電子線路可靠性設(shè)計(jì)與電子元器件的選型
【導(dǎo)讀】這是一篇比較系統(tǒng)闡述電路設(shè)計(jì)中可靠性和元器件選型問題的文章，從實(shí)戰(zhàn)出發(fā)，深入淺出，因此小編摘錄在這里，與大家分享。
引子：電路可靠性之爭
*近稍稍有點(diǎn)忙，各處跑來跑去，考察了一些企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)情況，比較普遍的一個(gè)現(xiàn)象是：研發(fā)人員無一例外的同聲譴責(zé)采購和工藝部門，對元器件控制不嚴(yán)，致使電路板入檢合格率低、到客戶現(xiàn)場后頻頻出毛病。并舉出了諸多文獻(xiàn)實(shí)例和專家發(fā)言來佐證自己的論斷，并希望我也能隨聲附和幾句，可以借此給相關(guān)物料和制造部門施加一點(diǎn)壓力，但*后我讓他們失望了。
我給下的結(jié)論無一例外都是怪到了研發(fā)的頭上。并送給了研發(fā)弟兄們幾個(gè)總結(jié)性觀點(diǎn)：①在公司里，研發(fā)隊(duì)伍已經(jīng)足夠強(qiáng)勢，不必再由我添加壓垮駱駝的那*后一根稻草；②產(chǎn)品的可靠性水平和研發(fā)的強(qiáng)勢程度成反比；③電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和器件應(yīng)用不當(dāng)占了故障的八成因素。
舉幾個(gè)簡單例子：
一個(gè)電解電容緊挨著散熱片焊接的，與電解電容相關(guān)聯(lián)的那部分電路參數(shù)容易漂，現(xiàn)象和結(jié)果就是機(jī)器參數(shù)不穩(wěn)；綠色發(fā)光二極管的色調(diào)不一致，外觀看起來不美觀，發(fā)光管都有個(gè)波長的要求，即使都是綠光，波長的細(xì)微差別也會導(dǎo)致色差，而設(shè)計(jì)文件上并沒對發(fā)光管的波長做出規(guī)定。
某塊電路工作不好，發(fā)現(xiàn)將PCB板信號線的一個(gè)電感換成磁珠就好了，于是就改了BOM 單，電路板上趴著個(gè)磁珠大肆生產(chǎn)了。常規(guī)理解看來，磁珠似乎和電感的特性是相同的，但事實(shí)上磁珠表現(xiàn)的是一個(gè)隨頻率變化的電阻特性，是消耗性的，而電感是儲能特性，是儲存性的削峰填谷。即使從實(shí)際結(jié)果來看，似乎更換器件后沒問題，但其實(shí)并沒有搞通真正的器件機(jī)理。病雖然莫名其妙的好了，但病毒的隱患仍在。 “宜將剩勇追窮寇，不可沽名學(xué)霸王”，毛主席教導(dǎo)我們，做電路要對電路和器件窮根究底。
還有很多類似的問題，比如散熱，似乎熱設(shè)計(jì)只和機(jī)箱內(nèi)溫度有關(guān)，卻忽視了一個(gè)致命的問題，溫度系數(shù)，即使溫度
不夠高到燙手的地步，溫度的升高是否會導(dǎo)致溫漂，溫漂后的參數(shù)值是否會將器件的特征參數(shù)推到電路正常工作的邊緣？
比如降額，幾乎所有工程師都說“我們降額了，基本降了50%，余量是足夠的，這個(gè)問題肯定沒有”。那么降額時(shí)，所
有該降額的參數(shù)都降到了**范圍嗎？同一類功能的器件，換了不同封裝形式或生產(chǎn)工藝的時(shí)候，一樣的降額系數(shù)能降出一樣的效果來嗎？在特定位置、特定電路下的器件，明確哪個(gè)特定參數(shù)該降的更大一點(diǎn)嗎？
還有電磁兼容、振動(dòng)、可維修性、測試等等多方面的問題，知己知彼，百戰(zhàn)不殆，在實(shí)際的考察中，發(fā)現(xiàn)既不知己、也不知彼的設(shè)計(jì)太多，不知己是不知道自己不知道什么，不知彼是不知道設(shè)計(jì)所面對的對象的諸多參數(shù)、條件、工藝、特性，而恰恰是由此引出了太多的技術(shù)問題。
“不知年之所加，氣之盛衰，虛實(shí)之所起，不可以為工”，中醫(yī)上要求，不了解患者的年、氣、虛實(shí)，就不可以開藥下方，中醫(yī)做到了，他們不敢，他們的錯(cuò)誤會導(dǎo)致人命，而我們?yōu)槭裁床涣私怆娐泛推骷那闆r下就可以做設(shè)計(jì)呢，難道僅僅是因?yàn)槲覀兊腻e(cuò)誤不會死人？
