第二单元 可靠性设计

1. 第二单元可靠性设计

2. 降额设计简化设计容差设计热设计电磁兼容设计降额设计简化设计容差设计热设计电磁兼容设计 环境因素 电子产品 工作应力 降额设计应力-强度概率设计疲劳设计 机械产品 余度设计 第八章讲 系统

3. 可靠性设计内容 • 在设计阶段，对未来产品进行可靠性预计可以进行设计方案比较，发现设计中的薄弱环节，从而找出提高可靠性的途径。 • 采用适合电子设备的可靠性设计技术，如元件选择与管理、降额设计、漂移设计、热设计、电磁兼容设计等进行电子设备有效的可靠性设计。 • 概率工程设计是机械产品可靠性设计的重要部分，其主要的基本理论是应力-强度干涉理论。 • 采用硬件余度、软件容错技术及状态监控技术可以提高系统的可靠性。

4. （1）降额设计 • 元器件的设计通常能保证它在使用时承受一定的额定应力。当工作应力高于额定应力时，故障率增加，反之工作应力低于额定应力时，故障率降低。降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力低于元器件或设备规定的额定值，从而达到降低基本故障率，提高可靠性的目的。 • 电子产品的可靠性对其环境应力和温度较敏感，故而降额设计技术对电子产品设计尤为重要。对各类电子元器件都有其最佳降额范围，在此范围内工作应力的变化，对其故障率具有较明显影响，而且在合适的降额范围内，不会在产品的体积、重量和成本方面付出过大的代价。

5. 降额设计的目的: 使元器件低于其额定值的应力条件下工作,降低失效率，提高可靠性水平 降额设计的三个等级: Ⅰ级降额：最大降额 ,适用情况:设备的失效将严重危害人员的生命安全,可能造成重大的经济损失,或工作任务失败后无法维修. Ⅱ级降额：设备的可靠性增长是急剧的,适用情况:设备的失效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合. Ⅲ级降额：可靠性增长的效益最大,适用于设备的失效对工作任务的完成影响小或可迅速修复的情况.

6. 常用元件的降额系数 ①电阻的功率降额系数在0.1-0.5之间 ②二极管的功率降额系数在0.4下，反向耐压在0.5以下 ③发光二极管电压降额系数在0.6以下，功率降额系数在0.6以下 ④功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下 ⑤普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0.3-0.7之间 ⑥钽电容的电压降额系数在0.3以下 ⑦电感和变压器的电流降额系数在0.6以下

7. （2）简化设计 简化设计就是在保证产品性能要求的前提下，尽可能使产品设计简单化。由串联系统可靠性知道，产品的简化设计可以提高产品的固有可靠性，降低维修工作量和成本，减少产品的体积和重量。简化设计应遵循以下原则： • 尽可能减少产品组成部分的数量及其相互间的连接。 • 尽可能实现零、组、部件的标准化、系列化与通用化，控制非标准零、组、部件的比率。 • 尽可能采用经过考验的可靠性有保障的零部件以至整机。 • 尽可能采用模块化设计。

8. （3）热设计

9. 为什么要进行热设计? 高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。

11. 电容的热特性 Y5P/Y5U/Y5V陶瓷电容容值变化-温度曲线

12. 元件的热特性

13. 元件的热特性 温度对电解电容寿命的影响

14. 电阻的热特性 描述电阻热稳定性随温度变化的物理量是αT，数值大小与器件的结构和材料有关，其表达式为: αT—越高，其热稳定性越差。如碳膜电阻在90℃时的基本失效率为0. 0063， 是碳膜电阻在40 ℃时的31 倍。一般的小功率电阻通过引线的传导和本身的对流、辐射散热。电感、电容等无源小功率器件与功率小于1/ 2 W的电阻类似，而对于大功率需要加散热装置。

15. 晶体管的热特性 半导体晶体管是一种热敏器件，当温度变化时，许多参数都要发生变化，尤是半导体的本征载流子浓度，它随着温度的升高而迅速增长，一旦本征载流子浓度趋近于晶体管中最轻区域的掺杂浓度时，晶体管将失去PN 结的特性，这将使PN 结的反向电流显著上升，导致工作点漂移，输出阻抗下降，噪声系数变大和损耗功率增加等一系列问题，严重时甚至可导致晶体管烧毁。如晶体管在160 ℃时的基本失效率为0. 064，是晶体管在40 ℃时的8 倍。因此，在一定条件下必须使电路产生的热量和散去的热量保持动态平衡，确保电路在低于晶体管规定的温度下工作。

