电子产品结构设计与制造工艺教材模板.doc

第一章 概述
1．1 电子设备结构设计和制造工艺
1．1．1现代电子设备特点
目前，电子技术广泛地应用于国防、国民经济各部门和人民生活等各个领域。
因为生产和科学技术发展，新工艺和新材料应用，超小型化元器件和中大规模、超大规模集成电路研制和推广，使电子设备在电路上和结构上产生巨大改变。小型化、超小型化、微型化结构出现，使得部分传统设计方法逐步被机电结合、光点结合等新技术所替换，再加上电子设备要适应愈加广泛用途和恶劣苛刻工作环境，就使现代电子设备含有不一样于过去特点。这些特点可归纳为以下几方面：
1． 设备组成较复杂，组装密度大
现代电子设备要求含有多个功效，设备组成较复杂，元器件、零部件数量多，且设备体积要小，组装密度大。尤其是超大规模集成电路及其衍生多种功效模块出现，使电子设备组装密度较过去提升了很多。
2． 设备使用范围广，所处工作环境条件复杂。
现代电子设备往往要在恶劣而苛刻环境条件下工作。有时要承受高温、低温和巨大温差改变；高湿度和低气压；强烈冲击和振动；外界电磁干扰等。这些全部会对电子设备正常工作产生影响。
3． 设备可靠性要求高、寿命长
现代电子设备要求含有较高可靠性和足够工作寿命。可靠性低电子设备将失去使用价值。高可靠性电子设备，不仅元器件质量要求高，在电路设计和结构设计中全部要作出较大努力。
4． 设备要求高精度、多功效和自动化
现代电子设备往往要求高精度、多功效和自动化，有还引入了计算机系统，所以其控制系统较为复杂。精密机械广泛地应用于电子设备是现代电子设备一大特点。自控技术、遥控遥测技术、计算机数据处理技术和精密机械紧密结合，有电子设备要求有智能实现人机交流，使电子设备精度和自动化程度达成了相当高水平。
上述电子设备特点，只是对整体而言，具体到某种设备又各具自己特点。因为现代电子设备含有上述特点，对电路设计和结构设计要求更高了，设计、生产人员充足了解电子设备特点，对于确保电子设备性能满足使用要求十分必需。
1．1．2 电子设备制造工艺和结构设计
工艺工作是企业生产技术中心步骤，是组织生产和指导生产一个关键手段。在产品设计阶段，它内容是确定产品制造方案并完善生产前技术准备工作；在产品生产制造阶段，它关键内容是组织指导符合设计要求加工生产，直至出厂为止而采取必需技术和管理方法。工艺工作按内容可分为工艺技术和工艺管理，前者是生产实践劳动技能和应用科学研究结果积累和总结，是工艺工作关键；后者是对工艺工作计划、组织、协调和实施，是确保工艺技术在生产中落实和发展管理科学。工艺技术实现和发展是由科学工艺管理工作来确保和实现。工艺工作将各个部门、各个生产步骤联络起来成为一个完整整体。它着眼点就是促进每项工作操作简单、流畅、高效率、低强度。
设计和制造电子设备，除满足工作性能要求外，还必需满足加工制造要求，电路性能指标实现，要经过具体产品结构表现出来。电子设备是伴随电子技术发展而发展，其结构和组成形式也随之发生改变。早期设备较简陋，考虑关键问题是电路设计。到二十世纪四十年代，出现了将复杂设备分为若干部件，树立起结构等级优异想法；为预防气候影响，研制出密封外壳；为预防机械过载而研制出减振器，设备结构功效深入完善，结构设计成为电子设备设计内容。随即，因为军用电子技术发展和野战需要，结构设计内容逐步丰富起来。现在，结构设计在电子设备设计中占有较大比重，直接关系到电子设备性能和技术指标（条件）实现。电子设备结构设计和生产工艺任务就是以结构设计为手段，确保所设计电子设备在既定工作环境条件和使用要求下，达成技术条件所要求各项指标，并能稳定可靠地完成预期功效，即确保电子设备可靠性。
1．1．3 《电子设备结构设计和制造工艺》课程内容
《电子设备结构和工艺》包含了力学、机械学、材料学、热学、电学、化学、美学、环境科学等多门基础学科内容，是一门综合性应用型边缘学科，作为一门课程，它内容只能包含电子设备机构和工艺最基础内容，具体包含以下内容：
1. 电子设备工作环境及其对设备要求；
2. 可靠性及提升可靠性方法；
3. 电子产品常见材料防腐蚀方法；
4. 温度对电子设备影响及散热方法；
5. 减振缓冲原理及常见减振器选择；
6. 电磁干扰及其屏蔽，接地技术；
7. 电子设备元器件布局和装配；
8. 印制电路板结构设计和制造工艺；
9. 电子设备整机装配和调试；
10. 电子产品微型化结构及整机结构。

