《电子设备维修技术第2版 教学课件 ppt 作者 陈梓城 主编 4.电子产品可靠性、故障宏观规律及电子设备故障机理分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子设备维修技术第2版 教学课件 ppt 作者 陈梓城 主编 4.电子产品可靠性、故障宏观规律及电子设备故障机理分析（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子设备维修技术,1.4 电子产品可靠性、故障宏观规律及电子设备故障机理分析,电子产品可靠性及其故障的宏观规律 电子设备的故障机理分析 提高电子设备可靠性的方法,所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定时间内完成规定功能的能力。一个产品，尽管各项基本性能指标都很先进，但不可靠，返修率很高，就无实际使用价值，肯定不受用户欢迎而被淘退。产品所具有的基本性能是反映产品质量的一个方面，而能否可靠耐用，即可靠性如何，是反映产品质量的另一方面。 通常以概率统计的近似方法描述可靠性，用以下几个特征量来衡量、表述。,1.可靠度可靠度是产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。它是时间的函数，记作，也称
2、可靠度函数，即 式中，N为产品总数；n(t)为t时刻失效的产品数；N(t)为t时刻仍在正常工作的产品数。,2.累积失效概率累积失效概率又称不可靠度。是指产品在规定的时间内失效的概率。也可表述为“产品在规定的条件下和规定的时间内，完不成规定功能的概率”，即 则:,3.瞬时失效率及故障宏观规律 瞬时失效率简称失效率，是指产品到t时刻，单位时间内发生失效的概率。它是时间的函数，故又称为失效率函数。 各种电子元器件及电子产品的失效曲线随时间的推移，形成类似“浴盆”的形状，故称为“浴盆曲线”，如图1-3所示。人们把产品失效率大体分为三个失效期。,(1)早期失效期 这一阶段失效率高且随时间增加而下降。这一
3、时期的失效由元器件材料缺陷和生产工艺不良引起。为降低这一时期的失效率，提高可靠性，在企业生产过程中，采用元器件老化筛选工艺对元器件进行筛选 (2)偶然失效期 偶然失效期失效率低，而且稳定，近似为常数，这一阶段时间长。产品可靠性指标所描述的也是这一时期的失效率。这一时期又称工作期。 (3)耗损失效期 在工作期后产品进入衰老阶段，平均失效率随时间而增大。此阶段表现为机械零件磨损、元器件大量衰老，故又称为衰老期。,图1-3所示的电子产品失效曲线反映了电子产品故障宏观规律，即早期的故障由高到低，在偶然失效期处于平稳且失效率低，到了衰老期故障增多。 我们在三个失效期中，最为关心的应是偶然失效期。并用偶然
4、失效期失效率来表示故障发生的概率。失效率为单位时间内平均故障数，为常数。可用下式计算： 式中，为产品失效数；T为受试验产品数与试验时间(小时数)的乘积，简称产品小时数。,电子元器件失效率常用“Fit”作为单位，1Fit=10-9/h。就是100万个元器件应用1千小时有一个失效，就叫1Fit。 例如，10000个产品试验1000h失效产品有2个，代入上式计算,4.平均寿命 在概念上,对于可修复产品而言，平均寿命是平均无故障工作时间，通常记作MTBT(Mean Time Between Failure)。寿命是指两次相邻失效(故障)间的工作时间，而不是指每个产品报废的时间。 对于不可修复产品而言，
5、它的寿命的平均值，记作MTTF(Mean Time To Failure)，称为平均到达损坏时间。 电子设备通常用特征量MTBF来描述可靠性。,MTBF= 式中，ti为第i个产品无故障工作时间；N为产品个数。 此外还可导出：MTBF= 式中，i为第i个元器件的失效率；n为整机所用元器件总数。 当今电子设备的可靠性用MTBT来表征，如20世纪80年代我国要求彩电不小于15000小时，收音机不小于2000小时，若达不到这一要求，不允许生产和销售。目前，上述两种产品的可靠性远超过这规定值。,5. 可维修性与可用性 在可靠性上，不仅要求系统尽可能少地出现故障，还希望在出现故障后能及时发现，并在尽量短的
