惡劣環境下的工程可靠性保證：標準與實施細則

在當今世界，我們依靠電子設備和組件在需要時按預期運行，但可靠性要求隨不同應用而異。例如，用于跟蹤健身數據的簡單智能手表的可靠性要求與用于患者監測的醫療設備的可靠性要求有很大不同，對于患者監測來說，設備故障可能會產生嚴重后果。

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雖然有許多安全性和可靠性標準與組織，但電氣工程師必須了解高可靠性電子元件的不同篩選級別，以確保其設計符合所需的標準。

設計中所選組件的篩選和可靠性水平可能因應用的特定需求而異，因此選擇正確的組件至關重要。組件必須能夠承受其預期用途的環境條件，包括極端溫度、振動和沖擊。此外，必須對它們進行測試，以確保它們符合所需的安全性和可靠性標準。

機械部件存在各種可靠性標準，例如密封外殼和耐沖擊/振動的能力。盡管如此，您選擇（或需要）遵守的標準也會有所不同，具體取決于特定應用。在本文中，我們將重點介紹電子系統和組件的不同篩選級別，并指導您選擇適合特定應用的組件。

通過標準實現可靠性

設計工程師必須熟悉電子元件的主要通用可靠性和安全標準機構。該領域最重要的兩個機構是國際標準化組織 (ISO) 和國際電工委員會 (IEC)。ISO成立于1947年，擁有800多個委員會，已發布的國際標準超過24500項。同樣，IEC成立于1906年，最初主要負責電氣和電子元件的術語、符號、額定值及初步標準的標準化。雖然詳細討論這兩個機構的眾多成就超出了本文的范圍，但關鍵是要認識到這兩個組織在確保電子元件和系統的安全性和可靠性方面的重要性。

隨著技術的發展，出現了許多其他關于PCB和系統可靠性的標準，例如印刷電路學會 (IPC) 的印刷電路板 (PCB) 標準。由于可靠性與互連數量成反比，因此這些互連的介質（即PCB）會極大地影響整體系統的可靠性。IPC標準涵蓋維修、可焊性、模板設計等等諸多方面。制造PCB所積累的技術，甚至高頻PCB設計等特定應用限制，全部都收錄在了IPC標準中（圖1）。熟悉這些標準有助于設計符合所需安全性和可靠性標準的電子系統和組件。

圖 1：由于可靠性與系統中的互連數量成反比，因此互連是影響電子系統可靠性的重要因素。（圖源：貿澤電子）

軍用和高可靠性標準及篩選

在設計生命攸關的醫療、汽車、航空航天和軍事設備時，確保最高水平的可靠性和安全性是重中之重。軍事和設備制造商已經建立了自己的詞匯和篩選標準，例如商用現貨 (COTS)、電子設備工程聯合委員會 (JEDEC)、汽車電子委員會資格 (AEC-Q)、軍用性能規范 (MIL-PRF) 以及最嚴格的軍用標準，陸海軍通用標準 (JAN)。軌道和航空航天設計必須滿足對抗輻射 (rad-hard) 電子設備的更嚴格要求，這些電子設備提供對高能宇宙粒子的輻射耐受性。大氣層主要保護地面設備，因此太空衛星、探測器和飛船需要進行抗輻射設計以滿足最嚴苛的要求。

這些標準中的每一個都有不同級別的篩選和測試，以確保在各種應用中的高可靠性。例如，AEC-Q根據組件類型和預期用途規定了篩選水平。安全關鍵系統中使用的部件，如安全氣囊或防抱死制動器，需要比非安全關鍵系統中使用的部件更嚴格的檢查。雖然不是專門為軍事或航空航天應用而設計的，但COTS組件應該是可靠的，并且通常按照JEDEC或IPC等行業標準進行測試，以確保它們滿足某些可靠性閾值。同樣，MIL-PRF具有幾個不同的篩選級別，從非關鍵應用的基本篩選到航空電子設備等關鍵系統的嚴格篩選。通過 MIL-PRF篩選過程的組件被指定為JAN組件，并且根據預期用途和所需的可靠性級別，JAN組件有多個篩選級別。

符合JAN標準的組件必須要通過MIL-S-19500流程，雖然它們更難獲得且成本更高，但它們可以提供最高級別的保證。此類產品（如 JANTX、JANTXV 和 JANS）在使用前經過電源調節和壓力測試，以消除有缺陷或可能出現故障的部件。這些組件遵守與粒子撞擊相關的標準，這些撞擊已被證明會降解和劣化半導體材料，逆轉存儲單元的狀態并導致故障。抗輻射規范描述了此類設備的質量、屏蔽和保證驗證。

半導體可靠性

半導體具有特定的可靠性問題，需要設計工程師的關注。雖然基本原理（即防止過壓和過流，在指定的溫度和振動范圍內工作）仍然適用，但處理和焊接技術對于高密度半導體更為關鍵。

半導體制造商長期以來一直警告靜電靈敏度，但早期的半導體相對堅固，可以承受反復的壓力。例如，晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 芯片使用強大的雙極晶體管技術，可以承受靜電放電。然而，隨著互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術的引入及其更高的密度，情況發生了變化。特別是使用低壓工藝技術，現代CMOS 1.8V微處理器內核無法承受壓力。20世紀60年代后期發布的12V 4000V系列CMOS部件更具彈性，但尺寸更小的現代設備更容易損壞。