1.2 电子设备工作环境及其对设备影响
电子设备所处工作环境，按其成因大致可为自然环境、工业环境和特殊使用环境。除自然环境外，工业环境和特殊使用环境通常是人为制造和改变，故也被称为诱发环境。表1.1中列举环境分类包含了电子设备可能遭遇多种基础环境。
环境原因造成设备故障是严重。国外曾对机载电子设备进行故障剖析，结果发觉，50%以上故障是由环境原因所致。而温度、湿度、振动三项环境造成故障率则高达44%。
环境原因造成设备故障和失效可分为两类：一类是功效故障，指设备多种功效出现不利改变，或受环境条件影响功效不能正常发挥，一旦外界原因消失，功效仍能恢复；另一类是永久性损坏，如机械损坏等。

表1.1
自然环境
工业环境和特殊使用环境（诱发环境）
温度
雾气
温度梯度
加速度
湿度
辐射
高压、低压
高强度噪声
大气压
真空
瞬态冲击
电磁场
降雨
磁场
高能冲击
腐蚀性介质
风沙
静电场
周期振动
固体粉尘
盐雾
生物原因
随机振动

电子设备所处环境即使复杂多样，但按其对设备影响划分，归纳起来不外乎三个方面，即气候原因影响，机械原因影响，电磁干扰（也称噪声干扰）影响。

1．3 对电子设备基础要求
为使电子设备含有很好使用性能和制造工艺性能，并使其在多种工作环境下能正常可靠地工作，设计和制造电子设备时应满足对应要求。
1．3．1 工作环境对电子设备要求
如前所述，工作环境包含气候环境、机械环境和电磁环境，它们影响着设备性能和寿命，为降低和预防多种原因对设备不良影响，使其能适应工作环境，对设备提出了以下要求：
1． 气候条件对电子设备要求
（1）采取散热方法，确保电子设备工作温度不会过高，元器件工作温度不超出许可温度。
（2）采取防护方法，确保设备内结构件、零部件不受潮湿、盐雾、大气污染等气候原因侵蚀。对一些电子设备或部件还应采取密封方法。
2． 机械条件对电子设备要求
（1）采取减振缓冲方法，确保设备内多种元器件、零部件在外界机械条件作用下不致损坏和失效。
（2）提升设备耐振动抗冲击能力，确保其工作可靠性。
3． 电磁环境对电子设备要求
（1）采取多种屏蔽方法，使电子设备在多种干扰存在情况下，还能有效地工作，从结构上提升电子设备电磁兼容能力。
（2）经过合理布线、线路设计和接地，从电路方面降低电磁干扰对设备影响。
1．3．2 使用方面对电子设备要求
电子设备生产设计是基于使用，应充足考虑使用方面对设备要求。
1． 体积重量要求
电子设备正在向小型化发展，体积和重量日益减小，这是电子设备得到广泛应用原因之一。减小设备体积和重量不仅有经济意义，有时甚至起决定作用。比如军用电子设备，减小其体积重量，直接影响部队战斗力和装备使用灵活性，同时对减小体力消耗，提升战斗力相关键作用。研究电子设备体积重量要求，应考虑设备用途、运载工具、机械负荷等原因。另外，对于生产批量很大产品还要尤其考虑经济原因。
描述电子设备体积重量指标关键有两个：平均比重（重量体积比）和体积填充系数。
首先，紧凑性提升，受到温升限制。设备平均比重增大，则单位体积发烧量增加，为确保设备正常工作，就需要采取冷却系统，而冷却系统本身就含有一定体积和重量，反而提升了设备总体积和总重量。温升限制是大多数设备（尤其是大功率设备）提升紧凑性时碰到最大困难。
其次，紧凑性提升，设备稳定度下降。尤其是超高频和高压设备，分布电容广，易产生自激和脉冲波形变坏。另外，元器件之间距离小还轻易产生短路和击穿。
再次，紧凑性提升给生产时装配和使用时维护修理带来一定困难，降低设备可靠性。
最终，紧凑性高设备，在整机结构方面要求有较高零件加工精度和装配精度，所以提升了产品成本。
2． 操纵维修要求
电子设备操纵性能怎样，是否便于维护修理，直接影响设备可靠性。
在设备结构设计中要全方面考虑。
（1）设备要操纵简单，控制结构轻便，为操纵者提供良好工作条件。
（2）设备安全可靠，有保险装置。当操纵者发生误操作时，不会损坏设备，更不能危及人身安全。
（3）设备体积填充系数在可能情况下应取低部分（最好不超出0.3），以确保元器件间有足够空间，便于装拆和维修。
（4）有便于维修结构。如采取插入式或折叠式结构；快速装拆结构；可换部件式结构；可调元件、测试点部署在设备同一面等。
（5）设备应含有过负荷保护装置（如过电流、过电压保护），危险和高压处应用警告标志和自动安全保护装置（如高压自动断路门开关）等，以确保维修安全。
（6）设备最好含有监测装置和故障预报装置，能使操纵者尽早发觉故障或估计失效元器件，立即更换维修。
1．3．3 生产方面对电子设备要求
1． 生产条件对电子设备要求
电子设备在研制阶段以后要投入生产。生产厂设备情况、技术水平、工艺水平、生产能力、生产周期、生产管理水平等原因，全部属于生产条件。电子设备假如要顺利地生产必需满足生产条件对它要求，不然，就不可能生产出优质产品，甚至根本无法生产。
（1）电子设备中零部件、元器件品种和规格尽可能地少，技术参数、形状、尺寸应尽最大程度标准化和规格化，尽可能采取生产厂以前曾经生产过零部件或其它专业厂生产通用零部件或产品，这么便于生产管理，有利于提升产品质量，保持产品继承性，并能降低成本。
（2）设备中机械零部件、元器件必需含有很好结构工艺性，能够采取优异工艺方法和步骤，原材料消耗降低，加工工时短。比如，零件结构、尺寸和形状便于实现工序自动化；以无屑加工替换切削加工；提升冲制件、压塑件数量和百分比等。
（3）设备所使用原材料，其品种规格越少越好，应尽可能地少用或不用珍贵材料，立足于使用国产材料和起源多、价格低材料。
（4）设备（含零部件）加工精度要求要和技术要求相适应，不许可无依据地追求高精度。在满足产品性能指标前提下，其精度等级应尽可能低，装配也应简易化，尽可能不搞选配和修配，便于自动流水生产。
2． 经济性对电子设备要求
电子设备经济性包含使用经济性和生产经济性两方面内容。设备在使用、贮存和运输过程中所消花费用，称为使用经济性，其中维修费所占百分比最大，电费次之。生产经济性是指生产成本，它包含生产准备费用，原材料和辅助材费用，工资和附加费用、管理费用等。为提升产品经济性。在设计阶段应考虑以下多个问题：
（1）研究产品技术条件，分析产品设计参数、性能和使用条件，正确制订设计方案和确定产品复杂程度，这是产品经济性首要步骤。
（2）由产量确定产品结构形式和生产类型。产量大小决定着生产批量规模，进而影响生产方法类型。
（3）在确保产品性能条件下，按最经济生产方法设计零部件，在满足产品技术要求条件下，选择最经济合理原材料和元器件，以降低产品成本。
（4）周密设计产品结构，使产品含有很好操作维修性能和使用性能，降低设备维修和使用费用。