于是，針對這個(gè)現(xiàn)象，專門開發(fā)了《電路可靠性設(shè)計(jì)與元器件選型》這門培訓(xùn)課程，為一線的產(chǎn)品開發(fā)工程師、質(zhì)量工程師、技術(shù)管理者、測試工程師等提供針對性的思維方法和具體的知識技巧。
那么，這些思維方法和知識和我們的實(shí)際工作到底有何關(guān)聯(lián)呢？下面聽我一一道來。
電子可靠性設(shè)計(jì)原則
電子可靠性的設(shè)計(jì)原則包括：RAMS定義與評價(jià)指標(biāo)、電子設(shè)備可靠性模型、系統(tǒng)失效率的影響要素、電子產(chǎn)品可靠性指標(biāo)、工作環(huán)境條件的確定、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與微觀設(shè)計(jì)、過程審查與測試、設(shè)計(jì)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
有人說了，設(shè)計(jì)原則就是**正確的廢話，誰都會說，誰都不會用。通俗的翻譯出來就是設(shè)計(jì)原則很難和實(shí)際設(shè)計(jì)建立直接的影響和聯(lián)系。
這一段主要是方法.論，關(guān)于技術(shù)的方法.論，錢學(xué)森老人的偉大眾所周知吧？但他的水平和優(yōu)勢是什么？電子、機(jī)械、軟件、測試、管理？都不是，是系統(tǒng)方法.論和工程計(jì)算。當(dāng)我們要決策一個(gè)電路的器件選型的時(shí)候，如果有一個(gè)基本公式，直接告訴了我們應(yīng)該重視哪個(gè)指標(biāo)，器件選型和電路設(shè)計(jì)還是一件難事嗎？
舉個(gè)例子，一個(gè)插座電纜，上面要通過10A的電流，是用2根8A的導(dǎo)線并聯(lián)分流好呢？還是用一根14A的電纜好呢？通過可靠性模型可以輕松得到答案。
驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光管，是用三極管好呢，還是用運(yùn)放好呢？
前段時(shí)間去青島，參觀了青啤的啤酒博物館，看到了一個(gè)世紀(jì)前，德國的電機(jī)和日本的風(fēng)扇，世紀(jì)后的今天仍然能正常工作，令人艷羨不已。系統(tǒng)失效率的影響要素可以告訴您這個(gè)結(jié)果的答案，放在今天，德國、日本和我們一樣，也造不出耐一個(gè)世紀(jì)的電機(jī)和風(fēng)扇。
電子可靠性要想提升，應(yīng)該從哪些具體問題點(diǎn)下手呢？
這些都是系統(tǒng)方法.論和工程計(jì)算可以幫助解決的問題，錢老走了，他的智慧和思維需要有人繼續(xù)傳承下去，我能做的是傳播錢老的思想，希望有更多的人參與進(jìn)來，更廣泛的理解和應(yīng)用。
電路可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范
電路可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范包括降額設(shè)計(jì)（降額參數(shù)和降額因子）、熱設(shè)計(jì)（熱設(shè)計(jì)計(jì)算、熱設(shè)計(jì)測試、熱器件選型）、電路**性設(shè)計(jì)規(guī)范、EMC設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)（布局布線、接地、阻抗匹配、加工工藝）、可用性設(shè)計(jì)（可用性要素、用戶操作分析、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）、可維修性設(shè)計(jì)（可維修性等級、評估內(nèi)容、設(shè)計(jì)方法）。