16. 集成电路的热特性 集成电路芯片温度与其封装、工作频率、工作电压、安装的位置及环境温度有关。同时，在高温下，半导体器件内部金属材料的化学稳定性受到影响，结果是压焊点处的金属丝性质变脆，容易发生断裂。如集成电路芯片在90 ℃时的基本失效率为0. 51 ，是集成电路芯片在40 ℃时的7. 5 倍。 表面贴装(SMT) 技术比以往的通孔组装技术比较，所采用的热交换方式的选择余地小。对于采用通孔组装技术的双列直插式器件而言，由于接地引脚和电源引脚可与印刷电路板上的具有热传导和热辐射功能的散热板相接触，能将热量及时散发出去，而对于采用SMT 技术元件来说，仅能采用表面接触的方式进行散热，由于表面贴装器件引脚非常细小，因而对热流而言，其流通截面积受到了很大限制，而且缺乏专门的散热片粘接方法，从SMT 上向外进行热交换受到了很大的限制。

17. 温度对产品的影响 • 高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落等。 • 温度对电子元器件的影响：一般而言，温度升高会导致元器件电阻阻值降低；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95°C；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。

18. 热设计主要考虑温度对产品的影响，通过器件的选择、电路设计及结构设计来减少温度变化对产品性能的影响，使产品能在较宽的温度范围内可靠地工作。热设计主要考虑温度对产品的影响，通过器件的选择、电路设计及结构设计来减少温度变化对产品性能的影响，使产品能在较宽的温度范围内可靠地工作。 热设计其实是将热输入降低到最小的程度，并提供低热阻通道，把发热元件的热量传导到温度相当低的散热片上；或者提供通道将设备内的热量排到机外，达到降低设备工作温度的目的。设计原则：

19. 必须与电气设计、机械设计同时进行，并相互兼顾；必须与电气设计、机械设计同时进行，并相互兼顾； • 由于设备特性不同，要协调各设备间温控要求（常温、恒温、制冷、加热等）； • 热控制系统计算应与模拟实验相结合； • 所设计的热控制系统应具有充分的应变能力，可以在变化条件下维持稳定的性能； • 热设计的热控制系统应简单、可靠，符合规范。 • 通常人们认为的使用环境是不易改变的，因此需要采用耐高温元件，或采取“强制性”制冷方法，使元器件工作在额定温度范围之内。

20. 常用方法 • 传导： 在固体材料中认为热流是由分子之间相互作用产生的。传导散热的措施有选用导热系数大的材料制造传导零件；加大与导热零件的接触面积；尽量缩短热传导的路径，在传导路径中不应有绝热或隔热元件。 热传导服从傅立叶定律： 式中：A-传导面积； -为温度变化；K-系数。

21. 对流 对流是固体表面与流体表面的热流动，有自然对流和强迫对流两种。在电子设备中流体通常指的是空气。对流散热的措施有加大温差，即降低周围对流介质的温度；加大流体与固体间的接触面积，如把散热器做成肋片等；加大周围介质的流动速度，使它带走更多的热量。 热对流服从： 式中： 分别为壁面与冷却流体的温度

22. 辐射： 热由物体沿直线向外射出去，叫辐射。辐射散热的措施有在发热体表面涂上散热涂层；加大辐射体与周围环境的温度，即周围温度越低越好；加大辐射体的表面面积。 辐射换热服从： 式中： -导热系数； -表面辐射率； -单位面积辐射量； -遮蔽效应系数。

23. 热设计元件的位置和布局 元器件的位置和布局安排原则： • 发热元器件的位置应安排尽可能分散，如热敏感元器件不要靠近热点、不要使热敏感或高发热元器件相互靠近，对于自由对流冷却设备，不要将元器件正好放在高发热元器件的上方； • 为尽量提高组件的可靠性，元器件在布局上应使温度敏感元器件处于温度最低的区域； • 对于冷壁冷却的电路插件，应使敏感元器件靠近插件边缘。 • 在元器件安装方面，热设计的目的是尽量减小外壳与散热器之间的热阻，具体原则有： （1）为尽量减小传导热阻，应采用短通路； （2）为尽量减小热阻，应加大安装面积； （3）为尽量减小热阻 采用热导率高的材料； （4）当利用接触界面时，尽可能增大接触面积，以减小接触热阻。