1．4 可制造性设计（DFM）概念
1.4.1 可制造性设计概念
为何现今管理对设计师在这方面表现尤其重视呢？关键是因为设计是整个产品寿命第一站。在效益学见解上来说，问题越早发觉就能够越早处理，其成本效益也就越高，问题对企业造成损失也就越低。在电子生产管理上，曾有学者做出这么估计，即在每一个关键工序上，其后工序处理成本费用为前一道工序10倍以上。比如设计问题假如在试制时才给更正，其所需要将会较在设计时处理高出超出10倍，而假如这设计问题没法在试制时处理，当它流到再下一个关键工序批量生产时，其处理费用就可能高达100倍以上。另外，对于设计造成问题，即使企业拥有最好设备和工艺知识，也未必能够很完善处理。所以基于以上原因，把设计工作做好是门很关键管理。所谓把设计做好，这里指是包含产品功效、性能、可制造性和质量等各方面。
目前技术快速发展，如芯片集成、电子组装、材料、生产设备和管理技术等方面快速发展使得电路板组装密度越来越高，电子产品亦向微型化、低价格、多功效方向发展，这就造成制造对设计依靠越来越强。
不管企业从事是什么样产品，不管设计师面正确用户是内部或是外部用户，对设计师要求全部可说是一致。她们要求全部离开不三方面。即优良或最少满意品质、相对较低成本（或价格）、和有较短而立即交货期。而身为一代设计师，其职责已不是单纯把产品功效和性能设计出来那么简单，而是必需对以上所提到三方面负责，并做出贡献。
现在在工业界里，几乎没有些人不谈‘品质’管理。优异管理观念强调，品质不是制造出来，而应该是设计出来。这观念有其关键地方，是使用用户从以往较被动关注点（生产线上）移到较主动关注点（设计上）。但说法不够完善。严格和具体来说，品质既不是生产来，也不是单靠设计来，而应该是配合来。好品质是经过良好设计（配合工艺和生产能力设计），优良工艺调制，和生产线上工艺管制而取得。而这三者又是需要有良好品质管理理念、知识、系统和制度来确保。
在确保产品高而稳定品质、高生产效率和低生产成本、和正确交货时间，我们生产线必需要有一套所谓‘坚固工艺’（Robust Process）。而坚固工艺是必需经过设计、工艺能力、各设备性能之间完好配合才能实现。所谓坚固工艺，是指其对外界多种影响它表现原因灵敏度很低。也就是说，对这些原因大改变，其整体效果还是稳定不变或只限于合格范围内变动。
‘坚固工艺’是相正确，所以一套设计规范也是有其针对性。它在某一生产环境下（设备、管理、材料、工艺能力、品质标准）可能是‘坚固’，但在另一个环境下却可能变得不‘坚固’。所以，设计好和不好，也是有它特定性。用户必需了解和切记这一点。
1.4.2 DFM包含内容
DFM包含内容有以下部分方面，
l 热对产品影响
l 器件特征
l 可检验和可测试性
l 对环境高度适应能力（稳定性）
l 耐腐蚀性
l 可制造性、可维修性
l 防静电能力
对DFM/DFT/DFR/DFA等要求，给设计人员增加了压力，对于相关不确定问题，可求援于工艺或相关人员。
产品设计要素有以下部分方面，不一样产品有不一样考虑关键
l DFV——价格设计Design for Value (performance / price ratio)
l DFR——可靠性设计(Design for Reliability)
l DFM——可制造性设计(Design for Manufacturability)
l DFA ——可装配性设计(Design for Assembly)
l DFT ——可测试设计(Design for Testability)
l DFS ——可维护性设计(Design for Servicability)
各设计阶段考虑原因亦有所不一样，设计者应明白在设计中应考虑何种内容。
设计步骤和内容 注意点
电路 DFV, DFM, DFT, DFR
PCB DFA, DFM, DFT, DFR, DFS
热设计 DFR
EMC, EMI, ESD DFT, DFR
机械设计 DFV, DFA, DFM, DFT, DFR, DFS
软件 DFT, DFS
材料选择 DFA, DFM, DFT, DFR, DFS
封装及包装 DFA, DFR

