电子产品的可靠性设计

(a)
(b)
(c)
图 4 消除热应力的柱形元器件安装方法
三极管的安装也应采取相应措施。图 5 给出了几种晶体三极管在印制板上的安装形式， 图(a)为引线直接穿过印制板，未留余量，故效果较差；图(b)在管座与印制板之间留有适当 间隙，有利于消除热应变影响，但会削弱器件通过印制板的散热作用，对小功率管效果较好；
2.2 通过正确合理的设计方法保证应用可靠性
常用的可靠性设计方法有如下几种，在产品开发过程中，这些方面都要考虑到，包括做 对应的仿真分析，才能够保证设计的产品的可靠性。 可靠性预计 ；FMEA；可靠性指标论证、分配与冗余设计；电应力防护设计；ESD 防护设 计；容差分析；降额设计；升额设计；热分析和设计；信号完整性分析；EMC 设计；安全 设计；环境适应性设计；寿命与可维护性设计。
(4)不要沿引线轴向施加过大了的拉伸应力。有关标准规定，沿引线引出方向无冲击地 施加 0.227kg 的拉力，至少保持 30 秒钟，不应产生任何缺陷。实际安装操作时，所加应力 不能超过这个限度。
(5)弯曲夹具接触引线的部分应为半径大于 0.5mm 的园角，以避免使用它弯曲引线时损 坏引线的镀层。
2.3.2 在印制电路板上安装器件 往往印制电路板上安装电子元器件时，必须注意不要使器件在插入时或插入后受到过大 的应力作用，主要应注意以下几点： (1)印制板上器件安装孔的间距应与器件本身的引线间距相同（参见图 2）。当安装孔间 距与器件引线原始间距不一致时，应先将引线成型后再插入印制板，不要强行插入。器件引 线直径与金属化孔配合的直径间隙一般以 0.2~0.4mm 为理想，推荐使用的器件引线直径与
最好不要使用超声清洗方法，以免将应力加到器件上，如必须采用，应将器件固定在不 直接受振荡器施力的位置上，而清洗时间不应超过 30 秒，并应仔细选择清洗条件，以便使 加到器件主体的应力减至最小。为防止器件谐振，清洗时所加频率一般为 28～29kHz，输出 功率 15W/次。
2.34 高温对元器件的损伤 一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、 扼流圈绝缘材料的性能下降， 一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度过高还会造 成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电 流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。
(a)
(b)
(c)
(d)
图 6 消除热应力的双列直插器件安装方法
2.3.3 焊接
焊接是电子元器件安装过程中对器件可靠性影响甚大的一个重要环节，应注意以下要
点。
1. 防过热
引线浸锡和焊接器件时，在保证不产生虚焊的前提下，应尽可能降低焊锡温度和缩短焊
接时间。通常标准规定的电子元器件耐焊接热试验条件是距管壳 1.0~1.5mm，处引线温度为
关于系统布局的要求有很多， 但以上这几点， 却是应该在任何时刻都要引起注意的。
2.4 失效分析 （FMEA）
通过对开发、测试、小批量试产，量产阶段、用户现场的器件失效分析，找到失效的根 本原因和改进措施，及时纠正和预防失效的发生。发现问题越早，解决问题的成本也就越低， 因此即使是开发调试过程中出现的个别器件失效，也要进行彻底的失效分析，明确失效机理， 进而采取对应的解决措施。
粘接到印制板或印制板上的导热条上。这种导热材料应具有一定的弹性，在温度循环变化时，
产生弹性伸缩，从而缓和热不匹配应力对器件的影响。为了达到较好的效果，粘结剂的厚度
应控制适当，一般在 0.1~0.3mm 之间。双列直插器件的安装方式通常有图 6 所示的几种，
其中图 (a) 无热应变余量，效果差；图(b)采用弹性导热材料，效果较好；图(c)留有小间隙 释放应变，对小功率器件较合适；图(d)是图(b)和图(c)两种方法的综合运用。
