可靠性设计准则

可 靠 性 设 计 准 则编 撰 指 南刘 保 中二 零 零 八 年 九 月 十 八 日序我所的“质量放心岗”创建活动已经初见成效，但“设计岗”由于自身的特点所限，建岗质量暂时不如操作岗。设计岗的前期工作仅完成了岗位接口关系的描述，但建岗的重点不在“接口”，而在于岗位内部的“基础建设”。设计岗的基本使命是，将用户对产品的要求（输入）转化成产品的性能和可靠性（输出）。因此，建岗的重点应该是如何完成这个“转化”。如果设计岗就此停步不前，不能够继续深入下去，这项活动将会流于形式，很难收到预期的效果。为此建议，将编制“可靠性设计准则”（以下简称为“准则”）作为设计岗的评价与考核标准，并以“四星岗”为对象进行试点。拿不出像样的“准则”来，就不能获得四星岗的称号。一个企业要想保持长盛不衰，即“可持续发展”，就必须具有扎实的基础。建房子、买设备是打基础（硬基础）；“建章立制”也是打基础（软基础），而且是更重要的基础。创建“质量放心岗”，就是一项软基础建设，也是我所的一项创举。对设计岗而言， “可靠性设计准则”属于基础中的基础，如果每个岗位都能拿出高水平的“准则”来，并能够认真地贯彻执行之，那么我所的设计水平将会整体跃上一个新台阶。设计图纸和技术报告，同样是“产品”，也应该具有质量指标，而且能够检验，“可靠性设计准则”就具有这样的功能（有要求、可检查）。为了规范设计岗的创建活动、也为了使不同岗位编出来的“准则”具有可比性，特起草了可靠性设计准则编撰指南一文，供参考。目 录序2目 录3一. 什么是可靠性设计准则5二. 为什么要推行可靠性设计准则6三. 建立可靠性设计准则的步骤8四. 准则条款的分类原则10五. “附录”部分的说明12六. 总结13附录15准则名称（封面）151. 产品概述152. 简化设计准则与“三化”原则152.1简化设计152.2 通用化162.3 组合化（模块化）162.4 系列化172.5 小结173. 电子元器件和机械零件的选用准则184. 降额设计准则195. 容差设计准则215.1 参数漂移与容差设计215.2 短期稳定性215.3 长期稳定性226. 热设计准则227. 抗力学环境设计准则248. 电磁兼容设计准则268.1 电磁兼容概述268.2 传导干扰的抑制措施278.3 辐射干扰的抑制措施279. 静电防护准则2810. 非电子产品可靠性设计准则3011. 软件可靠性设计准则3311.1 技术层面3311.2 管理层面3411.3 小结3612. 抗辐射（照）设计准则3712.1 核辐射环境3712.2 空间辐射环境3812.3 抗辐射（照）设计3813. 余度设计准则4014. 潜在通路分析及预防4214.1 潜在通路的特点4214.2 潜在通路分析与“网络树”图44可靠性设计准则编撰指南一. 什么是可靠性设计准则可靠性设计准则（以下简称为“准则”），其内涵较为丰富，很难用一两句话为其下一个准确的定义。不过，可从以下四个方面对其进行认识，以建立起初步的概念： 可靠性设计准则是把设计人员在长期工程实践中积累的成功经验和失败的教训加以总结和提炼，使其条理化、系统化，并在此基础上形成的条款性文件。 可靠性设计准则是一个具有强制性的执行文件，其中的条款都是在进行产品设计时必须逐条落实的可靠性定性要求。凡具有产品代号（即型号）的独立产品，均应建立各自的可靠性设计准则，即该产品的“专用准则”，称为产品可靠性设计制准则。由于设计者对该产品最为了解，所以，产品由谁设计，准则归谁撰写。因此，它又是一份由设计师撰写的设计文件。 当设计工作完成后，再由管理者找来相关的专家，依据设计师撰写的准则，逐条地检查其在设计过程中的落实情况。因此，可靠性设计准则还是一份可检查的法规性文件。 