优良制造性标准从2方面来定义。一是产品可制造性，包含高生产效率、产品高稳定性、生产线可接收缺点率几方面定义；其次是产品高可靠性定义，如产品适应不一样环境改变参数定义、产品使用周期定义。
工艺设计内容包含以下部分方面，从可制造性角度看，设计人员应有所了解，从而在设计中灵活利用，愈加好和工艺人员沟通。
l 基础工艺路线选择
l 设备能力考虑
l 设备辅助工具考虑
l 工艺设计规范
l 工艺参数调制
l 工艺管制及检验

1．5 产品可靠性
1．5．1 可靠性概述
1． 可靠性概念
可靠性是指产品在要求时间内和要求条件下，完成要求功效能力。可靠性概念包含三层涵义：首先，产品可靠性是以“要求条件”为前提。所谓“要求条件”是指在要求时内产品使用时应力条件、环境条件和储存条件等，。要求条件不一样，产品可靠性不一样。比如，通常半导体器件使用时输出功率越小，其可靠性越高。又如，同一台电子设备在试验室中使用和在野外使用，可靠性相差很大，环境条件越恶劣，设备可靠性越低。其次，产品可靠性和“要求时间”亲密相关。通常说来，产品经过一个老化时间后，有一个较长时间稳定使用期，以后，伴随时间推移，稳定性逐步下降，可靠性降低。时间越长，可靠性越低。最终，产品可靠性是用完成“要求功效”来衡量。这里所谓功效是指产品全部功效，而不是其中一部分。产品只有完成要求全部功效，才被认为是可靠。
可靠性是产品质量一个关键方面，通常所说产品质量好，包含两层意思：一是达成预期技术指标，二是要在使用中很可靠。依据研究具体对象，应对电子产品使用条件、使用时间、功效和失效做出具体要求。
产品可靠性是用概率来表示。产品在使用过程中，常常因为多种偶然原因，如元件忽然损坏、应力（电负荷、温度、机械影响等）突变、维护或使用不妥等影响而失效，即某一具体产品失效含有偶然性。不过，大量偶然事件中包含规律性是肯定。我们能够用概率方法来表示随机事件发生可能性大小。即我们虽无法确切地知道产品出现失效时间，但我们能够求出产品在要求时间和条件下完成要求功效可能性大小。
2． 可靠性关键指标
电子产品功效发挥，在很大程度上取决于产品可靠性高低。在可靠性理论中，描述可靠性特征量有很多个，这里给出可靠性最基础多个指标。
（1）可靠度（正常工作概率） 可靠度是指产品在要求条件下和要求时间内完成要求功效概率。显然，可靠度是可靠性定量表示。通常见R(t)表示。
R(t)= ×100% （1.1）

