微機(jī)測控系統(tǒng)中元器件的可靠性與選擇

摘要：元器件可靠性使用電子元器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及軟件編程的基礎(chǔ)，而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，元器件性能的好壞與穩(wěn)定性將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性。文中主要對微機(jī)測控系統(tǒng)中的元器件可靠性進(jìn)行了分析，并詳細(xì)闡述了影響元器件可靠性的原因和機(jī)理，最后討論了提高元器件可能性的一些原則措施。

關(guān)鍵詞：測控系統(tǒng) 元器件 可靠性

元器件可靠性是選擇電子元器件、電路設(shè)計(jì)和軟件編程的理論基礎(chǔ)。而可靠性是用以描述系統(tǒng)長期穩(wěn)定、正常運(yùn)行能力的一個(gè)通用概念，也是產(chǎn)品質(zhì)量在時(shí)間方面的特征表示。從統(tǒng)計(jì)角度來看，它是某個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)在某一時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定并正常完成預(yù)定功能指標(biāo)的概率?？傊煽啃允侵府a(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，常用可靠度、失效率、平均無故障時(shí)間三個(gè)特征量對其進(jìn)行描述。

影響測控系統(tǒng)可靠性的因素有內(nèi)部與外部兩方面。內(nèi)部因素主要有元器件本身的性能與可靠性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試。外部因素是指測控系統(tǒng)所處的工作環(huán)境（外部設(shè)備或空間條件）所導(dǎo)致的系統(tǒng)不可靠運(yùn)行的所有外界因素。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，元器件的選擇是根本，其性能的好壞與穩(wěn)定性將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能與可靠性。因此，在可靠性設(shè)計(jì)當(dāng)中，首要的工作是精選元器件，并使其在長期穩(wěn)定性、精度等級方面滿足要求。元器件的可靠性研究主要包括元件的失效特性、的效機(jī)理、抗干擾性能、元件選用方法、安裝工藝及環(huán)境對元件性能的影響等方面。文中將對此作詳細(xì)介紹。

1 元器件的失效特性

元器件的失效特征，主要是指失鏟規(guī)律和失效形式。

1.1 失效規(guī)律

元器件的失效規(guī)律分為三部分：早期失效期、穩(wěn)定工作期和衰老期。早期失效主要發(fā)生在元件制造或微機(jī)系統(tǒng)剛投入運(yùn)行后的短暫時(shí)間，其失效原因主要有：（1）元件本身存在的固有缺陶，如漏氣、接點(diǎn)斷裂等；（2）安裝工藝不可靠，如焊接不牢固等；（3）環(huán)境條件惡化，如溫度高、溫度大（可加速元件的失效）。可以通過篩選元件、嚴(yán)格安裝工藝以及防止安裝前元件的老化來克服元件的早期失效。

穩(wěn)定工作期元件的突然性失效少，暫時(shí)性故障較多，這是因?yàn)樵骷ぷ髦械乃矔r(shí)應(yīng)力超過了元件所能承受的強(qiáng)度。而衰老期元件的失效率大大增加，可靠性也急劇下降。因此造成元件衰老的主要原因是：元件物理變化和機(jī)械磨損。

1.2 失效形式

元器件的失效形式可分為：突然失效、退化失效、局部失效和全部失效。突然的效是因元件參數(shù)急劇變化，或因元件制造工藝不良、環(huán)境條件變壞而導(dǎo)致短路或開路所造成的。退化失效是因元件制造公差、溫度系數(shù)變化、材料變質(zhì)、電源電壓波動(dòng)、工藝不良等因素使元器件參數(shù)逐漸變差，性能逐漸降低而形成的。由退化失鏟而導(dǎo)致的系統(tǒng)局部功能失效，稱為局部失效；由突然失效而使整個(gè)系統(tǒng)失效，稱為全局失效。