可靠性设计准则并不是一个“一成不变”的静态文件，而是在产品的研制过程中不断地得到补充、修订的“动态”文件。综上所述，可靠性设计准则是在经验总结的基础上形成的条款性文件，用来指导可靠性定性设计；而且，还是一份可执行、能检查的法规性文件，并在执行过程中不断地得到补充的“动态”文件。二. 为什么要推行可靠性设计准则可靠性设计准则是一个基础性的质量管理文件，建立并贯彻可靠性设计准则的“直接目的”是提高设计质量，而“最终目的”是提高产品的质量。因此，它具有如下现实的和长远的意义： 规范设计人员的设计行为：可靠性设计准则可以为可靠性的定性设计提供一个具体的、可操作的“指南”，使得设计人员有章可循。因此，准则可用来规范设计人员的设计行为。 避免低级设计错误的发生：产品的固有可靠性是产品的一种固有的内在属性，是靠设计赋予的、是靠制造和管理来保证的，但起决定性作用的还是设计过程。设计人员在进行产品设计时，如果能够认真地执行准则，就可避免一些不该发生的疏忽或者错误（低级错误），从而提高设计质量，真正把“可靠性是设计出来的”这句话落到实处。因此，在设计过程中落实准则是提高产品固有可靠性的重要手段。 用来检查设计质量的好坏：产品的可靠性和性能都是产品的质量指标。一般来说，性能指标可以用仪器仪表进行检测，但可靠性指标的确认要困难得多，贯彻可靠性设计准则可以部分地解决这个问题。在设计工作完成后，质量部门要组织第三方专家依据准则的条款，逐条检查准则的落实情况，并提交“可靠性设计准则符合性检查报告”。虽然不能定量地确认产品的可靠性是否达标，但能够定性地知道所设计产品的可靠性是高、还是低。 为设计评审提供依据：在产品设计评审时，要将“准则符合性检查报告”提交评委会进行审查。不仅是对设计质量的进一步的确认，而且也是对检查组工作质量的认可，避免检查工作走过场，流于形式。 促进可靠性持续增长：一种产品的设计通过了“准则符合性检查”和设计评审，并不标志着该项工作的终结。随着产品研制进程的深入、关键技术的突破、以及故障归零措施的落实等，都可能导致设计的更改。在设计更改过程中，往往会采用新技术、新工艺、新材料、新型元器件等，所有这些改进措施都应该补充到原先的准则中去。该过程一直要进行到产品寿命期的终结。因此，准则的补充与修订过程，也是产品可靠性增长的过程。 利于知识的传承：科技人员（不单纯限于设计人员）在长期的工程实践中，有很多经验教训、心得体会，都散落在个人的记事本上或脑子里。这些无形的东西，其实是企业的一部分非常有价值的、极其宝贵的知识财富。如果无人问津、任其流失，实在可惜。通过建立可靠性设计准则，可将这些分散的、无形的知识财富收集起来，并加以归纳、提升，使其成为准则，不仅能够指导当前的产品设计，而且有利于知识的传承和新人的培养。既然知识得以传承，新人得到培养，那么，企业的“可持续发展”也就在情理之中了。三. 建立可靠性设计准则的步骤第一步，准则命名：可靠性设计准则是针对某个具体的产品而言的（专用准则），不同的产品具有不同的特性，其可靠性要求也不完全相同。一般来说，凡具有产品代号（即型号）的独立产品，在进行工程设计之前，均应编撰各自的可靠性设计准则，作为该产品设计时必须贯彻的输入文件。为了便于区分，也是为了方便管理，首先要赋予准则一个合适的名称，即产品可靠性设计准则。实际上，“准则名称”也为准则的编撰工作划定了一个大致的范围。这里所说的产品，可以是惯导系统、陀螺、加速度计，也可以是计算机、或者具有独立功能的电路板，等等。总之，凡是具有独立代号、能够进行单独验收的产品，均应建立各自的可靠性设计准则。第二步，了解产品：在着手编撰可靠性设计准则之前，要充分地了解“对象产品”的任务使命、功能特性、工作原理、配套关系，以及任务书或者订货合同中规定的环境要求和可靠性要求（定量的和定性的）。