【導(dǎo)讀】這是一篇比較系統(tǒng)闡述電路設(shè)計中可靠性和元器件選型問題的文章，從實戰(zhàn)出發(fā)，深入淺出，因此小編摘錄在這里，與大家分享。
引子：電路可靠性之爭
最近稍稍有點忙，各處跑來跑去，考察了一些企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)情況，比較普遍的一個現(xiàn)象是：研發(fā)人員無一例外的同聲譴責(zé)采購和工藝部門，對元器件控制不嚴(yán)，致使電路板入檢合格率低、到客戶現(xiàn)場后頻頻出毛病。并舉出了諸多文獻實例和專家發(fā)言來佐證自己的論斷，并希望我也能隨聲附和幾句，可以借此給相關(guān)物料和制造部門施加一點壓力，但最后我讓他們失望了。
我給下的結(jié)論無一例外都是怪到了研發(fā)的頭上。并送給了研發(fā)弟兄們幾個總結(jié)性觀點：①在公司里，研發(fā)隊伍已經(jīng)足夠強勢，不必再由我添加壓垮駱駝的那最后一根稻草；②產(chǎn)品的可靠性水平和研發(fā)的強勢程度成反比；③電路設(shè)計錯誤和器件應(yīng)用不當(dāng)占了故障的八成因素。
舉幾個簡單例子：
一個電解電容緊挨著散熱片焊接的，與電解電容相關(guān)聯(lián)的那部分電路參數(shù)容易漂，現(xiàn)象和結(jié)果就是機器參數(shù)不穩(wěn)；綠色發(fā)光二極管的色調(diào)不一致，外觀看起來不美觀，發(fā)光管都有個波長的要求，即使都是綠光，波長的細微差別也會導(dǎo)致色差，而設(shè)計文件上并沒對發(fā)光管的波長做出規(guī)定。
某塊電路工作不好，發(fā)現(xiàn)將PCB板信號線的一個電感換成磁珠就好了，于是就改了BOM 單，電路板上趴著個磁珠大肆生產(chǎn)了。常規(guī)理解看來，磁珠似乎和電感的特性是相同的，但事實上磁珠表現(xiàn)的是一個隨頻率變化的電阻特性，是消耗性的，而電感是儲能特性，是儲存性的削峰填谷。即使從實際結(jié)果來看，似乎更換器件后沒問題，但其實并沒有搞通真正的器件機理。病雖然莫名其妙的好了，但病毒的隱患仍在。 “宜將剩勇追窮寇，不可沽名學(xué)霸王”，毛主席教導(dǎo)我們，做電路要對電路和器件窮根究底。
還有很多類似的問題，比如散熱，似乎熱設(shè)計只和機箱內(nèi)溫度有關(guān)，卻忽視了一個致命的問題，溫度系數(shù)，即使溫度不夠高到燙手的地步，溫度的升高是否會導(dǎo)致溫漂，溫漂后的參數(shù)值是否會將器件的特征參數(shù)推到電路正常工作的邊緣？
比如降額，幾乎所有工程師都說“我們降額了，基本降了50%，余量是足夠的，這個問題肯定沒有”。那么降額時，所有該降額的參數(shù)都降到了安全范圍嗎？同一類功能的器件，換了不同封裝形式或生產(chǎn)工藝的時候，一樣的降額系數(shù)能降出一樣的效果來嗎？在特定位置、特定電路下的器件，明確哪個特定參數(shù)該降的更大一點嗎？
還有電磁兼容、振動、可維修性、測試等等多方面的問題，知己知彼，百戰(zhàn)不殆，在實際的考察中，發(fā)現(xiàn)既不知己、也不知彼的設(shè)計太多，不知己是不知道自己不知道什么，不知彼是不知道設(shè)計所面對的對象的諸多參數(shù)、條件、工藝、特性，而恰恰是由此引出了太多的技術(shù)問題。
“不知年之所加，氣之盛衰，虛實之所起，不可以為工”，中醫(yī)上要求，不了解患者的年、氣、虛實，就不可以開藥下方，中醫(yī)做到了，他們不敢，他們的錯誤會導(dǎo)致人命，而我們?yōu)槭裁床涣私怆娐泛推骷那闆r下就可以做設(shè)計呢，難道僅僅是因為我們的錯誤不會死人？