6、时间内给予修复。因此，除用MTBF来描述可靠性外，还引入可维修性这一概念，用平均修复时间MTTR(Mean Time To Repair)来定量描述。 MTTR是一个统计值，式中，n为维修次数；ti为第i次维修所用时间 MTTR=,可用性是指系统在某具体时刻具有维持规定功能的能力。可用性也称为有效性，它包含两方面的含义： 故障少，即MTBF大。 发生故障后能及时修复，即MTTR小。通常用A表示可用性，并定义如下： A= 100%,用可用性A来评估系统的可靠性更为全面。提高系统的可靠性，不能单纯地增大MTBF，还要减小MTTR。 亦即在设计、研制、生产电子设备的过程中，不仅要努力提高MTBF，还
7、应在设计阶段起就应考虑电子设备的可修复性。,电子产品可靠性及其故障的宏观规律 电子设备的故障机理分析 提高电子设备可靠性的方法,电子设备产生故障的主要原因为： 一是设备本身有缺陷； 二是设备使用的外部条件恶劣，超过设计容限。 具体来说，形成电子设备故障的机理主要为： 元器件失效。 设计缺陷。 制造工艺缺陷。 使用维护不当。 人为因素和环境因素。,元器件失效是电子设备产生故障的主要原因之一。统计资料表明，元器件失效约占电子设备整机故障的40左右。引起元器件失效的主要原因为： 元器件本身可靠性低，筛选不严和苛刻的环境条件等。 对可编程集成器件芯片，若软件编程错误或有病毒侵害，会导致软件无法正常运行
8、而瘫痪，使元器件失效； 恶劣的环境条件，会导致元器件失效，如电磁干扰、振动、高温等。,(1)电阻器失效模式与机理 电阻器是电子设备中使用量很大，且为发热的元器件，所以电阻器失效是引发电子设备故障概率中占有一定比例。其失效原因与电阻器的结构、工艺特点、使用条件密切相关。 电阻器的失效模式可分为致命失效和参数漂移失效两大类。且致命失效占很大比重，常见的有：断路、机械损伤、接触损坏、短路和击穿等。,电阻器的构造不同，其失效机理亦有所不同。 1）非线绕固定电阻器 碳膜电阻器的失效机理为：引线断裂、电阻膜层不均匀、膜材料与引线端接触不良、基体缺陷等；金属膜电阻器的失效机理主要为：电阻膜不均匀、电阻膜破裂
9、、基体破裂、电阻膜分解、静电荷作用等。 2）线绕电阻器 其失效机理为：接触不良、电流腐蚀、引线不牢、焊点熔解等。 3）可变电阻器 其失效机理为：接触不良、焊接不良、引线脱落、杂质污染、环氧树脂质量差等。,(2)电容器故障模式 常见的电容器故障模式有：击穿、开路、参数退化、电解液泄漏、和机械损伤等。各类失效模式的失效机理各不相同。 在工作实际中，电容器是在工作应力和环境应力的综合作用下工作的，有时会产生一种或几种故障模式和失效机理，还会由一种失效模式导致另外的失效模式或失效机理的发生。各种失效模式有时相互影响。电容器的失效与产品的类型、结构、制造工艺及工作环境条件等诸多因素有关。,(3)电感和变
10、压器类故障模式 此类元件包括电感器、变压器、振荡线圈、滤波线圈等。其故障多由外界原因所引起的。例如，因负载短路，流过线圈的电流超过额定值，变压器温度升高，造成线圈过热漆包线漆层绝缘破坏而短路,漆包线绕制损伤处断路等。当通风不良、温度过高或受潮时，亦会产生漏电、绝缘击穿或极细漆包线霉断等故障。,(4) 分立半导体器件故障 分立半导体器件主要包括普通二极管、整流二极管、晶体管、稳压管、晶闸管、场效应晶体管等。常见故障: 1）击穿。以上器件内部均有PN结，正常情况下，PN结具有单向导电性，当PN结击穿后正反向电阻大小相等或相近。稳压二极管正常工作时工作于反向击穿区，反偏电压撤消后，PN结能恢复正常状
11、态，因反向电流过大，会使PN结损坏，不能稳压。 2）开路。晶体管开路往往是因通过管子的电流过大所致。 3）放大倍数等主要性能参数变化。分立半导体器件的主要参数离散性很大，主要参数值会在很大范围内变化。在过热、外接电压极性瞬时反接等情况下，尽管管子没损坏，但会使主要性能参数变差，性能下降。,(5)集成电路芯片的失效模式与失效机理 集成电路芯片失效模式有：电极的故障与失效；封装裂缝；电参数漂移；不能正常工作等几大类。 1）电极的故障与失效 。其中：电极开路、时通时断是因电极间金属迁移，电蚀及制造工艺有问题所致；电极内部短路等主要原因是电极间金属电扩散，金属化工艺缺陷，或制造时电极落入外来异物等；引