不了解自己的产品，就很难制订出有效的、可执行的准则来。第三步，收集素材：在充分了解产品的基础上，开始收集准则的相关素材。素材的来源，有以下渠道： 订货方的可靠性定性要求（合同中规定的有关条款）； 本单位以往的设计、制造，以及故障归零等，积累的经验； 同类型产品（本单位的或兄弟单位的相似产品）的可靠性设计准则中适用于本产品的条款； 国内外的可靠性相关标准、规范、手册中适用于本产品的内容和条款。能够直接引用的情况往往并不多，需要在理解“精神实质”的基础上结合本产品的具体特点加以改造，使之成为本产品的条款。第四步，初稿编撰：把从不同渠道收集来的素材进行汇总、分析、归类，形成本产品可靠性设计准则的初稿。初稿的编撰没有固定的格式，虽无一定之规，但也不能把所有的条款杂乱无章地堆积在一起，既无法查阅，更无法应用。因此，所谓编撰，就是按照一定的规则对这些条款进行分类，以便于查阅和使用。至于如何进行分类，可参考第四章“准则条款的分类原则”。第五步，初稿评审：在设计师完成了准则初稿的编撰之后，由质量管理部门组织相关专家对初稿进行评审。评审组的成员应包括，有经验的设计人员和工艺人员、可靠性专业人员、质量管理和型号管理人员等。评审的形式是，对准则初稿进行逐条审查。审查的要点是，每个条款的有效性、可行性和可检查性。在进行审查的同时，与会专家还可以对被审查的条款提出具体的修改意见，也可以添加新的条款。 有效性：确认每个条款是否真的能够提高产品的可靠性。如果确能提高产品的可靠性，则保留；如果不能提高产品的可靠性，或者效果甚微，则不保留。不要拼凑数量，要注重实效。 可行性：确认每个条款在技术上是否能实现，而且在成本上是否可接受。可靠性是设计出来的，“低成本”同样也是设计出来的。不同的设计方案对应着不同的成本，一旦方案确定之后，一个固有的成本也就跟着产生了，无论管理者的水平多么高，实际发生的成本都不可能低于该固有成本。通常情况下，可靠性与低成本之间是有矛盾的，设计师的职责就是在二者之间寻找“平衡点”。 可检查性：确认对每个条款的“检查”是否简单易行。一般来说，通过查看设计图纸和技术文件，就能知晓其执行情况的好坏，而不需要借助仪器仪表。第六步，正式发布：准则初稿通过评审后，根据评审会上提出的意见对初稿进行修改和补充，并形成正式稿。然后按照规定的审批程序签署完整，并由总师和行政领导共同批准，正式发布实施。第七步，实施与补充：准则正式发布实施后，在执行的过程中可能还会遇到一些事先没有想到的新情况、新问题，需要进行修订和补充。例如，设计方案的变更、故障归零措施的落实、新材料和新技术的采用，等等。总之，随着技术的进步、经验的积累、认识的深化，可靠性设计准则也在不断地得到补充和提升。这个过程将一直继续下去，直到该产品的全寿命周期的终结。四. 准则条款的分类原则可靠性设计准则的编撰，就是对分散的、各自独立的条款进行分类，并形成一份可供查阅的条款性文件。分类的方法有很多，但无论采用何种方法，都必须遵循一条基本的原则：要紧密地与产品的设计过程相结合，以便于查阅和应用。贯彻并落实准则的条款，属于可靠性定性设计的范畴。工程上之所以将设计划分为性能设计、可靠性设计（定量的和定性的）、甚至还有“成本设计”等，仅仅是为了表述上的方便而已。在实际操作时，不可能将它们截然分开而分步实施，更不能片面地追求某一单项指标。产品的性能、可靠性、成本等，都是设计师赋予产品的固有属性。一个高明的设计师总是在综合权衡了这些指标的基础上，然后提出自己的设计方案，使得性能设计、可靠性设计和成本设计等在该方案中得到有机的结合。因此，可靠性设计准则的“定性条款（要求）”，也应该综合考虑在统一的方案中，而不能另搞一套。