恶劣环境下的工程可靠性保证：标准与实施细则

在当今世界，我们依靠电子设备和组件在需要时按预期运行，但可靠性要求随不同应用而异。例如，用于跟踪健身数据的简单智能手表的可靠性要求与用于患者监测的医疗设备的可靠性要求有很大不同，对于患者监测来说，设备故障可能会产生严重后果。

图源：Mirko Vitali/Stock.adobe.com

虽然有许多安全性和可靠性标准与组织，但电气工程师必须了解高可靠性电子元件的不同筛选级别，以确保其设计符合所需的标准。

设计中所选组件的筛选和可靠性水平可能因应用的特定需求而异，因此选择正确的组件至关重要。组件必须能够承受其预期用途的环境条件，包括极端温度、振动和冲击。此外，必须对它们进行测试，以确保它们符合所需的安全性和可靠性标准。

机械部件存在各种可靠性标准，例如密封外壳和耐冲击/振动的能力。尽管如此，您选择（或需要）遵守的标准也会有所不同，具体取决于特定应用。在本文中，我们将重点介绍电子系统和组件的不同筛选级别，并指导您选择适合特定应用的组件。

通过标准实现可靠性

设计工程师必须熟悉电子元件的主要通用可靠性和安全标准机构。该领域最重要的两个机构是国际标准化组织 (ISO) 和国际电工委员会 (IEC)。ISO成立于1947年，拥有800多个委员会，已发布的国际标准超过24500项。同样，IEC成立于1906年，最初主要负责电气和电子元件的术语、符号、额定值及初步标准的标准化。虽然详细讨论这两个机构的众多成就超出了本文的范围，但关键是要认识到这两个组织在确保电子元件和系统的安全性和可靠性方面的重要性。

随着技术的发展，出现了许多其他关于PCB和系统可靠性的标准，例如印刷电路学会 (IPC) 的印刷电路板 (PCB) 标准。由于可靠性与互连数量成反比，因此这些互连的介质（即PCB）会极大地影响整体系统的可靠性。IPC标准涵盖维修、可焊性、模板设计等等诸多方面。制造PCB所积累的技术，甚至高频PCB设计等特定应用限制，全部都收录在了IPC标准中（图1）。熟悉这些标准有助于设计符合所需安全性和可靠性标准的电子系统和组件。

图 1：由于可靠性与系统中的互连数量成反比，因此互连是影响电子系统可靠性的重要因素。（图源：贸泽电子）

军用和高可靠性标准及筛选

在设计生命攸关的医疗、汽车、航空航天和军事设备时，确保最高水平的可靠性和安全性是重中之重。军事和设备制造商已经建立了自己的词汇和筛选标准，例如商用现货 (COTS)、电子设备工程联合委员会 (JEDEC)、汽车电子委员会资格 (AEC-Q)、军用性能规范 (MIL-PRF) 以及最严格的军用标准，陆海军通用标准 (JAN)。轨道和航空航天设计必须满足对抗辐射 (rad-hard) 电子设备的更严格要求，这些电子设备提供对高能宇宙粒子的辐射耐受性。大气层主要保护地面设备，因此太空卫星、探测器和飞船需要进行抗辐射设计以满足最严苛的要求。

这些标准中的每一个都有不同级别的筛选和测试，以确保在各种应用中的高可靠性。例如，AEC-Q根据组件类型和预期用途规定了筛选水平。安全关键系统中使用的部件，如安全气囊或防抱死制动器，需要比非安全关键系统中使用的部件更严格的检查。虽然不是专门为军事或航空航天应用而设计的，但COTS组件应该是可靠的，并且通常按照JEDEC或IPC等行业标准进行测试，以确保它们满足某些可靠性阈值。同样，MIL-PRF具有几个不同的筛选级别，从非关键应用的基本筛选到航空电子设备等关键系统的严格筛选。通过 MIL-PRF筛选过程的组件被指定为JAN组件，并且根据预期用途和所需的可靠性级别，JAN组件有多个筛选级别。

符合JAN标准的组件必须要通过MIL-S-19500流程，虽然它们更难获得且成本更高，但它们可以提供最高级别的保证。此类产品（如 JANTX、JANTXV 和 JANS）在使用前经过电源调节和压力测试，以消除有缺陷或可能出现故障的部件。这些组件遵守与粒子撞击相关的标准，这些撞击已被证明会降解和劣化半导体材料，逆转存储单元的状态并导致故障。抗辐射规范描述了此类设备的质量、屏蔽和保证验证。

半导体可靠性

半导体具有特定的可靠性问题，需要设计工程师的关注。虽然基本原理（即防止过压和过流，在指定的温度和振动范围内工作）仍然适用，但处理和焊接技术对于高密度半导体更为关键。

半导体制造商长期以来一直警告静电灵敏度，但早期的半导体相对坚固，可以承受反复的压力。例如，晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 芯片使用强大的双极晶体管技术，可以承受静电放电。然而，随着互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术的引入及其更高的密度，情况发生了变化。特别是使用低压工艺技术，现代CMOS 1.8V微处理器内核无法承受压力。20世纪60年代后期发布的12V 4000V系列CMOS部件更具弹性，但尺寸更小的现代设备更容易损坏。