12、线折断主要原因为线径不均匀，引线强度不够，热应力和机械应力过大和电蚀等；可焊性差主要原因是引线材料缺陷、引线金属电镀层不良、引线表面污染、腐蚀、氧化等。 2）封装裂缝。主要是封装工艺有缺陷和环境应力过大等所致。 3）电参数漂移。主要原因是原材料缺陷，可移动离子引发的反应等。 4）不能正常工作。一般是因工作环境条件因素造成的。,(6)接触件失效模式和失效机理 接触件是用机械压力使导体与导体之间彼此接触并有导通电流功能的元件的总称。其中包括：开关、插接件、继电器和交流接触器等 接触件是电子元器件中可靠性较差的元器件，它们是电子设备或系统可靠性不高的关键所在。应成为电子设备设计、制造、维修者的重点关
13、注对象。 一般来说，开关和接插件以机械故障为主，电气失效为次，主要是因机械磨损、机械疲劳和腐蚀所致。而接点故障、机械失效等则是继电器等接触件的常见故障模式。,2.设计缺陷 设计缺陷是形成电子设备故障的重要原因之一。即使电子元器件质量很好，如设计存在缺陷，生产出的电子设备同样会产生故障。 常见的设计故障有：抗干扰设计存在问题；通风散热设计差；精度设计考虑不周；产品耐环境设计差；电路设计不合理；元器件选择计算没有降额或降额幅度不够等。 例如，有些电子设备在实验室能正常工作，而到电磁污染严重、大电流设备频繁起动的使用现场却无法工作，其原因就是抗干扰设计不到位。,3.制造工艺缺陷 制造工艺缺陷也是造成
14、电子设备故障的原因之一。常见的制造工艺缺陷有： 1）焊接缺陷。如虚焊、漏焊和错焊，经常调整和强振动部位处焊接不良等。 2）元器件、材料挑选不当和元器件未经老化或老化工艺问题。 3）产品出厂前关键性能参数调整和校验不当。 4）设备的组件组装不合理等。,4.人为因素和环境因素 人为因素主要是指电子设备的装配、调试人员和维修人员，不按规定的操作规程组装、调试、使用电子设备而形成的人为故障。 环境因素是因使用条件恶劣，导致电子设备故障产生。如高温、强振、强烈电磁干扰等影响，超出电子设备的设计要求，使之不能正常工作。,电子产品可靠性及其故障的宏观规律 电子设备的故障机理分析 提高电子设备可靠性的方法,为
15、提高电子设备的可靠性，应在设计时除采用可靠性设计原则、合理选用元器件外，还应采用元器件老化筛选、降额设计和其他可靠性保障措施，如热设计、瞬态过应力防护设计、可维护性设计、电气互连的可靠性设计、机械防振设计和气候环境防护设计、电磁兼容性(抗干扰)设计等。 本节仅对元器件筛选和降额设计进行介绍。,老化筛选的原理及作用:给电子元器件施加热、电、机械的或多种结合的外部应力，模拟恶劣的工作环境，使它们内部潜在的故障加速提前暴露出来，然后进行电气参数测量，筛选剔除失效或变值的元器件，尽可能把早期失效消灭在正常使用之前。 在电子设备整机厂，广泛使用的老化筛选项目有：高温存储老化、高低温循环老化、高低温冲击老
16、化和高温功率老化等，其中高温功率老化是目前使用最多的试验项目。高温功率老化是给元器件通电，模拟它们在实际电路中的工作条件，再加上+80180之间的高温进行几小时至几十小时的老化，它是对元器件多种潜在故障均有筛选作用的有效方法。老化一般在由专业厂家生产的老化设备中进行。 人们发现，对于一些如电阻、晶体管等多数电子元器件，在使用前经过一段时间如一年的储存，其内部也会产生化学反应及机械应力释放等变化，使其性能参数趋于稳定，这种情况称为自然老化或自然存储老化。一般，军品所用元器件大多采购后存储一年，再进行其他老化筛选工艺。,考虑到元器件参数的分散性、电子系统工作条件的变化和其他不可知的因素，为提高可靠性，保证元器件能工作在额定的应力之下，在电路设计时必须采用降额设计。降额设计是电子设备可靠性设计常用的方法。 降额设计就是把器件的额定参数乘以一个小于1的系数后再使用，也就是留有一定的余量。 降额设计可减小器件所承受的应力，可显著地降低元器件的失效率,降低元器件因意外因素而工作在额定参数之上的概率。通常用降额系数来表示降额设