由此可知，最合理的分类方法应该是将其与常规的可靠性设计融为一体、通盘考虑，实现定量设计与定性设计的有机结合。在产品的方案设计（初步设计）阶段，可靠性设计的主要内容有：建立产品的可靠性模型（可靠性框图和对应的数学关系式）、可靠性指标的分配与预计。但是，这些设计工作不能够提高产品的可靠性，即使是其中的可靠性预计也仅仅是给出了一个可能达到的、预估的可靠性水平，还不是产品的固有可靠性。这个可能的预计值，还要靠专门的可靠性设计技术、或者手段来保障，使其最终成为产品的固有可靠性。在工程设计（详细设计）阶段，通过故障模式及影响分析（FMEA)、故障树分析(FTA)、热分析、容差分析等有效的分析手段，主动地、最大限度地去挖掘可能存在的薄弱环节和故障隐患。进而，有针对性地采取各种专门的可靠性设计技术，来消除这些薄弱环节、或者隐患，力求将预计的可靠性指标变为现实，即将“预计可靠性”转化为产品的“固有可靠性”。当然，最终能否达到此固有的可靠性水平，还很难说，还要靠精心的制造和有效的管理来保障。常用的可靠性设计技术有：简化设计、降额设计、耐环境设计、热设计、余度设计等。其实，在这些技术手段中就包含有很多可靠性定性设计的相关内容。由此可知，在进行准则条款的分类时，最好的选择是，将不同性质的准则条款“对号入座”，融入对应的可靠性设计技术中去，实现定性设计与定量设计的“无缝结合”。五. “附录”部分的说明在本文的附录中给出了一个分类的用例，来具体地说明如何进行分类。针对这个“举例”再作如下说明： “举例”中共列出了十四个大的类别，供编撰准则时参考。但并不是说，每个产品都要列出这么多的类别来，可结合具体产品的特点进行裁减，不一定面面俱到，关键是要抓住重点、条目清晰、便于阅读。当然，分类的方法不是唯一的，也可以也可以按产品的构成、功能等进行分类。例如，结构设计准则、电气设计准则、电路设计准则、地线布局准则、软件设计准则、通讯接口设计准则，等等。 由于各类别之间是相互独立的，因此，它们的前后次序无关要紧。在具体操作时，只要将准则条款按其性质的不同，分别列写在对应的“类别”中就可以了。 对于指定的产品而言，没有必要再划分通用条款和专用条款了，即使是对同类产品均适用的“通用条款”，也要结合本产品的特点转化成自己的条款。就是说，准则中所列的条款对指定的产品而言，都是必须遵守的、都是专用的。 在每个“类别”的下面，分别附加了简要的说明，仅供编撰时参考。在具体编写时，可以省略，直接列写条款。 该“举例”不但可以用来规范准则的编撰过程，也可以作为收集素材时的参考提纲。六. 总结这篇所谓的“指南”，到此就算完成了。其成文过程同编写“可靠性设计准则”是一样的，都是先构思一个提纲，再根据提纲去查阅资料、收集素材，然后编撰成文。其实，天下的文章都是这样编造出来的，但重要的是，要有自己的思路、自己的观点，而且要用自己的话语叙述出来，而不是照搬资料和素材。在本文的成文过程中，由于要对素材进行编辑、改写，很难避免会有意无意地掺入自己的“私货”，特别是“附录”部分。因此，错讹之处在所难免，敬请批评指正。最后，再将可靠性设计准则的要点概括如下： 可靠性设计准则是在全面总结以往经验的基础上，由设计师编写的条款性文件，同时又是一份可执行、可检查的法规性文件； 在执行的过程中，又在不断地得到补充和提升，因此，它又是动态的、开放的。其实，这个过程就是知识和经验不断地得到累加和传承的过程； 制订可靠性设计准则就是对收集到的素材进行整理、改造，然后再进行分类。分类的原则是：要便于查阅和应用； 制订并贯彻可靠性设计准则的目的是：从提升“设计质量”开始，最终达到提高“产品可靠性”之目的。附录准则名称（封面）产品可靠性设计准则1. 产品概述由于可靠性设计准则是针对某一具体的产品而言的（通用准则除外），因此，在编撰准则时，首先要对指定的产品作一个简要的介绍。