电源轨保护、缓冲以及启动和关断期间的波形控制等设计实践对于确保高密度CMOS器件的可靠性至关重要。另外还应仔细考虑板对板接口，以防止对组件施加应力。通常不需要屏蔽，除非设计受到高电磁干扰/射频干扰 (EMI/RFI) 场的影响，或者FCC/TÜV测试时存在辐射问题。但是，数据和时钟线上的扼流圈有助于降低发出的噪声。

正确的处理和焊接技术对于高密度半导体也至关重要。制造业已经对工人和机器采取了防静电措施来保护敏感部件。例如，技术人员和装配工需要佩戴防静电腕带，并使用防静电垫来防止电荷积聚在工作表面上。这些措施有助于尽可能降低静电放电 (ESD) 的风险，避免损坏敏感的半导体元件。

此外，随着现代半导体器件几何形状的缩小，封装的热性能和管理变得更加关键。高密度半导体在更小的封装中产生更多的热量，并且必须散发出去以防止热失控，这可能导致器件过早失效。适当的散热和冷却技术，包括热界面材料，有助于确保高密度半导体的可靠性。

总之，通过适当的处理、焊接和设计实践，设计工程师可以尽量提高现代半导体的可靠性。通过结合最佳实践并考虑每个应用的特定要求，工程师可以确保其设计符合所需的安全性和可靠性标准。

什么最适合您的设计？

那么，如何为您的应用选择合适的可靠性等级呢？ 第一步是确定系统或应用的重要性。它是安全气囊或防抱死制动器等安全关键系统吗？ 还是像收音机或娱乐显示器这样的非关键系统？ 这将帮助您确定合适的筛选级别。第二步是考虑组件将承受的环境因素。它会暴露在极端温度、冲击、振动或其他恶劣条件下吗？ 必须对承受恶劣环境的部件进行筛选，以获得更高的可靠性水平。考虑组件的成本也很重要。更高级别的可靠性通常伴随着更高的价格，因此在必要的可靠性级别与项目预算之间取得平衡非常重要。

了解高可靠性电子元件的正确可靠性等级可能是一项令人生畏的任务，但了解不同的筛选级别并考虑系统的关键性、环境因素和成本有助于更轻松地做出决定。

您服务的细分市场通常会决定必要的可靠性水平。从您选择的元件开始，电阻器是设计中最常见的元件之一。有许多类型的电阻器可供选择，只要它们经过处理和适当焊接，并且其工作电路中没有过度压力，那么都是可靠的。电阻器可靠性的两个主要方面是精度和额定温度。贸泽电子等代理商网站上的选购指南可帮助您轻松选择所需的精度等级。虽然可以使用低精度上拉电阻，但模拟和音频等敏感电路需要更高的精度。碳复合材料和绕线电阻器最为坚固，可以承受最多的压力，而在使用密封的微调电位器时，可变电阻器的可靠性最高。

电容器是影响电路可靠性的另一个主要因素。与电阻器一样，有许多电容器技术可供选择，设计人员必须为设计选择最佳的一种。电容器具有广泛的值范围，必须正确处理和焊接才能可靠。它们还具有精度容差；但有些电容器，如电解电容器，具有以小时计的额定使用寿命。虽然低容差应用可以使用精度较低的组件，但RF和模拟电路需要更高的精度才能有效工作。设计人员必须采用优秀的设计实践和电路保护器件，以确保电容器不会暴露在可能导致其爆炸的过压条件下。

其他无源元件，如电感器、线圈和变压器，通常坚韧且有弹性，但适当的焊接也极为重要。绕组过热会破坏绝缘涂层，导致短路和值变化。电感器需要得到与电路中的电阻器和电容器相同的重视，并且不应因过压或过流而过驱动。确保它们始终在其额定温度范围内运行非常重要。

结语

高可靠性电子元件的选择有很多。从AEC-Q到COTS，再到MIL-PRF和JAN，为各种应用选择正确的可靠性等级可能要求很高。但选择正确的组件并遵守特定的可靠性标准对于确保电子设备在苛刻的条件下能够可靠地运行至关重要。工程师在为组件选择适当的筛选级别时，必须考虑系统的关键性、环境和成本等因素。组件的可靠性等级随每种应用的特定需求而异，与值得信赖的供应商合作以确保选择正确的部件是重中之重。通过结合最佳实践并考虑每个应用的特定要求，工程师可以确保其设计符合所需的安全性和可靠性标准。

作者简介

Jon Gabay在完成电气工程学习后，曾就职于国防、商业、工业、消费、能源和医疗公司，担任过设计工程师、固件编码师、系统设计师、科学家和 产品开发人员。作为一名替代能源研究者和发明家，在2004年之前他曾成立并运营了一家专注于自动化技术的公司 - Dedicated Devices。此后，他一直从事技术研发工作，并撰写了多篇文章，为新一代工程师和学生提供了多种参考资源。