微机测控系统中元器件的可靠性与选择

2006-05-07 15:49:32来源: 国外电子元器件

元器件可靠性是选择电子元器件、电路设计和软件编程的理论基础。而可靠性是用以描述系统长期稳定、正常运行能力的一个通用概念,也是产品质量在时间方面的特征表示。从统计角度来看,它是某个产品或系统在某一时间内稳定并正常完成预定功能指标的概率。总之,可靠性是指产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力,常用可靠度、失效率、平均无故障时间三个特征量对其进行描述。

影响测控系统可靠性的因素有内部与外部两方面。内部因素主要有元器件本身的性能与可靠性、系统结构设计、安装与调试。外部因素是指测控系统所处的工作环境(外部设备或空间条件)所导致的系统不可靠运行的所有外界因素。在系统设计时,元器件的选择是根本,其性能的好坏与稳定性将直接影响整个系统的性能与可靠性。因此,在可靠性设计当中,首要的工作是精选元器件,并使其在长期稳定性、精度等级方面满足要求。元器件的可靠性研究主要包括元件的失效特性、的效机理、抗干扰性能、元件选用方法、安装工艺及环境对元件性能的影响等方面。文中将对此作详细介绍。

1 元器件的失效特性

元器件的失效特征,主要是指失铲规律和失效形式。

1.1 失效规律

元器件的失效规律分为三部分:早期失效期、稳定工作期和衰老期。早期失效主要发生在元件制造或微机系统刚投入运行后的短暂时间,其失效原因主要有:(1)元件本身存在的固有缺陶,如漏气、接点断裂等;(2)安装工艺不可靠,如焊接不牢固等;(3)环境条件恶化,如温度高、温度大(可加速元件的失效)。可以通过筛选元件、严格安装工艺以及防止安装前元件的老化来克服元件的早期失效。

稳定工作期元件的突然性失效少,暂时性故障较多,这是因为元器件工作中的瞬时应力超过了元件所能承受的强度。而衰老期元件的失效率大大增加,可靠性也急剧下降。因此造成元件衰老的主要原因是:元件物理变化和机械磨损。

1.2 失效形式

元器件的失效形式可分为:突然失效、退化失效、局部失效和全部失效。突然的效是因元件参数急剧变化,或因元件制造工艺不良、环境条件变坏而导致短路或开路所造成的。退化失效是因元件制造公差、温度系数变化、材料变质、电源电压波动、工艺不良等因素使元器件参数逐渐变差,性能逐渐降低而形成的。由退化失铲而导致的系统局部功能失效,称为局部失效;由突然失效而使整个系统失效,称为全局失效。

2 元件的失效机理

元件的失效直接受温度、湿度、电压、机械的影响。

2.1 温度影响

(1)环境温度对半导体器件的影响

环境温度升高将使半导体器件的最大允许功耗下降。因为温度升高将直接使结温升高,引起最高工作电压下降,P-N结构的正向压降减少,其开门和关门电平减少,元件的低电平抗干扰电压容限随温度的升高而变小,而高电平抗干扰电压容限则随温度升高而增大,因而造成输出电平偏移,波形失真,稳态失调,甚至会出现P-N结热击穿而损坏。

(2)温度变化对电阻的影响

温度变化对电阻的影响主要是当温度升高时,电阻内部的热噪声加剧使其阻值偏离标准值、允许耗散功率下降等。

(3)温度变化对电容的影响

温度变化将引起电容介质损耗变化,从而影响电容的使用寿命,同时还会引起阻容时间常数的变化,甚至可能发生因介质损耗过大而热击穿的情况。

此外,温度升高也将使电感线圈、变压器、扼流圈等器件的绝缘性能下降。为了减小由温度引起的干扰,除了选用热稳定性能好的元器件外,还要改善其运行环境条件。

2.2 湿度影响

湿度很高的运行环境将使那些密封性能较差的元件受到腐蚀,从而造成退化失效;在这种环境下,当含酸碱性的尘埃落到线路板或配电盘上时,将迅速腐蚀元器件的焊点与接线处,从而造成焊点脱落,接头断裂而引起接触故障;湿度过高也是引起漏电耦合的主要原因。当具有导电性的尘埃落到线路板上时,其表面的绝缘性能下降。若高电压因漏电而耦合到低电压器件,将可能造成电压击穿。