24. 印制电路板及机箱的热设计 随着印制电路板上元件的安装密度增加，相应的发热功率密度上升。如： • 单块印制板的发热功率：5-10W； • 由集成电路组成的航空电子组件发热功率：20-30W； • 集成电路单位面积功耗：0.01-0.1W/cm2。 因此，印制板的温度控制迫在眉睫。印制板的尺寸按电子部标准SJ2313-83选取，减少热应力（产生焊点短开，板绕曲，铜箔层剥离，断裂或短路等）措施：

25. 对电阻、电容、二极管的安装、应先留有余量；对电阻、电容、二极管的安装、应先留有余量； • 对各种功率晶体管的安装可将应先弯曲后再插入印制板焊牢； • 对温度敏感元件应置于冷气的进口端，对自然散热的印制板应考虑气流流向； • 以开式机箱自然对流散热为例，由能量守恒原理，通风孔带走的热量为： 式中： -定压比热容； -空气密度； -通风孔面积； -进出口温差。

26. 开式机箱总的热交换为： 式中： 分别为机箱侧、顶、底面积； 为辐射系数； 。机箱外面的自然对流热交换式为： 利用能量守恒定律即可换算出温升，与设计要求对比看是否满足期望值。如果不满足，采用冷却防止制冷，冷却主要有自然冷却、强迫空气冷却、冷板式冷却。

27. 风路设计方法 • 自然冷却的风路设计 （1）机柜的后门(面板)不须开通风口。 （2）底部或侧面不能漏风。 （3）应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。 （4）机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。

28. 自然冷却时进风口面积的计算 在机柜的前（后）面板上开各种形式的通风孔或百叶窗，以增加空气对流，进风口的面积大小按下式计算： Sin=Q/(7.4×10-5H×Δt×1.5) Sin-通风口面积的大小（cm2）；Q-机柜内总的散热量（W）；H-机柜的高度（cm），约模块高度的1.5-1.8倍；Δt=t2-t1－内部空气t2与外部空气温度t1之差（℃），出风口面积为进风口面积的1.5-2倍。

29. 自然冷却 优点：无噪音污染，工作可靠 缺点：散热能力较差，适用于发热不高的场合 空气自由流动和热辐射

30. 强迫冷却的风路设计 • 如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源。 • 如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，发热量小的区域元器件布局应稍密些或加导流条，使风能有效流到关键发热器件。 • 如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。 • 进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。

31. 强迫冷却风扇选择 • 计算所需风量： q′=Q/(0.335△T) 式中：q′-实际所需的风量（M3/h），Q-散热量（W），△T--空气的温升（℃），一般为10－15℃。 • 按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量： • q=(1.5-2)q′按最大风量选择风扇型号。

32. 强迫冷却方式 优点：散热能力较自然冷却明显提高 缺点：有噪音，有震动，当风扇转速提高时噪音明显加大；可靠性不如自然冷却，如果风扇停转，可能导致温度超过设计指标 强迫空气冷却

33. 风道的设计原则： • 风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力； • 尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小； • 风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形。

34. 例题 10KUPS主功率管部分的实际总损耗为800W，空气温升按15℃考虑，请选择合适的风扇。 解:实际所须风量为： q′=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15) =159.2m3/h 按照2倍的裕量选择风扇的最大风量： q=2q′=2×159.2=318.4m3/h

35. 冷却方式选择 允许温升40℃时自然冷却与强迫空气冷却的选择 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于390W/m2，可采用自然冷却。 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于240W/m2，可采用自然冷却。 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于390W/m2而小于780W/m2，必须采用强迫风冷。 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大于240W/m2而小于780W/m2，必须采用强迫风冷。

36. 液冷方式

38. 热管冷却方式 热管是一种传热性极好的人工构件，常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管，内部有少量工作介质和毛细结构，管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理：⑴在真空状态下，液体的沸点降低；⑵同种物质的汽化潜热比显热高的多；⑶多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。典型的构造和工作过程如图所示：与热源靠近的一段（蒸发段）内的液体吸热而蒸发，蒸汽携带汽化潜热经空腔流向另一段（冷凝段），汽体经管壁与外界冷媒体换热放出潜热而完成了传热任务，冷凝成液体，经毛细结构的抽吸力量或重力回流到蒸发段进入下一个工作循环。