電路可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范的一個(gè)核心思想是監(jiān)控過程，而不是監(jiān)控結(jié)果，舉個(gè)*通俗的比方是，設(shè)計(jì)規(guī)范是懷孕過程的維護(hù)，保證優(yōu)生。這些都是各前人多年經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，按照這些具體的設(shè)計(jì)方法去做了，產(chǎn)品的可靠性隱患就會被排除了。
比如熱設(shè)計(jì)，按照熱功率密度、熱流密度的計(jì)算確定下來的散熱方法，您就不必?fù)?dān)心散熱不夠了；按照熱阻和結(jié)溫的計(jì)算方法，選定了風(fēng)扇和散熱片，只要有足夠的余量，也不必?fù)?dān)心自己是“盲人騎瞎馬，夜半臨深池”了。
PCB的接地，這個(gè)似乎*簡單又*復(fù)雜的問題，到底有沒有一種放之四海而皆準(zhǔn)的接地思路，讓我們只有歡喜不再憂呢，答案是“有”。
可用性好像對我們沒太大影響，就好像我們?nèi)ッ嬖囈粯?，影響我們面試成敗的似乎是學(xué)歷證書、工作經(jīng)驗(yàn)等，但門牙上的韭菜葉子，會不會導(dǎo)致失??？按鍵的色彩、大小、按下去的手感和力度、鍵的形狀、鍵的布局，顯示的內(nèi)容、顯示的方法、顯示的角度、顯示的大小，跟門牙的干凈程度有何區(qū)別？對于用戶，有一個(gè)*通俗的說法：“界面即系統(tǒng)”。用戶不曉得那么高深的理論和內(nèi)部構(gòu)造，內(nèi)部的東西只要保證好用，剩下的就是外觀的美妙了。尤其是新用戶，外觀更是決定購買與否的**要素。大學(xué)里追女生，都是優(yōu)選好看的吧？
可維修性可就直接決定了**的花費(fèi)，可維修性分三.級，現(xiàn)場級、辦事處級、總部級，不同的級別，維修工具的價(jià)值、配套工具的多少、維修人員的水平、維修人員的人數(shù)、配件的充裕程度都是不一樣的，試想一下，定義為“現(xiàn)場級”的維修等級，卻有一個(gè)需要3個(gè)人才可以搬動(dòng)下來的蓋子，維修人員幾人一組搭伴出差？定義為“辦事處級”，卻需要配備頻譜儀、邏輯分析儀、示波器等**儀器才可以維修，維修工具的成本將為幾何？更遑論需要配套的諸多設(shè)施如水、電、氣、其他設(shè)備了。
可靠性測試
可靠性測試包括標(biāo)準(zhǔn)符合性測試、邊緣極限條件測試、容錯(cuò)性測試、HALT測試、破壞性測試、隱含條件測試、接口條件測試。和諸多技術(shù)人員溝通，都想做好可靠性設(shè)計(jì)，但普遍反映兩點(diǎn)難題：一是缺乏經(jīng)驗(yàn)，二是在家里測不出問題，到現(xiàn)場就有問題。
缺乏經(jīng)驗(yàn)的問題可以通過**部分的方法解決，測試問題的解決就是通過本節(jié)了。測試的核心點(diǎn)是測試用例的設(shè)計(jì)，集中在兩部分，一部分是盡量去模擬用戶現(xiàn)場的*惡劣應(yīng)用條件，一部分是針對可能的失效機(jī)理，人為增加破壞因素，激發(fā)出問題，找到薄弱點(diǎn)并改進(jìn)之。但須注意，很多測試是具有一定程度破壞性的，需要分析下，經(jīng)歷過破壞性測試的機(jī)器是絕不能出廠應(yīng)用的。
元器件選型
元器件選型包括了選型的基本原則、系列元器件的分類、特性、選型指標(biāo)、可靠性應(yīng)用注意事項(xiàng)等，包括電容、電阻、二極管三極管、接插件、晶振、可控硅（晶閘管）、電控光學(xué)器件（光耦、LED）、AD/DA及運(yùn)放、電控機(jī)械動(dòng)作器件、能量轉(zhuǎn)換器件（開關(guān)電源、電源變換芯片、變壓器）、數(shù)字IC、保護(hù)器件（保險(xiǎn)絲、磁環(huán)磁珠、壓敏電阻、TVS管）、電源模塊等。
女孩子流行著一個(gè)口號，“干得好不如嫁得好”，雖然網(wǎng)上正反雙方論戰(zhàn)激烈，但一個(gè)事實(shí)誰也不能否認(rèn)，女孩子*后的結(jié)局還真就是嫁得好比干得好的比例高的多得多。干得好是電路設(shè)計(jì)得好，嫁得好是器件選型選得好。同樣是電容，鉭電解和鋁電解的區(qū)別、電解和瓷片的區(qū)別，線繞電阻和膜式電阻的區(qū)別，數(shù)字IC重點(diǎn)關(guān)注哪幾個(gè)指標(biāo)，保護(hù)器件的選擇指標(biāo)依據(jù)什么，誰都知道，保鏢警衛(wèi)變質(zhì)可就慘了。