2.3 振动、冲击影响

机械振动与冲击会使一些内部有缺陷的元件加速失效,从而造成灾难性故障;机械振动还会使焊点、压线点发生松动而导致接触不良;若振动导致某些不应相连的导线碰连,会产生意想不到的后果。

2.4 电压的影响

加在元器件上的电压的稳定性是保证元器件能够正常运行的重要条件。过高的电压会增加元器件的热损耗,甚至造成电压击空。

3 元件的降额设计

降额使用是指在低于额定电压和电流条件下使用元器件,对元件进行降额设计的目的是为了使元件可以降额使用,降额设计能提高元器件的可靠性。降额设计元器件寿命试验表明,失效率随着工作电压、环境温度的提高而成倍地增加。降额设计就是为了使元件在低于其额定应力情况下工作。影响设计机系统可靠性的应力有:电应力(电压、电流、功率和频率等)、温度、机械应力(振动、冲击等)。当工作应力高于额定应力时,其失效率就增加。反之,则降低。例如,在电阻使用时,实际负载功率要低于额定功率的30%,在装配精度要求很高时,应低于额定功率的50%;而电阻使用的最高电压,最好只用到最高允许值的50%左右。特别是在高压电路中,若考虑到由于尘埃和湿度的影响而导致漏电增多,以降低电压50%左右使用是比较安全的;在高频使用时,由于分布电容的存在,其阻值一般都要减小。通常体积小、阻值低的电阻,特性变化较少,高频特性也好。因此,在较宽频带的电路中,最好选用体积小的金属膜电阻,并应尽量缩短引线。不让高频信号通过高阻值的电阻。若在高频电路中使用线型电阻,则以选用低电阻为好。此外,还应注意印刷电路板的接地布置,以尽量降低电阻的对地分布电容。降额使用多用于无源元件、大功率器件、电源模块或大电流开关器件等。而它通常不适用于TTL器件,因为TTL电路对工作电压范围要求较严。

4 元器件的选择

元器件的正确选用是微机测控系统可靠性设计中的重要环节。在选择元器件时,不但要满足性能要求,而且还必须是集成度高,抗干扰能力强,功耗又小的电子器件。在系统设计中半导体器件的选择对系统的性能和可靠性影响极大。以下是半导体器件的选择原则:

(1)为了使半导体器件满足系统性能要求,必须深入了解元器件的电器参数。例如,对于二极管,应考虑最大反响电压、最大正向电流、反向电流、正向压降和工作频率。对于集成电路,要考虑的主要有电源电压、负载电流、输入信号电压、输出电平、环境温度、扇出数以及封装形式等。

(2)为了使半导体器件满足系统可靠性要求,要注意温度对器件性能的影响,通常应选择温漂小、稳定性好的元器件。

(3)测控系统选用集成度较高的芯片可以减少元器件的数量,使印刷电路板布局简单,减少焊接和连线,因而可大大减少故障和干扰的概率,使系统的可靠性大大提高。因此,在测控系统中,应尽量选用集成芯片,尤其是大规模集成芯片,而避免使用分离元件和小规模集成芯片。

(4)测控系统所处的外部环境往往有严重干扰,因此,应尽量选用抗干扰性能好的元器件。如选用CMOS器件来提高噪声容限;选用测量放大器来抑制共模干扰;选用积分型A/D来抑制工频干扰等。

(5)在野外作业的单片机智能化测试设备,由于采用电池供电,因此可选用功耗小的CMOS器件。

5 元器件装配工艺对可靠性的影响

测控系统中包含大量的元件和组件,它们都是通过焊点或接插连接起来的。由于连续导线数量大,焊点多,运行时一旦出现故障,往往很难迅速查明故障点。因此,优良的安装工艺是系统系统设计的重要环节。因此在测控系统中必须注意焊点质量,防止虚焊;要将较重的元件安装在印刷底板上,并使用专门紧固件,而不应靠焊锡固定;接插件也要安装可靠,保证接触良好;结构、布局要合理,各种走线(包括印刷板上的走线)要尽量缩短,并且各部件要远离热源和干扰源。

6 结束语

设计一个高可靠微机测控系统,除了要考虑精选元器件,防止元器件老化、测试和降额使用等内部条件外,还要考虑部件及系统级的可靠性措施。如:冗余技术、电磁兼容性设计、故障自动检测与诊断技术、软件可靠性技术和失效保险技术等。另外,还要保证微机控制系统具有稳定、可靠、长期运行的良好外部运行环境。

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