2 元件的失效機(jī)理

元件的失效直接受溫度、濕度、電壓、機(jī)械的影響。

2.1 溫度影響

（1）環(huán)境溫度對半導(dǎo)體器件的影響

環(huán)境溫度升高將使半導(dǎo)體器件的最大允許功耗下降。因?yàn)闇囟壬邔⒅苯邮菇Y(jié)溫升高，引起最高工作電壓下降，P-N結(jié)構(gòu)的正向壓降減少，其開門和關(guān)門電平減少，元件的低電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而變小，而高電平抗干擾電壓容限則隨溫度升高而增大，因而造成輸出電平偏移，波形失真，穩(wěn)態(tài)失調(diào)，甚至?xí)霈F(xiàn)P-N結(jié)熱擊穿而損壞。

（2）溫度變化對電阻的影響

溫度變化對電阻的影響主要是當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻內(nèi)部的熱噪聲加劇使其阻值偏離標(biāo)準(zhǔn)值、允許耗散功率下降等。

（3）溫度變化對電容的影響

溫度變化將引起電容介質(zhì)損耗變化，從而影響電容的使用壽命，同時(shí)還會(huì)引起阻容時(shí)間常數(shù)的變化，甚至可能發(fā)生因介質(zhì)損耗過大而熱擊穿的情況。

此外，溫度升高也將使電感線圈、變壓器、扼流圈等器件的絕緣性能下降。為了減小由溫度引起的干擾，除了選用熱穩(wěn)定性能好的元器件外，還要改善其運(yùn)行環(huán)境條件。

2.2 濕度影響

濕度很高的運(yùn)行環(huán)境將使那些密封性能較差的元件受到腐蝕，從而造成退化失效；在這種環(huán)境下，當(dāng)含酸堿性的塵埃落到線路板或配電盤上時(shí)，將迅速腐蝕元器件的焊點(diǎn)與接線處，從而造成焊點(diǎn)脫落，接頭斷裂而引起接觸故障；濕度過高也是引起漏電耦合的主要原因。當(dāng)具有導(dǎo)電性的塵埃落到線路板上時(shí)，其表面的絕緣性能下降。若高電壓因漏電而耦合到低電壓器件，將可能造成電壓擊穿。

2.3 振動(dòng)、沖擊影響

機(jī)械振動(dòng)與沖擊會(huì)使一些內(nèi)部有缺陷的元件加速失效，從而造成災(zāi)難性故障；機(jī)械振動(dòng)還會(huì)使焊點(diǎn)、壓線點(diǎn)發(fā)生松動(dòng)而導(dǎo)致接觸不良；若振動(dòng)導(dǎo)致某些不應(yīng)相連的導(dǎo)線碰連，會(huì)產(chǎn)生意想不到的后果。

2.4 電壓的影響

加在元器件上的電壓的穩(wěn)定性是保證元器件能夠正常運(yùn)行的重要條件。過高的電壓會(huì)增加元器件的熱損耗，甚至造成電壓擊空。

3 元件的降額設(shè)計(jì)

降額使用是指在低于額定電壓和電流條件下使用元器件，對元件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)的目的是為了使元件可以降額使用，降額設(shè)計(jì)能提高元器件的可靠性。降額設(shè)計(jì)元器件壽命試驗(yàn)表明，失效率隨著工作電壓、環(huán)境溫度的提高而成倍地增加。降額設(shè)計(jì)就是為了使元件在低于其額定應(yīng)力情況下工作。影響設(shè)計(jì)機(jī)系統(tǒng)可靠性的應(yīng)力有：電應(yīng)力（電壓、電流、功率和頻率等）、溫度、機(jī)械應(yīng)力（振動(dòng)、沖擊等）。當(dāng)工作應(yīng)力高于額定應(yīng)力時(shí)，其失效率就增加。反之，則降低。例如，在電阻使用時(shí)，實(shí)際負(fù)載功率要低于額定功率的30%，在裝配精度要求很高時(shí)，應(yīng)低于額定功率的50%；而電阻使用的最高電壓，最好只用到最高允許值的50%左右。特別是在高壓電路中，若考慮到由于塵埃和濕度的影響而導(dǎo)致漏電增多，以降低電壓50%左右使用是比較安全的；在高頻使用時(shí)，由于分布電容的存在，其阻值一般都要減小。通常體積小、阻值低的電阻，特性變化較少，高頻特性也好。因此，在較寬頻帶的電路中，最好選用體積小的金屬膜電阻，并應(yīng)盡量縮短引線。不讓高頻信號(hào)通過高阻值的電阻。若在高頻電路中使用線型電阻，則以選用低電阻為好。此外，還應(yīng)注意印刷電路板的接地布置，以盡量降低電阻的對地分布電容。降額使用多用于無源元件、大功率器件、電源模塊或大電流開關(guān)器件等。而它通常不適用于TTL器件，因?yàn)門TL電路對工作電壓范圍要求較嚴(yán)。