式中 R(t)——产品在时间t内正常工作概率；
N——试验样品数；
n ——要求时间t内故障数；
（N - n）——要求时间t内仍然完好产品数。
可靠度物理意义是：到某个试验期时，仍然完好产品数和试验产品总数百分比，即完好产品（不失效）概率。试验样品按要求抽取，不可能无穷多，有足够数量即可。
在1.1式中，当t=0时，表示产品试验或工作早期，R(0)=1，表示产品全部完好；当t=∞，即产品试验或工作了无穷长时间， R(∞)=0，表示产品全部达成寿命终止期。显然，0≤R(t)≤1 ，R(t)越靠近1，表示可靠度越大。
（2）故障率 故障率是指产品在要求条件和要求时间内，失去要求功效概率。通常见F(t)表示。
F(t)= ×100% （1.2）
F(t)越靠近1，表示产品故障率越高。F(t)和R(t)是对立事件，二者关系是：
F(t)+R(t)=1 （1.3）
（3）失效率（瞬时失效率） 失效率是指产品工作到t时刻后一单位时间内失效数和在t时刻尚能正常工作产品数之比。用λ(t)表示，即
λ(t)= （1.4）

式中 N——试验样品数；
Δt——试验时测试时间间隔，单位为小时（h）
n(t)——时间从0到t时失效数；
n(t+Δt)——时间从0到（t+Δt）时失效数；
n(t+Δt) – n(t)——t时刻后，在Δt时间间隔内失效数；
N – n(t)——时刻t时尚能正常工作产品数。
失效和产品可靠度有亲密联络。通常情况下，当λ为常数时，失效率λ和可靠度R(t)满足
R(t) = e-λt （1.5）
即失效率越低，可靠度越高。λ(t)用单位时间百分数表示，用1×10-6/1000h（或1×10-9/h）作为失效率单位，即100万个元件工作1000小时后出现一个失效元件，称为1菲特。失效率等级划分如表1.3表示。
（4） 平均寿命（平均正常工作时间）
平均寿命是指产品正常工作平均时间；对不可修复产品，是指产品失效前平均工作或贮存时间；对可修复产品，平均寿命是指相邻两次故障间平均时间。平均寿命可表示为：
t=∑ti/N （1.6）
式中 t——平均寿命；
∑ti——试验样品数正常工作时间之和；
N——试验样品数（对可修复产品，N是试验样品中维修总次数）。

表1.3 失效率等级
名 称
符 号
最大失效率(1/h)

名 称
符号
最大失效率(1/h)
亚五级
Y
3×10-5
八 级
B
1×10-8
五 级
W
1×10-5
九 级
J
1×10-9
六 级
N
1×10-6
十 级
S
1×10-10
七 级
Q
1×10-7

3． 可靠性分类
（1）固有可靠性 固有可靠性是指产品设计、制造时内在可靠性。对电子产品来说，产品复杂程度、电路和元器件选择和使用、元器件工作参数及其可靠度，和机械结构和制造工艺等影响产品固有可靠性。对于元器件来说，原料品质、制造工艺、工作参数等影响固有可靠性。电子产品固有可靠性在很大程度上依靠于元器件可靠性。产品越复杂，所用元器件越多，产品固有可靠性越低。
（2）使用可靠性 使用可靠性是指使用和维护人员对产品可靠性影响。它包含使用和维护程序是否正确、设备选择是否合理，操作方法是否适当和其它人为原因。使用可靠性在很大程度上依靠于使用设备人。熟练而正确操作，立即维护和保养全部能显著提升使用可靠性。
（3）环境适应性 环境适应性是指产品所处环境条件对可靠性影响。提升设备环境适应性，关键是对设备采取多种有效防护方法。
4． 可靠性设计基础标准
（1）设计方案简化 在满足产品性能要求下，要尽可能减化设计方案，降低所用元器件数目，选择可靠性高元器件，尽可能降低元器件使用应力强度（降额使用），这是提升电子产品可靠性关键步骤。在设计阶段一定要按可靠性要求进行设计。
（2）注意可靠性和经济性关系 产品可靠性提升，将造成生产和科研费用增加，即生产成本提升，但使用和维修费用将随可靠性提升而降低，所以总费用不一定增加。若降低产品可靠性，即使研制、生产费用下降了，但其使用和维修费将上升，总费用仍有可能增加。
（3）可靠性和可维修性 考虑电子产品可靠性设计时，还应考虑可维修
（4）加工工艺可靠性 工艺加工必需确保产品元器件在加工过程中，不致受到热力、机械和电气损伤，并严格根据工艺文件要求进行加工。应该把可靠性设计和加工可靠性亲密配合起来，以确保产品质量要求。相关加工工艺要求，在以后各章中全部有包含，在此不再赘述。
（5）充足考虑元器件和产品可靠性，合适采取余度设计和备份设计。

