)計(jì)人員必須權(quán)衡利弊后再考慮是否采用余度設(shè)計(jì)。

（8）降額設(shè)計(jì)。使產(chǎn)品元器件工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷?guī)定的額定值，其中關(guān)鍵元器件可采用60%降額使用，降額設(shè)計(jì)有效降低了元器件老化速率，降低整體產(chǎn)品故障率。

結(jié)論：總而言之，在電子產(chǎn)品運(yùn)行期間，其可靠性非常關(guān)鍵。了解電子產(chǎn)品可靠性能夠?qū)㈦娮赢a(chǎn)品的使用壽命、性能參數(shù)完全發(fā)揮出來(lái)，因?yàn)楦鶕?jù)可靠性不同，產(chǎn)品的適用范圍同樣有所不同。相信當(dāng)更多人了解到可靠性的作用之后，電子產(chǎn)品質(zhì)量一定會(huì)變得更好。