于是，針對這個現(xiàn)象，專門開發(fā)了《電路可靠性設(shè)計與元器件選型》這門培訓(xùn)課程，為一線的產(chǎn)品開發(fā)工程師、質(zhì)量工程師、技術(shù)管理者、測試工程師等提供針對性的思維方法和具體的知識技巧。
那么，這些思維方法和知識和我們的實際工作到底有何關(guān)聯(lián)呢？下面聽我一一道來。
電子可靠性設(shè)計原則
電子可靠性的設(shè)計原則包括：RAMS定義與評價指標(biāo)、電子設(shè)備可靠性模型、系統(tǒng)失效率的影響要素、電子產(chǎn)品可靠性指標(biāo)、工作環(huán)境條件的確定、系統(tǒng)設(shè)計與微觀設(shè)計、過程審查與測試、設(shè)計規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
有人說了，設(shè)計原則就是絕對正確的廢話，誰都會說，誰都不會用。通俗的翻譯出來就是設(shè)計原則很難和實際設(shè)計建立直接的影響和聯(lián)系。
這一段主要是方法.論，關(guān)于技術(shù)的方法.論，錢學(xué)森老人的偉大眾所周知吧？但他的水平和優(yōu)勢是什么？電子、機械、軟件、測試、管理？都不是，是系統(tǒng)方法.論和工程計算。當(dāng)我們要決策一個電路的器件選型的時候，如果有一個基本公式，直接告訴了我們應(yīng)該重視哪個指標(biāo)，器件選型和電路設(shè)計還是一件難事嗎？
舉個例子，一個插座電纜，上面要通過10A的電流，是用2根8A的導(dǎo)線并聯(lián)分流好呢？還是用一根14A的電纜好呢？通過可靠性模型可以輕松得到答案。
驅(qū)動一個發(fā)光管，是用三極管好呢，還是用運放好呢？
前段時間去青島，參觀了青啤的啤酒博物館，看到了一個世紀(jì)前，德國的電機和日本的風(fēng)扇，世紀(jì)后的今天仍然能正常工作，令人艷羨不已。系統(tǒng)失效率的影響要素可以告訴您這個結(jié)果的答案，放在今天，德國、日本和我們一樣，也造不出耐一個世紀(jì)的電機和風(fēng)扇。
電子可靠性要想提升，應(yīng)該從哪些具體問題點下手呢？
這些都是系統(tǒng)方法.論和工程計算可以幫助解決的問題，錢老走了，他的智慧和思維需要有人繼續(xù)傳承下去，我能做的是傳播錢老的思想，希望有更多的人參與進來，更廣泛的理解和應(yīng)用。
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電路可靠性設(shè)計規(guī)范
電路可靠性設(shè)計規(guī)范包括降額設(shè)計（降額參數(shù)和降額因子）、熱設(shè)計（熱設(shè)計計算、熱設(shè)計測試、熱器件選型）、電路安全性設(shè)計規(guī)范、EMC設(shè)計、PCB設(shè)計（布局布線、接地、阻抗匹配、加工工藝）、可用性設(shè)計（可用性要素、用戶操作分析、設(shè)計準(zhǔn)則）、可維修性設(shè)計（可維修性等級、評估內(nèi)容、設(shè)計方法）。
電路可靠性設(shè)計規(guī)范的一個核心思想是監(jiān)控過程，而不是監(jiān)控結(jié)果，舉個最通俗的比方是，設(shè)計規(guī)范是懷孕過程的維護，保證優(yōu)生。這些都是各前人多年經(jīng)驗的總結(jié)，按照這些具體的設(shè)計方法去做了，產(chǎn)品的可靠性隱患就會被排除了。