1．5．2 元器件可靠性和产品可靠性
1． 元器件可靠性
元器件可靠性通常见失效率来表征。实践发觉，一般元器件和半导体元器件失效规律不尽相同。
（1）元器件失效规律
一般电子元器件失效规律图1.2所表示，这就是常说船形曲线或浴盆曲线，它分为三个阶段：

图1.2 经典一般元器件失效曲线
在使用早期，因为设计、制造上缺点而发生失效叫做早期失效，对应失效期为早期失效期。这个时期失效高，但随元件工作时间增加而失效率快速降低；在早期失效以后，进入偶然失效期，也称随机失效期。此时，失效率是常数，且较低，偶然失效期是元件使用寿命期；在产品使用后期，进入老化失效期，失效率快速上升，产品报废。经过对原材料和生产工艺加强检验、质量控制和对元器件进行筛选老化，能够大大降低早期失效率。研究偶然失效期对实践指导最有意义，电子设备全部元器件和组件全部应工作在失效率较低偶然失效期,尽可能避免工作在耗损失效期。
（2）通常元器件可靠性通常见失效率表示。元器件工作在偶然失效期，其失效率为常数λ，由（1.5）式，其可靠度为：
R(t)=e-λt
元器件可靠性和使用条件有亲密关系，使用条件包含工作环境条件和负荷条件。通常说来，元器件所处条件越恶劣，其失效率越高，所以，元器件通常全部是降额使用，使其失效率降低，延长工作寿命，提升可靠性。所谓降额使用就是元器件额定参数要高于使用参数。但并不是说全部元器件全部是减额越多越好，如继电器减额则吸引力降低，氧化膜磨不掉，可靠性降低。所以降额使用要依据具体元器件区分对待。
2． 系统可靠性
一个复杂系统能够由多个子系统或部件组成。而每一个子系统或部件又由多个元器件组成。我们能够依据元器件可靠性求得系统可靠性，也能够依据系统可靠性分配各子系统可靠性。
（1） 串联络统
设一个复杂系统C，能够由多个子系统或部件A1A2A3……An组成，只要任何一个Ai失效，则C失效；若要C可靠，则Ai 必需全部可靠。这么系统C可靠性为
R(C)=R(A1)×R(A2)×R(A3)×……×R(An)= （1.7）
因为R(Ai)≤1，所以相乘项越多，则积越小，所以，为提升系统可靠性，应尽可能降低串联络统数目。
（2）冗余系统（备份系统）
串联络统可靠度低于各子系统可靠度，当串联络统可靠性设计不能满足预定要求时，能够采取备份元件或备份系统方法提升可靠性，称为冗余系统或备份系统。冗余系统只在极端关键场所（如导弹发射和制导、卫星系统等）或元件可靠性满足不了系统要求时才采取。并联络统是最常见冗余系统。它特点是只要系统中任何一元件（或子系统）可靠，则系统就可靠，只有全部元件（或子系统）全部失效时，系统才失效。
可见，备份越多，可靠性越高，但设备费用却成倍增加，所以，可靠性提升，要着重提升基础件（或子系统）可靠性，而不提倡采取备份。

