军用电子产品可靠性设计研究

军用电子产品可靠性设计
研究
This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
军用电子产品可靠性设计研究
摘要：现代战争是信息化战争，电子产品在战争中起着举足轻重的作用；军用电子产品的可靠性直接关系战争成败；如何保证军用电子产品的高可靠性可以作橐桓鲎门研究课题。

本文针对如何提高军用电子产品可靠性进行讨论。

关键词：电子产品；可靠性；设计
DOI：
电子产品已深入人们生活。

军队信息化也离不开电子产品的使用；电子产品已深入到军队作战指挥和日常生活中，其可靠性直接决定军队的战斗力。

如何保证军用电子产品可靠性成为军用电子产品研制生产的首要问题。

笔者根据多年来的实践经验，对军用电子产品可靠性设计进行了一些深入研究，论文将从五个方面进行阐述。

1 需求分析准确性
对比民用电子产品来说，军用电子产品除了对电子产品的基本需求外，还有一些特殊需求――可靠、耐用、抗摔、抗震动冲击和适应复杂恶劣环境；因此，在军用电子产品研制时，必须考虑军品的特殊需求和使用场合，只有需求准确，才可能制定合适的实现方案和方法。

2 结构设计可靠性
首先根据军用电子产品的使用场合考虑结构设计，包括大小、高度、机壳材质、外观喷涂材质、全密封机箱还是非全密封机箱、板卡布局、外部接口使用航空插座还是普通插座、散热方式选择等等。

下面将对结构设计的几个重要考虑因素进行讨论：布局
结构布局好坏直接影响电子产品的加工难度、散热性能、使用维护、维修。

结构布局始终应坚持一个原则：简单；简单包含两层含义：（1）装配简单、拆卸简单；（2）使用维护简单。

如果结构布局不合理，就可能装配效率低，拆卸难；外部接口布局不合理，导致使用不便，同时也会带来可靠性降低的问题。

内部线路走线必须整齐、规范，模拟信号线应该远离板卡高频信号和时钟信号。

热敏感模块或器件应该远离发热源；针对高功率或发热部件进行散热处理。

电磁兼容性
电磁兼容性作为军用电子产品的一个重要考核指标，在设计之初应整体考虑：首先应充分了解各种元器件的工作特性；各板卡的排版布局走线符合电气特性要求；电源模块及滤波模块设计、屏蔽结构设计和机壳设计都应作为整体考虑因素。

只有全面考虑设备的电磁兼容性，才可能满足军用电子产品对EMC要求。

持续工作稳定性及保养维护便利性
高发热模块或元器件必须采取散热措施；如果风冷散热，必须考虑风机的持续工作可靠性和持续工作时间。

根据笔者经验，合格风机持续工作时间为5年左右，部分风机可能寿命会延长。

对于军用电子产品来说，如果持续工作5年后需要对风冷设备进行维护保养。

风机更换必须简单便捷。

如果采用散热片散热，必须考虑散热片的散热面积能够满足模块或器件要求。

设备供电模块至少需要考虑板级更换，目前电源供电模块持续工作的有效时间一般在5年至8年，部分模块工作寿命会延长。

因此，必须考虑5年至8年后更换电源模块的可能性和便利性。

3 PCB设计可靠性
PCB设计好坏直接关系到电路板加工成品率和工作稳定性。

好的PCB设计必须坚持如下原则：
元器件选型
军用电子产品具有特殊性，选用的电子元器件必须符合国军标要求，包括使用环境温度，抗湿热环境能力，抗冲击振动能力，抗盐雾能力，抗砂尘能力等要求。

芯片最好选用陶瓷封装，抗湿热性能优于塑封产品；尽可能选用表面贴装元器件（SMD/SMC），且器件上表面需要一个密闭的平面，易于使用真空吸嘴吸取。

对于SMD元器件，尽可能选引脚外伸型，便于贴装、检查和返修；尽量减少器件种类，同规格阻容器件尽量封装统一。

元器件功耗必须作为器件选型的重要指标，功耗过高可能导致设备发热量过大，导致长时间工作后出现稳定性问题，严重的可能会烧毁器件；功耗过小，会导致负载工作电流或电压不稳定，也存在器件烧毁可能。

PCB布局
元器件摆放坚持“先大后小，先难后易”；元器件分布尽可能均匀，疏密有序。

大质量器件再流焊时热容量较大，过于集中容易造成局部温度低而导致虚焊，同时布局均匀也有利于重心平衡，在震动冲击实验中，不容易出现元件、金属化孔和焊盘被拉坏的现象；较重器件尽量不放B面；同类元器件尽可能按相同的方向排列，特征方向一致，便于元器件贴装、焊接和检测。