那么，什么是 FMEA 呢？FMEA——Failure Mode and Effect Analysis 。FMEA 可 以描述为一组系统化的活动，其目的是：（a）认可并评价产品/过程中的潜在失效以及该失 效的后果；（b）确定能够消除或减少潜在失效发生机会的措施；（c）将全部过程形成文件。 FMEA 是对确定设计或过程必须做哪些事情才能使顾客满意这一过程的补充。
所有的 FMEA 都关注设计，无论是产品设计或者是过程设计。成功实施 FMEA 项目的
最重要因素之一是时间性。其含义是指“事件发生前”的措施，而不是“事实出现后”的演 练。为实现最大价值，FMEA 必须在产品或过程失效模式被纳入到产品或过程之前进行。事 先花时间很好地完成 FMEA 分析，能够最容易、低成本地对产品或过程进行更改，从而最 大程度地降低后期更改的危机。FMEA 能够减少或消除实施可能会带来更大隐患的预防/纠 正性更改的机会。应在所有 FMEA 小组间提倡交流和协作。
图 1 引线弯曲方法
(2)引线弯曲点应与管座之间保持一定的距离 t。当引线被弯曲为直角时，t ≥3mm；当引 线弯曲角小于 90℃时，t≥1.5mm。对于小型玻璃封装二极管，引线弯曲处距离管身根部应 在 5mm 以上，否则易造成外引线根部断裂或玻壳裂纹。
(3)弯曲引线时，弯曲的角度不要超过最终成形的弯曲角度。不要反复弯曲引线。不要 在引线较厚的方向弯曲引线，如对扁平形状的引线不能进行横向弯折。
所以，引线成形和安装在印制板上时，应采取消除热应力的措施。 ① 轴向引线的柱形元器件（如二极管、电阻、电容等），在搭焊和插焊时，引 线程度应留有不短于 3mm 的热应变余量，具体方法参见图 4a。 ② 其中对于安装密度较大的印制板组件，可采用预先折弯（带圆弧）或环形 结构，以便达到较大的热应变余量，如图 4b 和(c)所示。
对一些国际大公司的零件选择和国内小企业的作个横向比较。一般大公司对零件的要求 范围在 1%~5%， 而国内的小企业， 为降低采购价格， 其零件的选择范围大致在 10%左右， 而一个产品， 往往有成百上千的零部件组成， 即便是很简单的电子镇流器， 其零件大致 在几十至百多个，随着零件的误差范围增大， 其批量产品的性能往往和制作的样机差异很 大， 同时存在有部分公司以次充好的现象，这就进一步导致了很多的“中国造”产品性能 不稳定， 可靠性没有保障， 尽管价格低廉。
二：电子可靠性工程包含几个方面
2.1 通过正确的选型认证来保证构成产品的物料的基本可靠性
物料选型与认证是一项产品工程，是硬件开发活动的重要组成部分。产品一旦选用了某 物料，其质量、成本、可采购性基本上 60%都已固化，后期的一系列改进、保障策略所达 到的效果只能占到 40%，物料选型影响重大。如何确定物料的规格，如何识别不同厂家的 物料优劣，如何对物料厂家进行认证，如何监控物料厂家的质量波动，这些专项技术，在国 际领先公司都有专业的团队来进行研究，并有系统化的流程保障物料选用，而目前国内厂家 普遍比较薄弱，因此从物料选用开始，产品质量就和业界领先公司拉开了差距，可以说是输 在了起跑线上。
金属化孔孔径的配合关系见表 3
图 2 引线间距与安装孔之间的配合情况 表 3 推荐使用的器件引线直径与金属化孔孔径的配合关系
元器件引线直径 d (mm)
金属化孔孔径 D (mm)
<0.5
0.8
0.5~0.6
0.9
0.6~0.7
1.0
0.7~0.9 0.9~1.1
1.2 1.4，1.6
(2)由于元器件引线与印制板及焊点材料的热膨胀系数不一致，在温度循环变化或高温 条件下会引入机械应力，有可能导致焊点的拉裂、印制线的翘起、元器件破裂和短路等问题，
图(c)在图(b)的基础上增加了导热衬垫（或在间隙内填充导热化合物），改善了散热效果；图 (d)为倒装型，图(e)为侧弯安装型，二者均有较大的热应变余量，效果较好。
(a)
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(b)
(c)
(d)
(e) 图 5 消除热应力的晶体三极管安装方法
③双列直插封装集成电路的引线很硬，很难留出热应变余量，可将电路外壳用导热材料
260±5℃持续 10±1s，或者 350±10℃持续 3.5±0.5。因此，焊锡温度为 260℃时，焊接或