1．6 提升电子产品可靠性方法
电子产品是由电子元器件、组件、部件根据一定工艺要求组合起来，电子产品可靠性基础是电子元器件可靠性，电子元器件正确选择、合理结构设计、有效防护方法是确保电子产品可靠性最有效措施。本节关键从上述几方面介绍提升电子产品可靠性方法。
1．5．1 正确选择电子元器件
1．选择电子元器件标准
（1）依据电性能指标和使用条件选择适宜元器件，使用条件不得超出元器件参数和环境条件，并留有富余量；
（2） 尽可能地压缩元器件品种和规格数量，提升它们复用率；
（3）除特殊情况外，全部电子元器件全部要按不一样要求进行可靠性筛选，然后才能用到电子产品中去；
（4）仔细分析比较同类元器件差异，择优选择，并注意积累元器件在使用中性能和可靠性方面依据，作为以后选择关键依据。
2．选择电子元器件方法
对电子元器件进行筛选，就是要从一批元器件中选出可靠性较高元器件，淘汰那些有潜在缺点而造成早期失效元器件，这对提升电子产品可靠性相关键意义。考虑到技术困难和经济合理性，我们必需精心选择应力条件和筛选方法，用最经济有效方法达成要求可靠性。
（1）按复杂程度可分为：
①分布截尾筛选法：筛选掉参数偏离标称值过大产品。
②应力强度筛选法：对产品施加多种应力条件后进行测试挑选。
③老炼筛选：在要求时间内对产品施加多种应力条件后进行测试挑选。
④线性判别筛选：类似于老炼筛选，但要利用数理统计技术进行判别。
⑤精密筛选：在靠近于产品使用条件下进行长久老炼，并数次正确测定参数改变量，从中进行挑选和估计。
在以上五种方法中，前两种方法简便易行，但效果差。现在关键用老炼筛选法。
（2）根据施加应力手段不一样，筛选可分为：寿命筛选、环境应力筛选、密封性筛选、检验性筛选等。
1．5．2 电子元器件降额使用
降额使用就是元器件在低于其额定值应力条件下工作，是提升电子产品可靠性最有效方法之一。对元器件有影响应力包含：时间、温度、湿度、腐蚀、机械应力和电应力，合理降额能够大幅度地降低元器件失效。
1．电阻器降额使用关键点
元器件实际使用时参数和额定值比值为降额系数，用S表示。电阻器降额系数S通常取0.1～0.6，环境温度通常低于60℃，低于45℃最好。当S<0.1时，发烧量过小，潮气不易驱，失效率反而提升。可变电阻器失效率比固定电阻高1～2个数量级，通常少用。
2．电容器降额使用关键点
电容器使用温度通常应低于50℃，尤其是电解电容器更不宜在高温下工作，电解电容器在低于-45℃使用时应采取耐寒型。
电容器电压降额系数S通常小于0.6，对于电解电容器S不得小于0.2，金属化纸介电容器通常取0.5～0.8，小型云母电容器常出现低电平失效，所以交流运作时S不得太小，其承受电压不低于100mV，不然应选择其它类型电容器。
3．半导体器件降额使用关键点
不一样半导体器件降额系数S含义是不一样，如晶体三极管S为实际功率和25℃时最大额定功率之比，晶体二极管S为平均正向电流和25℃时最大额定正向电流之比，稳压管S为实际耗散功率和25℃时最大额定功率之比，光电器件S为实际耗散功率和25℃时最大额定功率乘以和最大许可结温相关修正系数之比。半导体器件S通常取0.5以下，使用温度低于50℃，锗管还要低一点。
表1.6是常见元器件推荐降额使用范围，设计时可参考。

表1.6 常见元器件推荐降额范围
元器件种类
电阻器
电容器
半导体器件
电感器
继电器
接插件
微电机
内容
T
SP
T
SV
SP
SV
T
SI
SI
SI
SP
范