让读准则的人知道，他所面对的是一个什么性质的产品，并对该产品的“全貌”有一个大概的了解。“产品概述”的要点如下： 产品名称：要用全称，尽可能不用简称； 产品型号：是本产品的型号，而不是上一级“型号产品”的型号； 功能：结合对外的配套关系，介绍本产品在上一级“型号产品”中的使命与任务，以及对外的接口关系； 组成：画出本产品的组成方框图，每一个框代表一个功能单元，但不必画出单元内部的详细电路图； 简要的工作原理：结合组成框图，简要地介绍“框图”中每个框的功能，以及框与框之间的关系； 任务书或订货合同中规定的可靠性定量、定性的要求等。其实，这里所说的“产品概述”就是可靠性建模的“定义产品”。如果是同一个产品，就没有必要重新编写，相互借用就是了。2. 简化设计准则与“三化”原则2.1简化设计简化设计，就是在确定产品的设计方案时，不片面地追求性能指标的“高而精”，在满足使用要求的前提下，尽可能地采用成熟技术，使产品的“结构”和“组成”均得到简化，从而提高产品的可靠性。“结构简化”是指，产品的机械结构应尽可能地采用“一体化”的结构形式，减少组装级别与螺钉连接；“组成简化”是指，尽可能地减少产品的功能单元，减少元器件的品种和数量。孤立地谈论简化设计显得太笼统，不具操作性。只有将简化设计与“三化”设计结合在一起才有实际意义。所谓“三化”就是通用化、组合化(模块化) 、系列化的简称。“三化”是标准化的原则与方法在产品研制活动中的具体应用、是标准化活动的必然结果。2.2 通用化通用化的实施对象，通常是为整机配套的元器件、组件、部件，或者分系统级的产品，统称为功能单元。所谓“通用化”，就是直接选择具有互换特性（结构和功能均具有互换性）的通用单元，将其应用于所设计的产品中。如果没有现成的通用单元可供选用，则可有目的、有针对性地研制新的通用单元，以满足正在研制和后续研制产品的使用需求。这类通用单元在整机产品中的层次愈高、应用的范围愈广，则通用化的效果就愈明显。2.3 组合化（模块化）组合化的实施对象，一般是较为复杂的产品，但不一定是最终的整机产品，可以是为整机配套的分系统或者设备级的硬件产品，也可以是软件产品。这类产品通常要完成比较重要而且复杂的任务，在进行设计之前，首先要对任务进行认真的分析，将其分解成几个相对独立的任务单元，随后选用不同的“通用功能模块”来分别满足其任务需求。对于某些特殊的需求，有可能找不到现成的通用模块，那么，就需要研制“专用模块”以满足此特殊需求。最后，再将这些通用的和专用的模块按照一定的规则，将它们组合成一个有机的整体，那么，一个新的产品就诞生了。2.4 系列化系列化的实施对象，通常是最终要交付的整机产品。这里所说的“整机产品”可以是一个相当复杂的大系统；也可以是一个很小的电子元器件。总之，它们都是要直接面对市场、是可供用户选购的最终产品。这类产品的主要参数（结构参数和性能参数）可按照产品的特点和使用需求被划分成若干个档次，称为“参数系列”。然后，再根据参数系列编制产品的“系列型谱”。产品的研制、生产、销售都是依据该型谱进行的，这就是通常所说的“基本型系列化”。所谓“基本型”，就是型谱中“固定不变”的部分，在此基础上可派生出一系列新的产品以满足用户的不同需求。系列化产品中每一规格（档次）的产品，都在一定的范围内具有通用性。因此，系列化也是扩大了范围的通用化。2.5 小结综上所述，通用化是基础，为组合化和系列化提供标准的、通用的功能模块；组合化是应用，应用由通用化提供的功能模块组合成不同层级的产品，可以是最终要交付的整机产品，也可以是为整机配套的中间级产品；系列化是结果，按照产品的“系列型谱”制造（或者组合）出各种系列的产品以满足用户的不同需求。