比如熱設(shè)計，按照熱功率密度、熱流密度的計算確定下來的散熱方法，您就不必擔(dān)心散熱不夠了；按照熱阻和結(jié)溫的計算方法，選定了風(fēng)扇和散熱片，只要有足夠的余量，也不必擔(dān)心自己是“盲人騎瞎馬，夜半臨深池”了。
PCB的接地，這個似乎最簡單又最復(fù)雜的問題，到底有沒有一種放之四海而皆準(zhǔn)的接地思路，讓我們只有歡喜不再憂呢，答案是“有”。
可用性好像對我們沒太大影響，就好像我們?nèi)ッ嬖囈粯樱绊懳覀兠嬖嚦蓴〉乃坪跏菍W(xué)歷證書、工作經(jīng)驗等，但門牙上的韭菜葉子，會不會導(dǎo)致失敗？按鍵的色彩、大小、按下去的手感和力度、鍵的形狀、鍵的布局，顯示的內(nèi)容、顯示的方法、顯示的角度、顯示的大小，跟門牙的干凈程度有何區(qū)別？對于用戶，有一個最通俗的說法：“界面即系統(tǒng)”。用戶不曉得那么高深的理論和內(nèi)部構(gòu)造，內(nèi)部的東西只要保證好用，剩下的就是外觀的美妙了。尤其是新用戶，外觀更是決定購買與否的第一要素。大學(xué)里追女生，都是首選好看的吧？
可維修性可就直接決定了金錢的花費，可維修性分三.級，現(xiàn)場級、辦事處級、總部級，不同的級別，維修工具的價值、配套工具的多少、維修人員的水平、維修人員的人數(shù)、配件的充裕程度都是不一樣的，試想一下，定義為“現(xiàn)場級”的維修等級，卻有一個需要3個人才可以搬動下來的蓋子，維修人員幾人一組搭伴出差？定義為“辦事處級”，卻需要配備頻譜儀、邏輯分析儀、示波器等高檔儀器才可以維修，維修工具的成本將為幾何？更遑論需要配套的諸多設(shè)施如水、電、氣、其他設(shè)備了。
可靠性測試
可靠性測試包括標(biāo)準(zhǔn)符合性測試、邊緣極限條件測試、容錯性測試、HALT測試、破壞性測試、隱含條件測試、接口條件測試。
和諸多技術(shù)人員溝通，都想做好可靠性設(shè)計，但普遍反映兩點難題：一是缺乏經(jīng)驗，二是在家里測不出問題，到現(xiàn)場就有問題。
缺乏經(jīng)驗的問題可以通過第二部分的方法解決，測試問題的解決就是通過本節(jié)了。測試的核心點是測試用例的設(shè)計，集中在兩部分，一部分是盡量去模擬用戶現(xiàn)場的最惡劣應(yīng)用條件，一部分是針對可能的失效機理，人為增加破壞因素，激發(fā)出問題，找到薄弱點并改進之。但須注意，很多測試是具有一定程度破壞性的，需要分析下，經(jīng)歷過破壞性測試的機器是絕不能出廠應(yīng)用的。
元器件選型
元器件選型包括了選型的基本原則、系列元器件的分類、特性、選型指標(biāo)、可靠性應(yīng)用注意事項等，包括電容、電阻、二極管三極管、接插件、晶振、電控光學(xué)器件（光耦、LED）、AD/DA及運放、電控機械動作器件、能量轉(zhuǎn)換器件（開關(guān)電源、電源變換芯片、變壓器）、數(shù)字IC、保護器件（保險絲、磁環(huán)磁珠、壓敏電阻、TVS管）、電源模塊等。
女孩子流行著一個口號，“干得好不如嫁得好”，雖然網(wǎng)上正反雙方論戰(zhàn)激烈，但一個事實誰也不能否認，女孩子最后的結(jié)局還真就是嫁得好比干得好的比例高的多得多。干得好是電路設(shè)計得好，嫁得好是器件選型選得好。同樣是電容，鉭電解和鋁電解的區(qū)別、電解和瓷片的區(qū)別，線繞電阻和膜式電阻的區(qū)別，數(shù)字IC重點關(guān)注哪幾個指標(biāo)，保護器件的選擇指標(biāo)依據(jù)什么，誰都知道，保鏢警衛(wèi)變質(zhì)可就慘了。
