可靠性设计：元器件、零部件、原材料的选择与控制

通常，一个产品由各种基础产品(包括各种元器件、零部件等)构成。由于元器件、零部件的数量、品种众多，所以他们的性能、可靠性、费用等参数对整个系统性能、可靠性、寿命周期费用等的影响极大。

原材料则是各种基础产品的基本功能赖以实现的基础，与产品的性能、可靠性、寿命、成本等等密切相关，必须对其加以控制。下面分别论述。

一、电子元器件的选择与控制

◆元器件的质量等级

元器件的质量等级是指元器件在装机使用之前，按产品执行标准或供需双方的技术协议，在制造、检验及筛选过程中对其质量的控制等级。

一种通俗的分法是商业级、工业级、汽车级、军用级、航天级。

一般来说，质量等级越高，可靠性水平也越高。

国军标元器件质量等级

◆元器件的选择

元器件的选择不当会造成所购买的元器件可靠性水平不符合要求。有一些通用的选型方法、原则可以参考，很多公司也制定有自己内部的选择清单。

一般来说，元器件的选择控制要做如下事情：

1.先制定好总规范，提出全面、系统的质量控制要求。

2.制定详细系列的标准和详细规范。

3.收集信息，建立合格元器件清单、优选库。

4.制定使用手册。

在选择元器件的时候，要考虑一些问题：

1.元器件的技术性能、质量等级、使用条件等符合设备的要求。

2.选择经过实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件。

3.选择的时候要考虑到降额和热设计的要求。

4.建议减少元器件的品类、规格和厂家。

5.结合目前的国际形势，还要考虑元器件的供应稳定问题，例如会不会被制裁、限制，导致缺货、法规问题等。

◆元器件的正确使用

在讲可靠性的分类时，我们提到一种分类方式是分固有可靠性和使用可靠性。其中固有可靠性主要靠设计和制造等工作来保证。

但很多时候，发生故障，并非本身的固有可靠性不高，而是使用者对元器件选择不当或使用有误造成。

能否正确使用元器件已经成为影响电子元器件、设备、系统可靠性的主要问题。下面举一些常见的问题。

1.对元器件的性能掌握不够

随着电子技术突飞猛进的发展，新器件竞相出现。有些器件由于缺乏详细的技术资料，在使用中往往因为外围电路的组配元器件类型和参数选择不当导致元器件过应力损伤，最终导致损坏。因此，要深入掌握所使用元器件的技术性能，并严格控制新器件的使用。

2.降额设计

经验表明，元器件故障的一个重要原因，是由于它工作在允许的应力水平之上。为了提高元器件可靠性，延长其使用寿命，必须有意识地降低元器件的工作应力(电、热、机械应力)，以使实际使用应力低于其规定的额定应力。降额对电子产品尤为重要，前面有论述过，见之前的文章《可靠性设计：降额设计》。

3.热设计

电子元器件的热故障是由于高温导致元器件的劣化而造成的。现代电子设备所用的电子元器件组装密度越来越高，使元器件之间通过热传导、辐射和对流产生了热耦合。热设计之前也有讲过，见之前文章《可靠性设计：热设计》。

4.抗辐射问题

在航天器中使用的元器件，通常要受到来自太阳系和银河系的各种射线辐射。此外，在核爆环境中，元器件将受到高能中子和γ射线的损伤，进而使整个电子系统故障。因此，设计人员必须考虑辐射的影响，在需要时采用抗辐射加固的半导体器件。

在普通领域，比较少会考虑辐射，但也有一些场景。一个例子：

某工程师为医院急救设计了一个相关程序，在实验室运行良好，但是每次在医院调试都出bug，只好到医院去调试，而且是当着急救病人！！！经过漫长的测试终于发现，是由于医院使用的X射线导致电脑内存总是丢失几个bit 的信息，而导致程序出问题，最终通过把电脑的内存用铅板隔起来解决！

常见的手机、电脑，也可能与之相关。在2017年时，据媒体报道，美国范德堡大学的一项研究发现，计算机和手机的死机故障或许是由来自太阳系外的宇宙射线产生的带电粒子造成的。范德堡大学的教授Bharat Bhuva称这是一个大问题，但却不为公众了解。