三者的关系可用一句话来概括：利用通用的模块组合出系列的产品。在确定产品的设计方案时，如果能够认真地贯彻“三化”原则，那么前面所说的“结构简化”和“组成简化”就肯定能够实现。贯彻“三化”原则，不但能够提高产品的可靠性、维修性和保障性，而且可以缩短产品的研制周期、降低产品的固有成本。3. 电子元器件和机械零件的选用准则这里所说的电子元器件还包括机电产品中常用的电气元件，例如，电阻、电容、变压器、继电器等；这里所说的机械零件是指机械产品中常用的标准件、通用件，例如，螺钉、螺母、垫片、销子、轴承、减速器、密封圈等。以下将电子元件、电气元件、机械零件，统称为元器件。它们是各类产品的最基本、最底层的构成单元，用量极大，因此，对整机产品的性能、可靠性，以及全寿命周期费用的影响也极大。在选用元器件时，要贯彻以下原则： 要严格限制元器件的种类、规格和数量； 要根据元器件在产品中的重要性、使用环境、维修级别等，在优选手册中选取。元器件的质量等级要符合使用环境条件的要求；失效率要符合可靠性的要求；性能指标要满足功能的要求； 尽可能不用或者少用非标准件和手册外元器件； 如果因为某种特殊要求，需要在优选手册外选取元器件时，要严格按照规定的审批程序进行审批。 在选用元器件时，即使是国产器件，元器件制造厂家的质量信誉和供货能力，也是必须考虑的要素。 尽量少用进口元器件，在特殊情况下非用不可时，除技术参数、环境参数、质量等级必须满足使用要求外，还必须具有可靠的、稳定的供货渠道。4. 降额设计准则所谓“降额”是指，在整机产品工作时，使其内部的元器件承受的工作应力要适当地低于元器件能够承受的应力（元器件的内在承受能力），从而达到提高整机产品的使用可靠性之目的。元器件承受的工作应力，是由整机产品执行任务时的环境条件决定的，在整机产品的任务书或订货合同中均有明确的规定；而元器件本身的承受能力，在元器件的产品手册中也有明确的说明。所谓“降额设计”就是根据给定的环境条件和电路的结构，针对不同类型的元器件确定其需要降额的重点参数及其降额的等级。在进行降额设计时，要特别注意以下几个问题： 不同类型的元器件对不同应力（电、热、机械、低气压等）的敏感程度是不相同的，因此，降额的重点也是不相同的。例如，电阻的降额重点是功率和工作温度、电容的降额重点是端电压和工作温度、集成电路的降额重点是工作电压和结温，等等。由于温度对任何产品的可靠性的影响具有普遍性，因此，对任何产品而言，温度都是必不可少的降额参数。 通常情况下，手册上给出的降额等级或者降额参数都是静态的。实际上，当电路正常工作时，电压和电流都不是常值，而是处在动态的变化之中，尤其是通电或断电的瞬间以及电路工作状态切换时，还会出现浪涌电流或浪涌电压。因此，在进行降额设计时，还要考虑到电路中可能出现的“动态电应力”，即在直流电压（电流）的基础上，再加上动态峰值电压（电流），作为“总的电应力”。 降额的量值要合理。元器件的工作应力对其失效率的影响十分显著，合理的降额能有效地提高元器件的工作可靠性，但过度的降额没有必要。通常情况下，降额有一个最佳的范围，在此范围内降额，效果十分显著；超出此范围的更大降额，可靠性的增长就不再明显了。不仅如此，反而会导致产品的体积、重量和成本的增加，就是说，过度的降额，要付出不必要的代价。需要指出的是，对于某些元器件来说，过度的降额不但无益，反而有害，有可能引入“低应力失效”。所以，要综合权衡各种利弊，确定一个合理的降额值（降额等级）。例如，小型和超小型继电器的触点电流，一般是不可以降额的，按照产品手册给定的额定电流使用就可以了。又如“光电耦合器”，其产品手册给出的“发光二极管”的工作电流仅仅是一个参考值，真正的工作电流要在实际的产品上通过调试确定。