我們就象廚師，我們不管種菜，但我們炒出來的菜的味道是要受菜、水、肥、氣候等的影響的，不然就不會出現(xiàn)茅臺鎮(zhèn)的茅臺、山西的汾酒、梅雨季節(jié)的臭豆腐等專屬品了。同理，器件的制造工藝和其制造工藝所引出的器件特性都是需要我們了解并在應(yīng)用中加以規(guī)避的。比如線繞電阻的電感量大、紙介電容的漏電流大、電容的ESR值對電路設(shè)計(jì)的影響、瓷片電容的耐溫變率和耐震動(dòng)的水平低、TVS耐浪涌電流小但反應(yīng)時(shí)間快，磁環(huán)的效果取決于材料和裝配，耐振動(dòng)差等等。
元器件失效機(jī)理與分析方法
元器件失效機(jī)理和分析方法包括常見的失效機(jī)理、分析方法和工具。
以上內(nèi)容全都是如何防止電路工作不正常和防止器件壞，但智者千慮難免一失，一旦壞了，千萬不要敬而遠(yuǎn)之，而應(yīng)該如獲至寶。開車的人都知道，哪里*能練出駕駛水平？高速公路不行，只有鬧市和**路況的時(shí)候。社會的發(fā)展就是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程，出現(xiàn)問題不可怕，但頻繁出現(xiàn)同一類問題是非?？膳碌摹? 器件失效的分析是基于一個(gè)基本的改進(jìn)手段，“基于失效機(jī)理的預(yù)防措施”。問題發(fā)現(xiàn)了，把引起問題的要素規(guī)避了，形成了規(guī)范，大家以后設(shè)計(jì)都遵守了，問題自然不會再現(xiàn)了。
比如，ESD的防護(hù)，很多公司都在做，做的方法包括加濕，但加濕可能會帶來MSD的問題，如果通過I/V曲線測試，發(fā)現(xiàn)波峰焊載流焊后出現(xiàn)器件某些管腳對VCC、GND開路，那就要考慮MSD問題了，解決辦法就是在焊接前加熱幾個(gè)小時(shí)，將潮氣散發(fā)出去。
比如器件燒壞了，要檢測一下是哪個(gè)管腳壞掉了，及壞掉的現(xiàn)象是什么，通過萬用表、I/V曲線圖示儀、示波器，**點(diǎn)的外協(xié)找X射線透視下，判斷出失效的機(jī)理，并順藤摸瓜，找到那塊與該管腳關(guān)聯(lián)的電路，分析電路和工廠內(nèi)的工藝過程，找到引起該失效機(jī)理的點(diǎn)并改進(jìn)之。
電路可靠性設(shè)計(jì)微觀管理方法
提升可靠性的微觀管理方法很簡單，包括了三部分：軟件工具、AAR、checklist。
按道理說，技術(shù)性內(nèi)容不應(yīng)該摻雜管理，但事實(shí)上管理是可以促進(jìn)技術(shù)的，比如，公司里有人已經(jīng)掌握了某個(gè)知識點(diǎn)，但別人不知道他會，管理上的措施可以將他知道的激發(fā)出來，并指導(dǎo)別人的設(shè)計(jì)實(shí)踐，這樣就相當(dāng)于用非技術(shù)手段解決了技術(shù)問題。
這部分的方法主要是針對開展可靠性工作的幾個(gè)障礙實(shí)施的。障礙一是人容易犯懶，自己覺得差不多，找到指導(dǎo)性文件資料的代價(jià)有點(diǎn)大，覺得差不多就自顧自設(shè)計(jì)去了，軟件工具的作用是降低技術(shù)溝通障礙；障礙二是技術(shù)水平經(jīng)驗(yàn)不夠，那就開展After Action Review（行動(dòng)后反思），將每次發(fā)生的問題的起因、現(xiàn)象、改進(jìn)方法等都總結(jié)出來，并通過軟件工具共享之，我們一直在努力，每天都在提高，沒經(jīng)驗(yàn)又何懼，成長得快也是解決技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的手段；障礙三是一個(gè)人某一刻能想到的問題是會受限的，讓一個(gè)高手評審某個(gè)設(shè)計(jì)，他評審時(shí)的狀態(tài)會讓他遺漏內(nèi)容，checklist比較系統(tǒng)，既可以用于設(shè)計(jì)師自查，也可以用于評審專家參考，避免遺漏，既是低水平者很好的學(xué)習(xí)材料，又是高水平者的參考。（本文摘編自網(wǎng)友武曄卿博客）