39. 工程中常见的冷却方式 电力 军工电源 变频调速 计算机

41. PCB的热设计 有机材料FR4约为0.3 PCB选材 (1) 印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过125 ℃ (常用的典型值。根据选用的板材可能不同)。由于元件安装在印制板上也发出一部分热量, 影响工作温度, 选择材料和印制板设计时应考虑到这些因素， 热点温度应不超过125 ℃。尽可能选择更厚一点的覆铜箔。 (2) 特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。 (3) 采用多层板结构有助于PCB 热设计。

42. PCB的热设计 PCB元件布局 (1) 可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上; (2) 板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放， 如无法避免， 则要把矮的元件放在气流的上游， 并保证足够的冷却风量流经热耗集中区; (3) 使传热通路尽可能的短; (4) 使传热横截面尽可能的大; (5) 元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件(含半导体器件) 应远离热源或将其隔离; (6) (液态介质) 电容器的最好远离热源; (7) 注意使强迫通风与自然通风方向一致; (8) 附加子板、器件风道与通风方向一致; (9) 尽可能地使进气与排气有足够的距离; (10) 发热器件应尽可能地置于产品的上方， 条件允许时应处于气流通道上; (11) (小信号放大器外围器件) 尽量采用温漂小的器件; (12) 尽可能地利用金属机箱或底盘散热。

43. 布线时的要求 (1) 根据器件电流密度规划最小通道宽度; 特别注意接合点处通道布线; (2) 大电流线条尽量表面化; 在不能满足要求的条件下, 可考虑采用汇流排; (3) 要尽量降低接触面的热阻。为此应加大热传导面积; 接触平面应平整、光滑, 必要时可涂覆导热硅脂; (4) 热应力点考虑应力平衡措施并加粗线条; (5) 散热铜皮需采用消热应力的开窗法, 利用散热阻焊适当开窗; (6) 视可能采用表面大面积铜箔; (7) 对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘, 以充分利用安装螺栓和印制板表面的铜箔进行散热; (8) 尽可能多安放金属化过孔, 且孔径、盘面尽量大, 依靠过孔帮助散热; (9) 器件散热补充手段; (10) 采用表面大面积铜箔可保证的情况下, 出于经济性考虑可不采用附加散热器的方法; (11) 根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积

44. 系统的热设计与仿真 ATX（AT Extend）标准由Intel于1995年提出，相对于原来的AT卧式机箱标准，ATX推荐使用立式机箱，设计了一条从前到后的风道，为CPU和电源功率的提升奠定了基础。 举例：从ATX标准到BTX标准

45. 经过近十年的发展，如今的处理器、显卡、内存甚至主板芯片组无论是工作速度还是在功耗上都提高了不少。为了解决电脑整体散热的问题，04年Intel推出了BTX（Balanced Technology eXtended）规范。相比年迈的ATX而言，BTX主要的改进便是在散热设计上。BTX规范重新设计了处理器、主板芯片组的位置，一个大尺寸风扇从机箱前面板吸入冷风，经过CPU、主板芯片组最终再将热风吹出机箱。如此来组建一个良好的散热风道。 大尺寸风扇

46. 大尺寸风扇

47. 系统的热设计仿真 大尺寸风扇

48. 热设计仿真软件 FLOTHERM系统散热分析软件介绍 FLOTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱----英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件，全球排名第一且市场占有率高达80%以上。 FLOTHERM采用了成熟的CFD（Computational Fluid Dynamic计算流体动力学）和数值传热学仿真技术并结合了FLOMERICS公司在电子设备传热方面的大量独特经验和数据库开发而成，同时FLOTHERM软件还拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库。 FLOTHERM软件的应用范围： 芯片和器件封装级热分析和热设计 PCB板级和模块级热分析和热设计 系统整机级热分析和热设计 环境级热分析和热设计 应用FLOTHERM软件可以在以上各种不同层次对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析。

49. 某电源FLOTHERM模型

50. 某电源FLOTHERM分析结果