王 進(jìn)

（山信軟件股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 271104）

可靠性設(shè)計(jì)貫穿于通信電子產(chǎn)品金屬零件芯片研發(fā)、生產(chǎn)、使用全生命周期，產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)一般包括工作區(qū)域溫度、存儲(chǔ)溫度范圍、平均無(wú)故障時(shí)間以及平均修復(fù)時(shí)間等。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)事先編制出電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，查找出影響產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)的主客觀(guān)因素，以提升通信電子產(chǎn)品芯片的可靠性、穩(wěn)定性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

1 影響通信電子產(chǎn)品金屬零件芯片可靠性的主要因素

1.1 環(huán)境應(yīng)力的影響因素

在電子產(chǎn)品研制階段，常常受到高溫、低溫、振動(dòng)、高濕以及干燥等環(huán)境應(yīng)力的影響，而導(dǎo)致電子元器件性能下降，功能喪失，給電子產(chǎn)品質(zhì)量造成不利影響。環(huán)境應(yīng)力對(duì)應(yīng)電子產(chǎn)品的故障模式如表1 所示。

表1 環(huán)境應(yīng)力對(duì)應(yīng)電子產(chǎn)品的故障模式

1.2 靜電的影響

通信電子產(chǎn)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(dá)幾千伏，在沒(méi)有采取防靜電措施時(shí)，工作人員接觸到電子元器件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象，靜電隨著金屬部件或者接口縫隙進(jìn)入到元器件的機(jī)體當(dāng)中，使元器件受損，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生火災(zāi)等重大安全事故[1]。

為此，技術(shù)人員針對(duì)靜電放電對(duì)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)造成的影響，做了一個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)試。測(cè)試溫度為15℃～35℃，想對(duì)濕度為30%～60%，大氣壓力介于86kpa ～106kpa 之間。所用的測(cè)試設(shè)備包括靜電放電發(fā)生器、待測(cè)的電子元器件，計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)掃描接收器等。測(cè)試結(jié)果如果為C 級(jí)或者D 級(jí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，屬于不合格產(chǎn)品。測(cè)試方法是將被測(cè)的電子元器件放置在靜電測(cè)試臺(tái)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(dāng)選定測(cè)試點(diǎn)后，連續(xù)10 次放電，觀(guān)察數(shù)據(jù)掃描設(shè)備掃描出的數(shù)據(jù)，得出最后結(jié)論：A 產(chǎn)品在經(jīng)歷一次電擊后，標(biāo)簽立即停止工作，而其它緣部分并無(wú)影響。而B(niǎo) 產(chǎn)品在暫停工作5 秒鐘后，標(biāo)簽會(huì)繼續(xù)工作。通過(guò)該測(cè)試可知，靜電放電將對(duì)電子產(chǎn)品的各項(xiàng)性能造成直接影響。

2 可靠性設(shè)計(jì)遵循的原則

通信電子產(chǎn)品金屬零件芯片研制階段的可靠性設(shè)計(jì)需要從定量與定性?xún)蓚€(gè)方面予以考慮，其中定量分析包括對(duì)環(huán)境條件、溫升控制、電磁兼容等指標(biāo)的考慮，而定性分析則是根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中“不允許發(fā)生的事件”規(guī)定，編制“不允許發(fā)生”的設(shè)計(jì)方案，以保證產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)定性?？煽啃栽O(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，牽涉概率論、集合論、布爾代數(shù)等多種理論，因此，在結(jié)合這些理論的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。

2.1 方案簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

一些設(shè)計(jì)人員為了追求產(chǎn)品性能與指標(biāo)，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方案時(shí)往往將關(guān)注焦點(diǎn)集中在產(chǎn)品的高尖端電子芯片性能方面，甚至選擇的研發(fā)與生產(chǎn)工藝并未經(jīng)過(guò)專(zhuān)家驗(yàn)證，導(dǎo)致產(chǎn)品功能性喪失。因此，在設(shè)計(jì)初始階段，應(yīng)當(dāng)力求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、積木化、插件化，在確保產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求的同時(shí)，盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案內(nèi)容，并且達(dá)到降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品可靠性的目的。

