淺談電子產品可靠性優化措施

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 馮永平

隨著科技的不斷進步，電子產品在各個行業中得到了廣泛的應用，電子產品是否可靠將會對整體產品的使用體驗帶來巨大的影響。本文通過對電子產品可靠性概念進行解析，并結合實際對電子產品的可靠性優化提出個人觀點，希望為關注電子產品可靠性優化措施的人群帶來一定的參考啟發。

1 電子產品可靠性

電子產品可靠性是指電子產品在既定條件、環境下持續工作能否達到設計目標以及設計要求，并無故障地執行指定功能的能力或可能性，是產品的一種固有特性。產品的可靠性可以通過可靠程度、故障率和平均無故障時間來評估。通常情況下，在評價一款產品可靠性時，需要對產品整體及所有零部件的使用壽命進行試驗，然后將試驗得出的參數指標與可靠性設計要求進行對比，找出性能中的不足之處，并針對參數反映出的性能問題做出修正、改進，以此來確保電子產品的各項性能指標都能夠符合時代發展以及市場需求。電子產品研發人員能夠通過可靠性試驗掌握電子產品與設計之初的實際差距，并將二者之間的差距不斷縮小。而在軍工產品設計研發標準GJB9001中，更為嚴苛得規定了“六性”要求，在“六性”中最重要的特性就是可靠性。

1.1 可靠性技術指標

電子產品可靠性通常可以用數學函數來進行表達，可靠性就是電子產品在使用過程中其各項性能參數與時間、環境變化之間的對比，隨著使用場景、使用時長發生改變，電子產品可靠性亦將發生變化。就目前而言，電子產品可靠性測試通常都會將可靠度、失效率等參數作為主要參考，并通過專業手段、設備儀器進行對比，這樣就可以在產品正式量產之前掌握產品的全方位綜合評價。總體而言，電子產品的可靠性測試就是在更新、研發過程中的一項重要參考標準。

1.2 電子產品開展可靠性優化需要注意的問題

（1）選擇固定電路或有一定標準的結構。減少電路結構的復雜性，可以提高產品的可靠性。

（2）在開展可靠性試驗時，應該注意對電路以及產品結構進行合理優化。

（3）在測試過程中，如出現故障，則必須在故障完全解決后才可進行下一步工作，對某些重大故障或重復故障，必須采取糾正措施以杜絕同類型故障再次發生。

（4）在對可靠性試驗數據進行分析時，應站在全局角度上進行考量，避免出現顧此失彼的現象。

2 電子產品可靠性評價

2.1 評價方法

經常使用產品在特定環境因素及特定工況下的故障頻次數據來評價電子產品的可靠性。引起故障的原因可能是技術方面的，也可能是管理方面的。對于技術方面的問題，應采取技術歸零的方法進行故障閉環，優先確定故障原因，通過故障定位、機理分析、糾正措施及同類型產品的舉一反三檢查等一系列措施以解決故障，其中機理分析是關鍵，糾正措施是核心。對于管理方面的故障需要采取管理歸零的方法進行故障閉環，明確故障過程，清晰責任人員并采取一定的懲罰措施，最后修改規章制度，為后續產品的可靠性提高指明正確的方向。

2.2 可靠性參數化

在對電子產品可靠性參數進行優化設計時，設計人員需要提前對電子產品工藝、設計等方面的參數信息進行整理分析，并了解各項參數的敏感性，然后根據電子產品的設計要求對產品各性能參數進行優化。

2.3 可靠性的仿真分析

在對電子產品開展可靠性仿真分析時，設計人員應該將產品工作載荷、環境、特性等方面內容全部輸入，其中產品工作載荷包括有電流、功率等內容，環境則包括產品壽命、溫度、沖擊等，使電子產品的各種數據信息在產品分析模型中能夠非常清晰地表現出來，設計人員對溫度、機械應力等各數據分析完畢后，則可以繼續對設備潛在故障進行分析，并對故障出現時機做出推測，當設計人員完全掌握故障機理之后，就可以對電子產品做出設計優化，找出產品改進的具體方向。

3 電子產品可靠性優化措施

3.1 生產過程控制

（1）特殊過程控制。電子產品的特殊過程主要是指產品合格后，不能通過后續的監視或測量進行驗證或不能進行經濟驗證。在對電子產品進行可靠性試驗時，如果無法科學驗證合格程度，這將對電子產品的可靠性產生一定的影響。所以為了提升電子產品質量，需對電子產品的特殊過程加以控制，做好特殊過程的識別、確認準則的編制及確認的實施，確保特殊過程受控、滿足要求，記錄完整、清晰并可追溯。對于某些通用特殊過程，例如印制板SMT過程，三防過程等，需要明確專人專設備生產，確保特殊過程控制得當。

（2）關鍵過程控制。電子產品關鍵過程指對質量特性起絕對性作用的形成過程，而起絕對性作用的某部件則為關鍵件。如果關鍵件發生故障，則容易造成重大損失，設計人員在研制階段工藝設計報告中需明確關鍵過程及關鍵件，并在生產圖紙中重點標注。關鍵過程的檢驗必須設置自檢和專檢，并統計檢驗合格率以考核生產人員KPI。