我們就象廚師，我們不管種菜，但我們炒出來的菜的味道是要受菜、水、肥、氣候等的影響的，不然就不會出現(xiàn)茅臺鎮(zhèn)的茅臺、山西的汾酒、梅雨季節(jié)的臭豆腐等專屬品了。同理，器件的制造工藝和其制造工藝所引出的器件特性都是需要我們了解并在應(yīng)用中加以規(guī)避的。比如線繞電阻的電感量大、紙介電容的漏電流大、電容的ESR值對電路設(shè)計的影響、瓷片電容的耐溫變率和耐震動的水平低、TVS耐浪涌電流小但反應(yīng)時間快，磁環(huán)的效果取決于材料和裝配，耐振動差等等。
元器件失效機理與分析方法
元器件失效機理和分析方法包括常見的失效機理、分析方法和工具。
以上內(nèi)容全都是如何防止電路工作不正常和防止器件壞，但智者千慮難免一失，一旦壞了，千萬不要敬而遠之，而應(yīng)該如獲至寶。開車的人都知道，哪里最能練出駕駛水平？高速公路不行，只有鬧市和不良路況的時候。社會的發(fā)展就是一個發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程，出現(xiàn)問題不可怕，但頻繁出現(xiàn)同一類問題是非常可怕的。
器件失效的分析是基于一個基本的改進手段，“基于失效機理的預(yù)防措施”。問題發(fā)現(xiàn)了，把引起問題的要素規(guī)避了，形成了規(guī)范，大家以后設(shè)計都遵守了，問題自然不會再現(xiàn)了。
比如，ESD的防護，很多公司都在做，做的方法包括加濕，但加濕可能會帶來MSD的問題，如果通過I/V曲線測試，發(fā)現(xiàn)波峰焊載流焊后出現(xiàn)器件某些管腳對VCC、GND開路，那就要考慮MSD問題了，解決辦法就是在焊接前加熱幾個小時，將潮氣散發(fā)出去。
比如器件燒壞了，要檢測一下是哪個管腳壞掉了，及壞掉的現(xiàn)象是什么，通過萬用表、I/V曲線圖示儀、示波器，高級點的外協(xié)找X射線透視下，判斷出失效的機理，并順藤摸瓜，找到那塊與該管腳關(guān)聯(lián)的電路，分析電路和工廠內(nèi)的工藝過程，找到引起該失效機理的點并改進之。
電路可靠性設(shè)計微觀管理方法
提升可靠性的微觀管理方法很簡單，包括了三部分：軟件工具、AAR、checklist。
按道理說，技術(shù)性內(nèi)容不應(yīng)該摻雜管理，但事實上管理是可以促進技術(shù)的，比如，公司里有人已經(jīng)掌握了某個知識點，但別人不知道他會，管理上的措施可以將他知道的激發(fā)出來，并指導(dǎo)別人的設(shè)計實踐，這樣就相當(dāng)于用非技術(shù)手段解決了技術(shù)問題。
這部分的方法主要是針對開展可靠性工作的幾個障礙實施的。障礙一是人容易犯懶，自己覺得差不多，找到指導(dǎo)性文件資料的代價有點大，覺得差不多就自顧自設(shè)計去了，軟件工具的作用是降低技術(shù)溝通障礙；障礙二是技術(shù)水平經(jīng)驗不夠，那就開展After Action Review（行動后反思），將每次發(fā)生的問題的起因、現(xiàn)象、改進方法等都總結(jié)出來，并通過軟件工具共享之，我們一直在努力，每天都在提高，沒經(jīng)驗又何懼，成長得快也是解決技術(shù)經(jīng)驗的手段；障礙三是一個人某一刻能想到的問題是會受限的，讓一個高手評審某個設(shè)計，他評審時的狀態(tài)會讓他遺漏內(nèi)容，checklist比較系統(tǒng)，既可以用于設(shè)計師自查，也可以用于評審專家參考，避免遺漏，既是低水平者很好的學(xué)習(xí)材料，又是高水平者的參考。（本文摘編自網(wǎng)友武曄卿博客）