围
<45
0.1
~
0.6
<50
<0.6
<0.5
<0.7
<130
0.6
～
0.7
白炽灯负载
≤0.15
电感性负载
≤0.3
同

左
0.3
～
0.8
符号说明：T——工作温度（℃）； SP——功率降额系数；SV——电压降额系数；SI——电流降额系数。
1．5．3 采取冗余系统（备份系统）
从上节已知，系统中串联元件或子系统越多，其可靠性就越低；而当采取冗余系统（备份系统）后，系统可靠性将会提升。图1.7（a）所表示并联络统，只有当组成并联关系A1 、A2 、…An全部出故障系统才不能运行，不然，只要A1 、A2 、…An中有一个能够正常工作，系统全部将会正常运行下去。图1.7（b）为一个待机系统，正常情况下A1实施工作，当A1出现故障时，转换开关自动接通，A2接替A1开始工作，所以，只有A1 、A2均不正常时，系统才不能运行。待机系统是因为A2通常情况下处等候状态而得名，因为该系统增加了一个转换开关，其可靠性高低直接影响系统可靠性，应选择可靠性较高器件。
1．5．4 采取有效环境防护方法
有效环境设计能够预防和降低温度、潮湿、生物危害、机械振动和冲击、电磁干扰等对电子设备材料和器件不良影响，达成提升电子设备可靠性目标。多种环境设计原理和方法将在相关章节中介绍。
1．5．5 进行环境试验
将电子设备置于模拟工作环境或实际使用环境中、根据技术指标要求进行试验，以考评其性能和可靠性。提前发觉问题，采取有效改善方法，消除设计制造中存在不可靠原因。环境试验可分为以下两种：
1． 单项试验
单项试验目标是考评某项指标稳定性。将设备置于人工模拟工作环境中，根据技术指标要求，考评产品抵御某项环境影响原因能力。如耐温、耐湿、耐压、密封、耐振动、耐冲击等稳定性试验。
2． 综合试验
综合试验目标是考评产品在综合原因作用下所能达成性能指标。这种试验比较靠近于实际使用情况，所以经过综合试验，更能考评设备真实可靠性。
1．5．6 设置故障指示和排除系统
为提升设备可靠性，正确设置故障指示和排除系统能够简化故障判定、查找，使故障维修和排除变快速。具体做法有：采取故障检测电路及故障预、报警装置；采取插入单元和便于替换部件结构；降低检修通道上障碍方便于维修；采取标准化结构和快速拆卸结构等。
第二章 电子产品防腐蚀设计
2．1 概述
2．1．1 腐蚀效应
1．腐蚀概念
材料受环境介质化学作用而发生性能下降、状态改变、甚至损坏变质现象。
2．腐蚀分类
依据被腐蚀材料种类，可分为金属腐蚀和非金属腐蚀两大类。
金属腐蚀：金属和周围环境介质之间发生化学或电化学作用而引发破坏或变质现象。根据腐蚀机理分类，可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。化学腐蚀关键为金属在无水液体和气体和在干燥气体中腐蚀。物理腐蚀是指金属因为单纯物理溶解作用而引发破坏，金属和熔融液态金属接触引发金属溶解或开裂就属于物理腐蚀。电化学腐蚀是金属和电解液发生作用所产生腐蚀。其特征是腐蚀过程中有电流产生，在金属表面上有隔离阳极区和阴极区，被腐蚀是阳极区。电化学腐蚀现象和原电池作用相同。
电化学腐蚀是最普遍、最常见金属腐蚀，在造成电子设备故障常见原因中，金属电化学腐蚀是最常受到指责原因。大多数电子设备制造、运输、储存和使用全部是在地面或靠近地面地方进行，所以金属材料在潮湿大气中腐蚀破坏是电子设备防腐蚀设计关键考虑问题。
非金属材料在化学介质或化学介质和其它原因（如应力、光、热等）共同作用下，因变质而丧失使用性能称为非金属材料腐蚀。电子设备使用非金属材料，以有机高分子材料为最广泛，如塑料、涂料、薄膜、绝缘材料等。高分子材料腐蚀关键形式有老化、化学裂解、溶胀和溶解、应力开裂等。
因为生物活动而引发材料变质破坏现象通常称为生物腐蚀，其中因为霉菌和其它微生物引发腐蚀也称为霉腐或霉变。

2．1．2 腐蚀性环境原因
通常能够作为腐蚀介质引发材料腐蚀环境原因，全部可称之为腐蚀性环境原因，关键有以下多个：
1． 水分。
2． 氧和臭氧。
3． 温度。
4． 腐蚀性气体。
5． 盐雾。
6． 沙和灰尘。
7． 太阳辐射。
8． 微生物额动物。

2．1．3 防腐蚀设计基础要求
实践证实，采取合适防护方法，腐蚀是能够受到一定程度控制，有些腐蚀事故是能够避免。在防腐蚀设计时，应该考虑关键原因有：电子设备可能遭遇环境条件及关键腐蚀性环境原因；对腐蚀损坏最敏感部位（包含元器件、零部件和材料）；要求保护程度（临时性防护、可更换零件防护、高稳定性永久性防护等）和许可采取防护手段。经过对多种原因综合分析，估计可能发生腐蚀类型和危险性后果，从而确定合理而有效防腐蚀方法。预防电子设备腐蚀损坏基础方法有以下多个：
1． 采取高耐蚀性材料；
2． 消除或减弱环境中腐蚀性原因；
3． 对不耐蚀材料进行耐蚀性表面处理；
4． 防腐蚀结构设计；
5． 电化学保护；
企图仅仅采取一个方法来达成预防腐蚀目标是不切实际。通常需要将多个方法接合起来使用，以取得经济而有效结果。

2．2 潮湿及生物危害防护
2．2．1 潮湿防护
1、潮湿危害
气候条件对电子设备影响是多方面，但从设备产生故障直接原因来看，潮湿是关键原因。
潮湿对电子设备含有下列破坏作用：
（1）引发金属腐蚀及加紧腐蚀速度。
（2）使非金属材料性能变坏、失效。部分吸湿较大材料，吸湿后发生溶胀、变形、强度降低乃至产生机械性