4 元器件的選擇

元器件的正確選用是微機(jī)測控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。在選擇元器件時(shí)，不但要滿足性能要求，而且還必須是集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗又小的電子器件。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中半導(dǎo)體器件的選擇對系統(tǒng)的性能和可靠性影響極大。以下是半導(dǎo)體器件的選擇原則：

（1）為了使半導(dǎo)體器件滿足系統(tǒng)性能要求，必須深入了解元器件的電器參數(shù)。例如，對于二極管，應(yīng)考慮最大反響電壓、最大正向電流、反向電流、正向壓降和工作頻率。對于集成電路，要考慮的主要有電源電壓、負(fù)載電流、輸入信號(hào)電壓、輸出電平、環(huán)境溫度、扇出數(shù)以及封裝形式等。

（2）為了使半導(dǎo)體器件滿足系統(tǒng)可靠性要求，要注意溫度對器件性能的影響，通常應(yīng)選擇溫漂小、穩(wěn)定性好的元器件。

（3）測控系統(tǒng)選用集成度較高的芯片可以減少元器件的數(shù)量，使印刷電路板布局簡單，減少焊接和連線，因而可大大減少故障和干擾的概率，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此，在測控系統(tǒng)中，應(yīng)盡量選用集成芯片，尤其是大規(guī)模集成芯片，而避免使用分離元件和小規(guī)模集成芯片。

（4）測控系統(tǒng)所處的外部環(huán)境往往有嚴(yán)重干擾，因此，應(yīng)盡量選用抗干擾性能好的元器件。如選用CMOS器件來提高噪聲容限；選用測量放大器來抑制共模干擾；選用積分型A/D來抑制工頻干擾等。

（5）在野外作業(yè)的單片機(jī)智能化測試設(shè)備，由于采用電池供電，因此可選用功耗小的CMOS器件。

5 元器件裝配工藝對可靠性的影響

測控系統(tǒng)中包含大量的元件和組件，它們都是通過焊點(diǎn)或接插連接起來的。由于連續(xù)導(dǎo)線數(shù)量大，焊點(diǎn)多，運(yùn)行時(shí)一旦出現(xiàn)故障，往往很難迅速查明故障點(diǎn)。因此，優(yōu)良的安裝工藝是系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。因此在測控系統(tǒng)中必須注意焊點(diǎn)質(zhì)量，防止虛焊；要將較重的元件安裝在印刷底板上，并使用專門緊固件，而不應(yīng)靠焊錫固定；接插件也要安裝可靠，保證接觸良好；結(jié)構(gòu)、布局要合理，各種走線（包括印刷板上的走線）要盡量縮短，并且各部件要遠(yuǎn)離熱源和干擾源。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)一個(gè)高可靠微機(jī)測控系統(tǒng)，除了要考慮精選元器件，防止元器件老化、測試和降額使用等內(nèi)部條件外，還要考慮部件及系統(tǒng)級的可靠性措施。如：冗余技術(shù)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、故障自動(dòng)檢測與診斷技術(shù)、軟件可靠性技術(shù)和失效保險(xiǎn)技術(shù)等。另外，還要保證微機(jī)控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、長期運(yùn)行的良好外部運(yùn)行環(huán)境。