浸锡时间不要超过 10s；焊锡温度为 350℃时，不要超过 3s。对于混合电路，烙铁铁头的温
度应低于 245℃，焊接时间在 10s 以内；如果烙铁头的温度为 245～400℃，焊接时间应限制
在 5s 以内。
焊接温度过高导致的破坏主要反映在芯片与管座之间的键合材料上。一方面，芯片键合
材料本身所耐温度降低，通常远低于芯片可耐温度；另一方面，芯片键合材料与芯片和管座
之间的热膨胀系数不一致，温度的剧烈变化会在不同材料之间形成很大的热不匹配应力，容
易导致键合强度下降、接触电阻增加或者密封性劣化。
焊接二极管时，温度应更低些。对于金属封装或玻壳封装二极管，芯片是用低温铅锡合
国际领先的大公司，对这些设计方法均有专业团队来保障。 而国内很多企业， 是没有 这些专业人员和测试设备来进行产品验证的。要提高我们民族企业的市场竞争力， 有必要 先改变一些经营理念和手段。
2.3 在加工维护过程中保证不引入对器件的损伤
在生产加工过程中，影响可靠性的最主要的因素是 ESD、MSD 和焊点可靠性，这三方 面的控制技术目前发展得较为成熟，也有对应得国际标准，但是国内很多厂家还做得不够完 善，如产品线的 ESD 控制水平是多少，MSD 控制可以达到几级潮湿敏感器件，影响焊点可 靠性的主要因素是怎样控制的？象 MSD 控制不好引发的可靠性问题，往往是在产品到用户 手里半年以上才会大量暴发，ESD 损伤对器件的长期可靠性的影响也很大，因此怎样控制
加工过程，保证对不引入对器件的损伤需要引起重视。在产品维护保养过程中同样要考虑可 靠性问题，避免引入对产品的损伤。
在整机系统中安装电子元器件时，如果采用方法不当或者操作不慎，容易给器件带来 机械损伤或热损伤，从而对器件的可靠性造成危害。因此，必须采用正确的安装方法。
2.3.1 引线成形与切断 在将电子元器件往印制板等载体上安装时，通常预先要将其引线成形或切断。这时，引 线若被加以过高的应力，器件就会受到机械损伤，并严重影响其可靠性。例如，器件管座与 引线之间相对受到强拉力的作用，可能会造成器件内引线与键合点之间的断线，或者封装根 部产生裂纹导致密封性下降。 在引线成形或切断时，应注意以下要点： (1)弯曲或切断引线时，应使用专门的佳句固定弯曲处和器件管座之间的引线，不要拿 着管座弯曲，如图 1。使用模具大量成形时，要注意所设计的固定引线的夹具不应对器件本 身施加应力，而且，夹具与引线的接触面应平滑，以免损伤引线镀层。
在设计时， 就应该注意高温对产品寿命及可靠性的影响，有效控制产品温升， 是提升 产品可靠性的一个重要环节。；
2.3.5 器件系统布局 1 尽量缩短高频元器件之间的连线，以便减少它们之间的电磁干扰。易受干扰的元器
件不能离得太近，输入和输出器件尽可能远离。 2 金属壳的元器件要避免拥挤和相互触碰，否则容易造成故障。 3 发热量大的器件应尽可能靠近容易散热的表面。
电子产品的可靠性设计
一：前言
业界分析，60%以上的生产故障是由于器件失效引起的，70%以上的市场返修也是因为器 件失效引起的，而大多数公司对此却没有采用系统化的电子可靠性工程方法来解决，导致效 率较低，产品质量可靠性不高。 在中国的电子照明行业， 因为受到价格等诸多因素的影响， 在产品可靠性设计方面， 尤其显得不足！有鉴于此，本人参考了一些关于可靠性的文章， 编写了这篇文章，希望对中国照明的发展有所帮助。
金（熔点为 200℃左右）焊接到金属管座或管脚上，而且芯片紧挨管脚根部，如果焊接时引
线温度过高，有可能使铅锡合金熔化，并在铅锡合金表面生长一层氧化层，导致芯片键合电 阻增加，严重时还会使焊料溢出形成金属球多余物，引起瞬时短路，或者造成引线根部玻璃 开裂，导致密封性失效。
2. 防静电 焊接时应使用松香系列中的中性防焊剂，不要使用氯化物等酸性或碱性助焊剂（焊油或
焊膏），以避免腐蚀引线。松香助焊剂的一般配方为：20％松香末，78％纯乙醇，2％三乙醇 胺混合而成。
焊接完成后残留的助焊剂应进行充分清洗。清洗时，先用化学溶剂（如无水乙醇）溶去 助焊剂，然后再去除多余的溶剂和化学反应产物，但要注意不要损坏器件外貌和标记。要仔 细选择化学溶剂，对于塑封器件，最好不用三氯乙烯作溶剂，因为其残留物对塑封材料有溶 解作用。