如电解电容、二极管、三极管、集成电路等；重要元件不布局在PCB板的边角，边缘或靠近接插件、安装孔、槽、拼版的切割、拐角处，上述位置是印制板的高应力区，容易造成焊点和元器件的开裂或裂纹；热敏器件应该布局到发热源较远位置；对于尺寸较大的PCB，BGA封装芯片尽量不放中间，否则，在PCB变形后，焊点容易受到应力而脱焊；去耦电容应该靠近芯片的电源引脚，保证其与电源和地之间的回路最
短；器件距离螺钉安装孔距离最好不小于5mm，防止装配后应力导致器件脱焊；模拟电路器件与数字电路器件尽量分区域摆放；I/O接口驱动电路应靠近PCB边缘；PCB组装尽量采用贴装再流焊工艺，再流焊比波峰焊、手工焊具有优越性；混装时尽量选择插件、贴片在同一面，其次选择贴片在两面，插件在一面；A、B两面同时布局BGA芯片时，焊接难度较大且会降低焊接可靠性，因此，尽量避免A、B两面同时贴装BGA芯片。

PCB布线
PCB相邻层布线尽量垂直，已减少信号寄生耦合；布线转角处不能使用锐角与直角，以减小信号对外的辐射与耦合；时钟信号、总线及片选信号尽可能远离I/O 线和接插件；高频信号通过引脚间的引线尽可能短，高频信号尽量少跨层；对重要信号及时钟信号可以进行包地处理，有利于改善信号质量，降低干扰；晶振、晶体等时钟器件下部不应布线，电源模块下部不应布线；大电流信号线应该增加布线宽度，防止发热烧毁信号线；高频信号布线长度不得与信号波长成整数倍关系，以防止产生谐振现象；对于两个对称焊盘安装的元件，如电阻、电容，与其焊盘连接的印制线最好从焊盘中心位置对称引出，且与焊盘连接的印制线必须具有一样宽度，与较宽印制线连接的焊盘，中间需通过一段窄的印制线过渡，印制线宽度小于；这一段窄的印制线通常被称为“隔热路径”，主要目的是减少“立碑”焊接缺陷；线路与SOIC、PLCC、QFP、SOT等器件的焊盘连接时，一般从焊盘两端引出。

尽量不要在焊盘中间引线。

PCB焊盘设计
再流焊导通孔不能设计在焊盘上，也不能设计在两个焊盘之间，应该通过一小段印制线连接，如无阻焊情况下，间距需大于。

如果导通孔焊盘涂敷有阻焊涂层，距离可以小至 mm，若再流焊导通孔必需设计在表贴焊盘上时，过孔尺寸建议小于等于，并要求PCB 生产加工中焊盘面过孔不被阻焊涂层污染；引线直径小于，孔径比引线直径大；器件引线直径大于等于，孔径比引线直径大；印制板厚度大于2mm，孔径比引线直径大。

4 供电设计可靠性
由于用电子产品使用环境的特殊性，供电部分设计对产品可靠性影响非常巨大。

为了保证产品的可靠使用，供电设计应该考虑如下方面：电源能够在低于正常电压或高于正常电压15%左右的情况下稳定工作；电源应具有抗浪涌和脉冲电压的能力，设计供电系统时，应考虑设计保护电路；电源能够在高湿度环境内正常工作；电源模块设计应考虑热功耗问题；对于特殊场景使用的电子产品还应该考虑高速、高压情况下的电源工作稳定性；供电设计同时应该考虑设备电磁兼容性问题。

5 软件设计可靠性
软件作为电子产品的重要组成部分，是电子产品与人交互的通道，只有好的软件，才有好的产品。

软件可靠性设计的实质是在常规的软件设计中，应用各种必须的方法和技术，使程序设计在兼顾用户的各种需求时，全面满足软件的可靠性要求。

军用电子产品软件设计应该考虑如下问题：
控制程序的复杂度，使系统中各个模块具有最大独立性，当模块或单元之间的相互作用无法避免时，务必使其联系尽量简单，以防止在模块和单元之间产生未知的边际效应；
避免需求错误，深入研究用户的需求；慎重使用容易引入缺陷的结构和技术，如浮点数、指针、动态内存分配、并行、递归、中断、继承、别名和默认输入的处理；
大系统各设备的软件必须保证软件协议的一致性；
界面操作简单，最好是傻瓜式设计，处理过程对用户透明；
软件参数配置简单，便于理解，支持参数配置一键备份和一键导入；
软件应该经过严格的黑盒测试、白盒测试；
日志记录完整，便于故障排查；
在保证功能的基础上，优化代码，提高代码运行效率；
考虑到军用电子产品可能工作在恶劣环境中，对于可编程逻辑器件的参数指标可能发生变化，因此，必须对可编程逻辑器件规则约束达到实际使用要求。

6 结束语
电子产品的可靠性设计没有最好，只有更好；要制造出高可靠性的军用电子产品，在研发、生产过程中，必须进行规范化和标准化的作业；军用电子产品的可靠性研究应该是一个持续改进的过程，包含了产品研发、生产的每一个过程，只有每一个过程完美，才可能制造出完美的军用电子产品。

参考文献：
[1]张W.可靠性原则2000条[M].机械工业出版社，2013.
[2]黄智伟.印制电路板设计技术与实践[M].电子工业出版社，2013.
[3]王玉鹏.SMT生产实训[M]. 清华大学出版社，2012.
[4]弋进飞.军用电子设备结构设计“六性”分析[J].电子机械工程，2015.
作者简介：杨小钶（1980-），四川邻水人，硕士研究生，工程师，研究方向：产品化设计。