在发光二极管的输入端加“正方波”（占空比为11）信号，调节发光二极管的限流电阻，使光敏三极管的输出信号也是“正方波”。此时，发光二极中流过的电流才是其真正的工作电流。该电流可能略高于手册给出的参考电流，也可能略低于参考电流。因此，不存在降额的问题。 当某型元器件的失效率较高、其可靠性不能满足使用要求时，不能用降额的方法解决低质量元器件的使用问题，而必须更换质量等级更高的元器件。5. 容差设计准则5.1 参数漂移与容差设计在产品的寿命期内，由于制造应力的释放、元器件的老化、环境温度的变化等，都会引起元器件参数的变化和电路性能指标的漂移。如果这种变化和漂移超出了规定的范围，就会导致产品性能的恶化、甚至失效。所谓“容差设计”，就是在产品的设计阶段采取相应的技术措施，确保产品在其寿命期内，各项参数的漂移始终不超出规定的范围。这就是通常所说的“参数稳定性”，又可划分为“短期稳定性”和“长期稳定性”两种情况。5.2 短期稳定性短期稳定性是指，在产品执行任务期间，由外部环境变化引起的参数漂移不超出规定的范围。最常见的参数漂移，莫过于由温度变化引起的“温漂”了。这种参数漂移是随环境而变的、是随机的，直接影响产品的精度和性能，又称为产品的“性能稳定性”。随环境而变的参数漂移，主要靠设计手段来解决。首先，要选用对环境变化不太敏感的、性能更加稳定的元器件；再者，要优化电路的设计、采取反馈和补偿措施来抑制元器件的参数变化。5.3 长期稳定性长期稳定性是指，在产品库存期间，由制造应力的释放和元器件的老化引起的参数漂移不超出规定的范围。这种参数漂移是单方向的、有规律的，而且其变化速度是极其缓慢的。为了检测产品的长期稳定性，每隔一段时间对产品进行一次检测，然后对比、分析其参数的变化情况。因此，又称“长期稳定性”为“逐次启动的重复性”。根据“相邻两次检测”之间的“间隔时间”的长短，又分为“逐日启动重复性”、“逐月启动重复性”、“逐年启动重复性”等。对应的参数变化情况，称为“逐日漂移”、“逐月漂移”、“逐年漂移”等。长期稳定性是一个“统计值”，为了提高统计的精度，检测次数不能太少、相邻两次检测的时间间隔要相等、检测环境要相同。由制造应力引起的参数漂移主要靠工艺手段来解决。通过环境应力筛选和边界条件的拉偏试验，不但能剔除潜在的早期失效元器件，而且还能释放出各种制造应力，使产品的性能更加稳定。对于稳定性要求特别高的产品来说，除了以上的措施外，还应增加专门的“时效工艺”，以最大限度地释放“残存应力”。以上的工艺措施应作为技术要求写入产品的设计文件中，或编入该产品的“准则”中。6. 热设计准则电子元器件工作时承受的热应力可以来自有源器件的内部，也可以来自外部环境。如果器件本身的散热性能不好，加上环境温度过高，则器件内部的热量不能外散，而导致器件的温度升高，轻则使器件的电气参数发生漂移，进而导致整机产品的性能恶化；重则使器件被烧毁，导致整机失效。另外，如果外界环境温度发生剧烈的变化，忽高、忽低，器件内部的不同材料之间，由于热膨胀系数的不同会产生“不匹配应力”，严重时会造成器件内部的键合失效、材料的热疲劳失效、甚至会造成管壳开裂等。这里所说的热设计，就是采取相应的技术手段来消除或者弱化热效应对器件的性能和可靠性的影响。可通过如下两个途径来实现：一是，选用温度适应范围宽、“温漂”小的元器件；二是，在整机产品设计时，采取有效的技术措施，为器件营造一个较好的热环境。以下是“整机热设计”常用的技术措施： 采取对流、传导、辐射等散热手段，使“发热”和“散热”达到动态平衡，防止出现过热现象； 采取“温控”技术，将环境温度控制在一定的范围内，营造一个相对“恒温”的工作环境（只适用于高精度的产品）； 如果外部环境十分恶劣，高温很高、低温很低，而且交替变化又特别剧烈。