2.2 選擇標(biāo)準(zhǔn)化單元電路

由于標(biāo)準(zhǔn)化單元電路技術(shù)純熟，并且經(jīng)過(guò)電路應(yīng)用的成功案例較多，因此，性能穩(wěn)定可靠。比如在生產(chǎn)電子產(chǎn)品金屬芯片時(shí)，可以選用集成電路來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散式元件電路，這主要由于集中電路焊點(diǎn)少，密封性好，同時(shí)，已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用體系，相比于分散式元件電路，這種電路發(fā)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(chǎn)品芯片研制階段，盡量選用習(xí)慣式的操作方法以及已經(jīng)成型的嫻熟生產(chǎn)工藝，如果選擇新技術(shù)、新工藝、新材料，必須做好事先驗(yàn)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(shù)字技術(shù)水平不斷提升，近年來(lái)，線(xiàn)性電路已經(jīng)逐步退出歷史舞臺(tái)，取而代之的數(shù)字電路具有匹配度高、可靠性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被普遍應(yīng)用于通信電子產(chǎn)品新品的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)不斷學(xué)習(xí)和借鑒新型數(shù)字電路的先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，從而確保電子產(chǎn)品的整機(jī)可靠性。

3 提高通信電子產(chǎn)品金屬芯片可靠性的有效路徑

3.1 熱設(shè)計(jì)

環(huán)境溫度指標(biāo)是影響產(chǎn)品可靠性的主要因素之一，如果電子元器件內(nèi)部溫升效應(yīng)劇烈，就會(huì)造成元器件失效，而縮短電子產(chǎn)品的使用壽命。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電子元器件內(nèi)部溫度每升高2℃，產(chǎn)品可靠性就會(huì)下降10%，溫度升高50℃的產(chǎn)品壽命只有溫度升高25℃時(shí)的六分之一，因此，針對(duì)電子產(chǎn)品采取熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。熱設(shè)計(jì)主要是選用低功耗的元器件，減少發(fā)熱器件數(shù)量，加大加粗印刷板的寬度。另外通過(guò)散熱器、風(fēng)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(chǎn)品的整機(jī)自然散熱包括對(duì)流、輻射以及導(dǎo)熱等方法，機(jī)箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、印刷板安放以及元器件排布應(yīng)當(dāng)使空氣流通阻力達(dá)到最小值，電源變壓器的安裝位置應(yīng)當(dāng)靠近機(jī)箱殼體通風(fēng)孔處，預(yù)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(yīng)大于10mm，并且利用鋁型材散熱器為元器件提供一個(gè)良好的降溫環(huán)境[2]。

3.2 降額設(shè)計(jì)

降額設(shè)計(jì)就是將電子元器件可能承受的應(yīng)力值降低到額定應(yīng)力數(shù)值以下，不同種類(lèi)的元器件，需要考慮的應(yīng)力因素也有所不同，這其中包括電壓、電流、溫度、頻率、振動(dòng)等等。在降額設(shè)計(jì)時(shí)，降額幅度可以分為一、二、三級(jí)降額，一級(jí)降額是元器件實(shí)際承受的應(yīng)力與元器件額定應(yīng)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(jí)降額是70%左右的降額，成本適中，降額效果較好。三級(jí)降額需要同時(shí)采取一些額外的補(bǔ)償措施，才能保證降額效果，因此，這種降額設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的難度較大。

3.3 電磁兼容設(shè)計(jì)

電磁兼容設(shè)計(jì)主要是為了避免生產(chǎn)設(shè)備，以及電子產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)產(chǎn)品功能造成影響，也可以定義為電子產(chǎn)品金屬芯片的抗干擾能力設(shè)計(jì)。電磁兼容設(shè)計(jì)指標(biāo)按照元器件級(jí)、電路級(jí)、模塊級(jí)、產(chǎn)品級(jí)的指標(biāo)要求，遵循“逐級(jí)分層次”的設(shè)計(jì)原則。一般情況下，電磁干擾信號(hào)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(chǎng)干擾方式，為了切斷干擾信號(hào)的傳輸路徑，可以應(yīng)用濾波來(lái)隔離和屏蔽干擾信號(hào)，或者選用相互間干擾小的設(shè)備，以提高產(chǎn)品的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

提高通信電子產(chǎn)品金屬零件芯片可靠性的技術(shù)，還包括信號(hào)完整性設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、測(cè)試性與維修性設(shè)計(jì)等，因此，通信電子產(chǎn)品芯片的設(shè)計(jì)人員與專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合產(chǎn)品的性能、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，合理選用設(shè)計(jì)方法，制訂針對(duì)性強(qiáng)、適用性好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，以研制生產(chǎn)出更多的高品質(zhì)通信電子產(chǎn)品。