《嵌入式系统可靠性设计技术及案例解析》读书笔记(二)

时间:2022-12-14 17:48:05

1、嵌入式失效率的影响要素:

  Vs = Vo * k1 * k2 * k3 * k4 * k5 * N

  Vs : 整机失效率
  Vo : 元器件平均失效率(1~3)*10^-5
  k1 : 降额因子(1~10)*10^-2
  k2 : 老练筛选效果因子 0.1 ~ 0.5
  k3 : 环境因子(实验室 0.5~1 室内 1.1 ~ 10 陆地固定 5~10 车载 13 ~ 30 等)
  k4 : 机械结构因子 1.5 ~ 2.5
  k5 : 制造工艺因子 1.5 ~ 3.5
  N : 元器件个数

从上述公式可知,我们需要从如下一些领域进行可靠性设计:

  1.1 器件选型

    1)首要选择最熟悉、最通用的器件;
    2)考虑其缺陷对产品是否存在致命故障;
    3)若不得不选择,则必须要分析其失效机理;
      例如:瓷片电容抗机械应力差,则应该增加减震设计,如靠近安装柱、远离插拔件
    4)需要分析器件每一个参数数据并与实际设计建立联系,但并非关注每个参数;
      例如;普通膜式电阻,在潮湿、空气酸性的场合,封装形式就是关注重点;在限流电阻设计中,电阻的精度误差则是重点;

  1.2 降额

  备注:降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法

  降额是提升嵌入式可靠性最简单、最有效、最低成本的方法。

  1.3 环境条件

  1)应力计数法:将应力大小对失效率的影响考虑进去;
  2)注意整机环境 不等于 器件环境:

    例如:例如整机环境是-20 ~ 60,但在其散热片附近工作的器件可能承受的温度会逼近甚至超过75度;

  1.4 机械结构因子

  例如:机壳是钣金的,那么在固定柱很可能相差1mm,可能造成翘曲变形

  在整个过程中必须建立一致性,保证整个生命周期都在安全可靠的范围内:

  1)出厂前:

    设计:工程计算、竞争厂家、竞争产品、人员特长、技术标准;
    采购:是否定制、质量控制、供货时间、供应商
    加工:加工方法、批量、模具、喷漆、工装、电焊接;
    入厂检验:检验工装、检验指标、入厂检验
    生产:生产防护、现场条件、生产流程、生产工具
    调试:人员资质、调试工具、调试时间、调试设备;
    终检:终检指标、人员资质、终检时间、终检设备
    包装:包装搬运、包装方式、包装材料
    存储:存储分类、存储环境

  2)出厂后:

    运输:运输防护、运输湿度、运输温度、运输环境、包装方法、运输方法
    安装:装箱单、安装工具、安装时间、拆装方法
    调试:调试工具、输入条件、输出条件
    培训:培训记录、培训内容、培训人员
    验收:验收人员、验收规范、验收用工具、验收文档、验收方法
    应用现场:需求分类、注意事项标识、配套设备、电磁环境、用户水平、环境盐雾、环境湿度、环境温度、输出条件、输入条件
    维修:维修零部件、维修工具、维修时间、维修管理方式、故障诊断方法
    回收:回收费用、回收法规、再利用零部件、销毁方式


    例如: MSD元器件(湿敏元器件)就要求:
      1)在入检作业文件中,需要对拆包、入检环境做要求;
      2)焊接预处理工艺上,需要增加烘烤要求;
      3)考虑用户环境,必要的话涂三防漆;

      备注:三防漆是一种特殊配方的涂料,用于保护线路板及其相关设备免受环境的侵蚀。三防漆具有良好的耐高低温性能;其固化后成一层透明保护膜,具有优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防老化、耐电晕等性能。

  1.5 元器件个数

    1)元器件个数越少越好,优先选择IC电路;

2、嵌入式系统失效率曲线:

    MTBF = 1/V  V是失效率

    嵌入式系统的失效率包括早期失效率、偶发失效率、老化失效率,三种代表早、中、后的失效率,呈现浴盆曲线,即两头高中间低;

    《嵌入式系统可靠性设计技术及案例解析》读书笔记(二)

    工厂在出厂前都会有一道高温老化的工序,把早期失效率在车间内部完成;

3、嵌入式系统的可靠性模型:

  1)串联结构模型:R = R1 * R2

  2)并联结构模型:R = 1 - (1 - R1) * (1 - R2)

4、工作环境条件的确定

  1)在项目开始时要对规定的各种条件进行准确检测和定义,称为:设计输入环境调查

  2)具体包括如下:

    a)、环境因素:温度、风速、风向、昆虫、化学物质、照明状态、噪声、光闪、污染物、工作电源波动、电磁干扰、避雷错误、防静电
    b)、人的因素:视力、听力、触觉、操作距离、专业知识、培训等;
    c)、关联设备因素:输入、输出、控制设备
      按钮:可单手操作、尺寸是否合适、操作生效是否有触感、不同的按钮是否有防错措施;
      触摸屏:触摸有效性、定位精确、响应时间
    d)、设备本身:报警、软件界面、结构方面、标识方面、器件输出能力;

5、容差分析和精度分配:

  容差分析:即考虑器件的最大误差并进行分析;

  精度分配步骤:

  1)得到系统的总精度的要求
  2)找出影响精度的各个模块
  3)推导出系统输出值与各模块测控物理量的工程计算公式;
  4)利用微分公式,按照工程经验将精度分配给各个影响参数;
  5)判断是否满足要求,若无法满足则重新到上一步骤;

6、过渡过程:

  从一个稳态到另外一个稳态是一个过渡的过程,而非直接跳变完成;

  例如:电子产品在上电的时候,相当于在电路系统的电源端加入一个阶跃输入,在近似的二阶系统中,阶跃输入的响应曲线会有一个浪涌
  电流和超调电压;

  备注:除了上电过程,端口输出的阶跃信号波形、电磁阀继电器的开合电流、电机的启动过程、启动元件/液态流体控制元件的启停过程都面临类似问题;

7、故障模式和失效分析(FMEA)

  1) DFMEA 设计阶段FMEA

  在方案设计阶段,根据应用的环境、运行的状态、器件的失效机理以及同类产品以往的投诉记录等,确定产品可能出现的故障模式,
  然后根据故障的危害程度S、发生概率O和可探测程度D三个量化的指标,定量计算风险顺序。

  RPN = S * O * D

  2) PFMEA 制造阶段FMEA

8、阻抗连续性

  基本要求是路径阻抗尽量保持一致,如果不得不有阻抗变换的情况,必须采用缓变的设计形式;