電源軌保護、緩沖以及啟動和關斷期間的波形控制等設計實踐對于確保高密度CMOS器件的可靠性至關重要。另外還應仔細考慮板對板接口，以防止對組件施加應力。通常不需要屏蔽，除非設計受到高電磁干擾/射頻干擾 (EMI/RFI) 場的影響，或者FCC/TÜV測試時存在輻射問題。但是，數據和時鐘線上的扼流圈有助于降低發出的噪聲。

正確的處理和焊接技術對于高密度半導體也至關重要。制造業已經對工人和機器采取了防靜電措施來保護敏感部件。例如，技術人員和裝配工需要佩戴防靜電腕帶，并使用防靜電墊來防止電荷積聚在工作表面上。這些措施有助于盡可能降低靜電放電 (ESD) 的風險，避免損壞敏感的半導體元件。

此外，隨著現代半導體器件幾何形狀的縮小，封裝的熱性能和管理變得更加關鍵。高密度半導體在更小的封裝中產生更多的熱量，并且必須散發出去以防止熱失控，這可能導致器件過早失效。適當的散熱和冷卻技術，包括熱界面材料，有助于確保高密度半導體的可靠性。

總之，通過適當的處理、焊接和設計實踐，設計工程師可以盡量提高現代半導體的可靠性。通過結合最佳實踐并考慮每個應用的特定要求，工程師可以確保其設計符合所需的安全性和可靠性標準。

什么最適合您的設計？

那么，如何為您的應用選擇合適的可靠性等級呢？ 第一步是確定系統或應用的重要性。它是安全氣囊或防抱死制動器等安全關鍵系統嗎？ 還是像收音機或娛樂顯示器這樣的非關鍵系統？ 這將幫助您確定合適的篩選級別。第二步是考慮組件將承受的環境因素。它會暴露在極端溫度、沖擊、振動或其他惡劣條件下嗎？ 必須對承受惡劣環境的部件進行篩選，以獲得更高的可靠性水平。考慮組件的成本也很重要。更高級別的可靠性通常伴隨著更高的價格，因此在必要的可靠性級別與項目預算之間取得平衡非常重要。

了解高可靠性電子元件的正確可靠性等級可能是一項令人生畏的任務，但了解不同的篩選級別并考慮系統的關鍵性、環境因素和成本有助于更輕松地做出決定。

您服務的細分市場通常會決定必要的可靠性水平。從您選擇的元件開始，電阻器是設計中最常見的元件之一。有許多類型的電阻器可供選擇，只要它們經過處理和適當焊接，并且其工作電路中沒有過度壓力，那么都是可靠的。電阻器可靠性的兩個主要方面是精度和額定溫度。貿澤電子等代理商網站上的選購指南可幫助您輕松選擇所需的精度等級。雖然可以使用低精度上拉電阻，但模擬和音頻等敏感電路需要更高的精度。碳復合材料和繞線電阻器最為堅固，可以承受最多的壓力，而在使用密封的微調電位器時，可變電阻器的可靠性最高。

電容器是影響電路可靠性的另一個主要因素。與電阻器一樣，有許多電容器技術可供選擇，設計人員必須為設計選擇最佳的一種。電容器具有廣泛的值范圍，必須正確處理和焊接才能可靠。它們還具有精度容差；但有些電容器，如電解電容器，具有以小時計的額定使用壽命。雖然低容差應用可以使用精度較低的組件，但RF和模擬電路需要更高的精度才能有效工作。設計人員必須采用優秀的設計實踐和電路保護器件，以確保電容器不會暴露在可能導致其爆炸的過壓條件下。

其他無源元件，如電感器、線圈和變壓器，通常堅韌且有彈性，但適當的焊接也極為重要。繞組過熱會破壞絕緣涂層，導致短路和值變化。電感器需要得到與電路中的電阻器和電容器相同的重視，并且不應因過壓或過流而過驅動。確保它們始終在其額定溫度范圍內運行非常重要。

結語

高可靠性電子元件的選擇有很多。從AEC-Q到COTS，再到MIL-PRF和JAN，為各種應用選擇正確的可靠性等級可能要求很高。但選擇正確的組件并遵守特定的可靠性標準對于確保電子設備在苛刻的條件下能夠可靠地運行至關重要。工程師在為組件選擇適當的篩選級別時，必須考慮系統的關鍵性、環境和成本等因素。組件的可靠性等級隨每種應用的特定需求而異，與值得信賴的供應商合作以確保選擇正確的部件是重中之重。通過結合最佳實踐并考慮每個應用的特定要求，工程師可以確保其設計符合所需的安全性和可靠性標準。

作者簡介

Jon Gabay在完成電氣工程學習后，曾就職于國防、商業、工業、消費、能源和醫療公司，擔任過設計工程師、固件編碼師、系統設計師、科學家和 產品開發人員。作為一名替代能源研究者和發明家，在2004年之前他曾成立并運營了一家專注于自動化技術的公司 - Dedicated Devices。此后，他一直從事技術研發工作，并撰寫了多篇文章，為新一代工程師和學生提供了多種參考資源。