5.防静电损伤

由于摩擦、电场感应等原因产生的静电电压有时可能会高达几千伏，当电子元器件与静电带电体接触的时候，带电体就会通过器件的管腿放电，损坏器件的内部结构，引起器件故障。在设计上，可以在器件的输入端加上防静电损伤的保护网络，在保管、发放、生产和使用等过程中，工作人员必须全部采取防静电措施等。

一种防静电联机监控系统

6.操作过程中的损伤问题

在检测、调试等操作过程中，由于测试不当或者测量仪器接地不当，会对元器件产生电应力损伤。例如，对于MOS器件，如果测试设备的电源，特别是数字电压表接地不当，常产生不该有的毛刺脉冲而损坏器件。

操作过程中还容易给半导体器件和集成电路带来机械损伤，如引线变形、封装破损等。这种情况应在结构设计及装配和安装时引起重视。

7.储存和保管问题

储存和保管不当是造成元器件可靠性降低或故障的重要原因，必须予以重视并采取相应措施。例如，库房的温度、湿度应控制在规定范围内，不应导致有害气体的存在；存放器件的容器应采用不易带静电及不引起化学反应的材料制成；定期检查有测试要求的元器件。

二、零部件和原材料的选择与控制

工程领域，可供选择的原材料种类和牌号众多。如何选择一款合适的材料，对零部件的生产制造以及产品的整体性能、可靠性水平产生基础性的影响。在原材料的选择和控制上，有一些一般性的原则可以借鉴。

1.根据零部件的使用工况(含主要功能)选择原材料

我建议的是结合自身工作实际情况(产品品类、历史经验、现有质量管控体系等)，形成一个材料选材确认表，对使用条件进行简述，以方便材料工程师根据条件作出基本选材推荐。

某涉水产品选材确认表

包括接下来论述的几点，其实都可以完善到这个表里，就看你工作中的实际需要。

2.考虑典型工况和极限工况下对原材料的性能要求

一般情况下，大家能把基本工况讲明，但很多时候会忽略极限工况，原因主要有两类，一个是忘记，另一个是本身就不知道极限工况是多少(包括环境应力值，以及持续的时长，例如说极限工况是70℃，仅有这个温度是不够的，你还需要知道在这个温度下会持续多长时间)。这些工况如果缺失或支撑证据不足，就需要去做相应研究搞清楚。

3.考虑原材料在加工、使用以及清洁过程中可能暴露的化学环境

化学环境是很容易造成原材料失效的，在过往的文章中也有提到过，例如说装修时油漆等挥发出来的物质对家电产品的影响。

原材料的成分以及加工过程温度、时间、压力等等因素都会影响到材料的适用性，很难对原材料的化学兼容性进行预测，建议在最终使用环境条件下进行适当的试验。

4.考虑原材料的其他特性

尤其是相对耐冲击性/韧性，热膨胀率，尺寸稳定性，符合法规要求。

其中热膨胀率不同经常会导致失效，例如玻璃和塑料的粘接，玻璃和不锈钢的粘接等，在高温、低温、温度循环下，很容易出现开裂、脱落等问题，设计时要注意避开。

吸水率对原材料的尺寸稳定性也有一定影响，在选择原材料时，要考虑湿度和水汽的影响。

5.考虑不同工艺过程对原材料物理特性的影响

即使选择的原材料是相同的，但经过不同的工艺过程后，材料的物理特性会存在一定的差异。例如喷射成型、挤压成型、模压成型的不同。

喷射成型的零部件表现出最大的各向异性特征(材料特性在各个方向不同)。挤压成型的零部件则表现出轻微的各向异性特征。模压成型的零部件表现出各向同性特征。

6.考虑所选材料的加工性能

加工性能也是需要考虑的。例如有些填充了玻璃及碳纤维的塑料，对比没有添加填充物的塑料，加工的稳定性更强一点。

7.综合考虑，确认所选原材料是否达到规格要求

每种原材料都有局限性，在设计零部件时要充分考虑，对各方面特性进行验证，以确保达到零部件的设计要求。