通信电子产品金属零件芯片研制阶段的可靠性设计

2020-03-05王进

中国金属通报 2020年6期

王进

（山信软件股份有限公司莱芜分公司，山东济南 271104）

可靠性设计贯穿于通信电子产品金属零件芯片研发、生产、使用全生命周期，产品的可靠性设计指标一般包括工作区域温度、存储温度范围、平均无故障时间以及平均修复时间等。设计人员应当事先编制出电子产品的可靠性设计方案，并结合可靠性增长试验数据，查找出影响产品各项性能指标的主客观因素，以提升通信电子产品芯片的可靠性、稳定性，延长产品的使用寿命。

1 影响通信电子产品金属零件芯片可靠性的主要因素

1.1 环境应力的影响因素

在电子产品研制阶段，常常受到高温、低温、振动、高湿以及干燥等环境应力的影响，而导致电子元器件性能下降，功能丧失，给电子产品质量造成不利影响。环境应力对应电子产品的故障模式如表1 所示。

表1 环境应力对应电子产品的故障模式

1.2 静电的影响

通信电子产品金属零件芯片在研制阶段，工作人员身体所携带的静电压高达几千伏，在没有采取防静电措施时，工作人员接触到电子元器件时，就会产生静电放电现象，静电随着金属部件或者接口缝隙进入到元器件的机体当中，使元器件受损，严重的还会发生火灾等重大安全事故[1]。

为此，技术人员针对静电放电对产品可靠性设计造成的影响，做了一个简单测试。测试温度为15℃～35℃，想对湿度为30%～60%，大气压力介于86kpa ～106kpa 之间。所用的测试设备包括静电放电发生器、待测的电子元器件，计算机、数据扫描接收器等。测试结果如果为C 级或者D 级，根据标准要求，属于不合格产品。测试方法是将被测的电子元器件放置在静电测试台的绝缘垫表面，然后选择尖头+/-8kv（接触放电），圆头+/-15kv（空气放电），当选定测试点后，连续10 次放电，观察数据扫描设备扫描出的数据，得出最后结论：A 产品在经历一次电击后，标签立即停止工作，而其它缘部分并无影响。而B 产品在暂停工作5 秒钟后，标签会继续工作。通过该测试可知，静电放电将对电子产品的各项性能造成直接影响。

2 可靠性设计遵循的原则

通信电子产品金属零件芯片研制阶段的可靠性设计需要从定量与定性两个方面予以考虑，其中定量分析包括对环境条件、温升控制、电磁兼容等指标的考虑，而定性分析则是根据设计规范当中“不允许发生的事件”规定，编制“不允许发生”的设计方案，以保证产品的可靠性与稳定性。可靠性设计是一个较为复杂的过程，牵涉概率论、集合论、布尔代数等多种理论，因此，在结合这些理论的同时，应当遵循以下设计原则。

2.1 方案简化，结构简化

一些设计人员为了追求产品性能与指标，在设计产品开发方案时往往将关注焦点集中在产品的高尖端电子芯片性能方面，甚至选择的研发与生产工艺并未经过专家验证，导致产品功能性丧失。因此，在设计初始阶段，应当力求产品结构简单化、积木化、插件化，在确保产品各项性能指标满足规范要求的同时，尽量简化设计方案内容，并且达到降低生产成本，提高产品可靠性的目的。

2.2 选择标准化单元电路

由于标准化单元电路技术纯熟，并且经过电路应用的成功案例较多，因此，性能稳定可靠。比如在生产电子产品金属芯片时，可以选用集成电路来代替传统的分散式元件电路，这主要由于集中电路焊点少，密封性好，同时，已经形成标准化应用体系，相比于分散式元件电路，这种电路发生故障的概率将大幅降低。

2.3 选用娴熟工艺

在通信电子产品芯片研制阶段，尽量选用习惯式的操作方法以及已经成型的娴熟生产工艺，如果选择新技术、新工艺、新材料，必须做好事先验证工作，以确保新工艺及新材料的通用性与适用性。另外，随着数字技术水平不断提升，近年来，线性电路已经逐步退出历史舞台，取而代之的数字电路具有匹配度高、可靠性好、稳定性强等优势，被普遍应用于通信电子产品新品的生产过程当中，因此，技术人员应当不断学习和借鉴新型数字电路的先进技术与经验，从而确保电子产品的整机可靠性。

3 提高通信电子产品金属芯片可靠性的有效路径

3.1 热设计

环境温度指标是影响产品可靠性的主要因素之一，如果电子元器件内部温升效应剧烈，就会造成元器件失效，而缩短电子产品的使用寿命。据调查统计数据表明，电子元器件内部温度每升高2℃，产品可靠性就会下降10%，温度升高50℃的产品寿命只有温度升高25℃时的六分之一，因此，针对电子产品采取热设计至关重要。热设计主要是选用低功耗的元器件，减少发热器件数量，加大加粗印刷板的宽度。另外通过散热器、风冷、液冷、热电致冷等降温措施，遏制金属电子元器件的温升速度。

通信电子产品的整机自然散热包括对流、辐射以及导热等方法，机箱内的结构设计、印刷板安放以及元器件排布应当使空气流通阻力达到最小值，电源变压器的安装位置应当靠近机箱壳体通风孔处，预留足够的空间。大功率电阻的元器件底部与印刷板的安装面距离应大于10mm，并且利用铝型材散热器为元器件提供一个良好的降温环境[2]。

3.2 降额设计

降额设计就是将电子元器件可能承受的应力值降低到额定应力数值以下，不同种类的元器件，需要考虑的应力因素也有所不同，这其中包括电压、电流、温度、频率、振动等等。在降额设计时，降额幅度可以分为一、二、三级降额，一级降额是元器件实际承受的应力与元器件额定应力的比值小于50%的降额，这种降额效果最为明显，但是投入成本较高。二级降额是70%左右的降额，成本适中，降额效果较好。三级降额需要同时采取一些额外的补偿措施，才能保证降额效果，因此，这种降额设计实现的难度较大。

3.3 电磁兼容设计

电磁兼容设计主要是为了避免生产设备，以及电子产品产生的电磁辐射对产品功能造成影响，也可以定义为电子产品金属芯片的抗干扰能力设计。电磁兼容设计指标按照元器件级、电路级、模块级、产品级的指标要求，遵循“逐级分层次”的设计原则。一般情况下，电磁干扰信号有两种干扰方式，即传输耦合的路径干扰以及辐射耦合的场干扰方式，为了切断干扰信号的传输路径，可以应用滤波来隔离和屏蔽干扰信号，或者选用相互间干扰小的设备，以提高产品的可靠性。