（3）外協外購管理。外協是指生產過程中由于本公司技術、工藝和設備等條件限制，必須由外單位協助完成的產品部分研發，生產等工作。外購產品是指標準化的電子元器件等貨架產品。外協外購需遵循“誰外協，誰負責，誰采購誰負責”的質量責任原則。在落實外協外購單位時，需赴對方單位實地考察，并參與外協單位的過程檢驗過程。明確外協產品常規檢驗、飛行檢驗等管理制度，做好外購產品的進貨復驗工作，關鍵原材料、零部件必須100%復驗。

（4）技術狀態管理。產品的技術狀態分為功能特性及物理特性，功能特性指產品的性能指標、設計約束條件和使用保障要求。物理特性是指產品的形狀、尺寸、重量等。由設計人員負責產品技術狀態識別、控制、審核工作。技術狀態的更改必須執行“論證充分、試驗驗證、各方認可、落實到位”四條原則。

3.2 FMEA分析

失效模式與影響分析（FMEA）可以評價、分析各種有可能出現的風險情況，然后結合現有技術消除風險，將風險帶來的影響控制在能夠接受的水平。這種分析方法已經在各行各業中都得到了廣泛應用，通過找出產品在生產、使用中的失效風險以及風險能夠帶來的結果，可以幫助設計人員有針對性地解決失效問題，增加電子產品質量。FMEA可以通過表格協助設計人員完成數據分析處理，從而令設計人員在設計期間提前掌握設計方案中的缺陷以及影響，以此來提前制定解決方案，避免因為電子產品失效、性能下降而受到影響。失效模式影響分析主要內容如下：

（1）失效模式。自下而上的歸納分析法，評價產品中的每一個零部件產生故障對整體產品的影響，發現產品設計過程中的薄弱環節，提供改進優化方案。

（2）失效效應。分析各種故障模式，掌握故障對上層模塊和最終系統的影響，掌握部件之間的故障相關性，掌握改進和優化的關鍵。

（3）關鍵性分析，在對所有失效模式根據嚴重程度、出現概率進行評估之后需要進行分類，通過這種方式能夠確定制定優化措施時的先后順序。

（4）最壞情況。設計人員對電路組成部分參數的容差范圍進行分析之后，能夠找出組合中的最壞情況，從而了解鏈路中有可能出現的性能參數偏差，通過利用已知參數的變化極限能夠預測出各項性能參數的變化數值，為零部件后續優化帶來改進方向，增加產品可靠性。

3.3 設計優化

由于電子產品面對的工作環境各不相同，所以在對其電路進行可靠性優化設計時需要將產品可靠性需求放在首位，確保制定出的設計方案能夠有效滿足電子產品的設計標準。例如電子產品在日常運行期間需要面對持續振動、沖擊，則在設計過程中就要從產品結構、接插件選型等方面入手，以此來確保電子產品符合實際要求。除此之外，還要在優化設計期間結合當前已有的技術、理論，將已經經過試驗驗證的通用設計方法、原則融入到產品優化設計中，此類設計方法如下：

（1）通用設計要求。在優化設計期間需要針對防反接、過流保護等內容進行綜合設計。

（2）熱設計。對于電子產品而言，導致其出現失效情況的主要原因之一便是熱應力。高溫環境會使絕緣材料性能下降，元器件損壞，低熔點焊縫開裂、焊點脫落等，在設計期間，應該在降低功率損耗的同時合理利用熱傳導、對流設計等方法來優化電子產品的工作溫度，減少溫度對產品可靠性的影響。

（3）電磁兼容。在設計期間，通過優化電路抗擾度能夠有效提升電子產品在復雜電磁環境內的可靠性，設計人員需要專門對電路結構、參數等多角度進行設計，然后進行樣機電磁兼容測試，以達到產品的電磁兼容要求。

（4）簡化設計。產品越復雜，產品單元零件越多，產品的固有可靠性就越低。在設計過程中，保證必要功能的前提下，減少硬件或者軟件的數量，去掉多余或不必要的功能，可以有效提高可靠性。

（5）可制造性設計。設計過程中必須結合當前的工藝水平，避免產品在方案正式實施之后無法達到設計標準。在PCB設計結束之后要對方案進行檢查，然后結合設計報告來修改設計方案。

（6）結構防護設計。電路板安裝結構、防護設計非常關鍵，若方案不夠嚴謹，就有可能導致電子產品電路板以及元器件在機械應力下出現損傷。

（7）余度設計。對某一特別重要的功能，有必要采用多種途徑來實現。只有在各個方案均出現故障時，產品才會喪失該重要功能。采用余度設計必然導致產品成本的上升，并與第四點簡化設計相矛盾，設計人員必須權衡利弊后再考慮是否采用余度設計。

（8）降額設計。使產品元器件工作應力適當低于元器件規定的額定值，其中關鍵元器件可采用60%降額使用，降額設計有效降低了元器件老化速率，降低整體產品故障率。

結論：總而言之，在電子產品運行期間，其可靠性非常關鍵。了解電子產品可靠性能夠將電子產品的使用壽命、性能參數完全發揮出來，因為根據可靠性不同，產品的適用范圍同樣有所不同。相信當更多人了解到可靠性的作用之后，電子產品質量一定會變得更好。