则可采取隔热措施，切断内、外环境的热交换，保持内部热环境的相对稳定； 以上措施均有硬件投入，成本较高。在确保元器件不失效的前提下，可放弃“硬件措施”，而采取温度建模、软件补偿的方法，以抵消参数温漂的影响。该方法称为“温度补偿”，简称为“温补”，成本较低。7. 抗力学环境设计准则这里所说的力学环境是指，振动、冲击、碰撞、跌落、摇摆、恒加速度（离心）等。除“恒加速度”外，其他应力均不是常值，产品对它们的时域响应可视为随机过程。如果用“傅里叶变换”将其转换到频域去，均为功率谱密度函数。其差别仅在于，各自的功率谱在频率轴上的位置不同（中心频率不同）、各自的带宽也不同。由于冲击、碰撞、跌落等过程的功率谱很窄，通常将它们视为“窄带振动”。就是说，大部分的力学应力都可归化为振动过程。这样，抗力学环境的问题就可归结为防振和抗振的问题。 加装减振器是最有效的、也是最普遍采用的抗振措施。由于减振器是一个“低通滤波器”，所以，减振器的谐振频率要低于外界的最低激振频率（基频，即一阶频率），以滤除大部分的高频谐波。在大多数情况下，这一要求是能够实现的。但也有例外，在某些场合，激振频率非常低，而且负载又比较重，给减振器的设计造成极大的困难。如果使减振器的谐振频率比激振频率更低，则减振器将会很软，强度很低，而负载又比较重，减振器将很容易被撕裂。此时，可采用二级减振方案，可适当地提高整机减振器的谐振频率，即把减振器做得硬一些，以提高其强度。然后，再对需要重点保护的器件（产品中的薄弱环节）单独加装减振器，称为二级减振。由于该“重点器件”比较轻，二级减振器可以做得软一些。这样就兼顾了整体和局部、刚度和强度。 虽然可以将冲击视为窄带振动，而且“防振”和“防冲”通常是共用一套减振器，但二者的减振机理是不同的。“防振”是通过减振器的阻尼作用消耗掉一部分振动能量（转化成热能耗散掉），从而达到减振的目的。而“防冲”是通过减振器的变形将“冲击动能”转化成“形变势能”贮存在减振器中，然后再将贮存的能量按照设计赋予的特性“缓慢”地释放出来，通过这样的“快吸慢放”的变换就达到了“防冲”的目的。防冲设计要确保减振器的“响应峰”出现在“激励峰”消失以后，即两峰没有重叠部分，不会产生“冲击共振”。防振和防冲设计各确定一个谐振频率，取其中的较低者。 当发生共振时，振幅会加大，要留出足够的位移间隙，以防止共振体之间的相互碰撞。 减振器的设计应防止振动耦合，即一个方向上的振动激励只能引起同方向的振动响应，而不应引起其他方向上的振动响应。振动耦合的形式有：线振动与线振动的耦合、线振动与角振动的耦合、角振动与角振动的耦合。 产品的结构设计必须确保，在振动情况下，产品内部的所有组件、元器件之间，以及它们和基座之间均不得产生相对位移。 结构设计要避免任何形式的悬臂安装。 继电器衔铁的吸合方向应尽可能地避开振动方向。 对于较重的“两脚”元器件（例如，电解电容、大功率电阻等），必须采取附加的加固措施，将其与电路底板牢固地结合在一起，以防止“管脚”的疲劳断裂。 所有的印制板和电连接器都必须具有锁紧机构，防止连接器的“头座”脱开，或者由于“头座”松动引起的接触不良。 螺钉连接必须具有放松措施，通常情况下是加装弹簧垫片。但有时候，由于受到结构形式或空间的限制，无法加装弹簧垫片。此时，可在螺钉和螺母之间加涂“防滑胶”（不能影响维修）。 产品内部的电缆或线扎均不允许悬空，必须紧贴底板、或者紧贴侧壁布置，而且要用线卡或者绑扎线固牢。如果用绑扎线固定，在绑扎完成后，要在绑扎线上涂胶使其“硬化”。8. 电磁兼容设计准则8.1 电磁兼容概述近年来，电子产品日益向着高速度、小型化、高集成度的方向发展，工作频率越来越高、频带越来越宽，由电磁干扰引发的产品故障也越来越多。电磁干扰可以发生在设备的内部，也可以发生在设备之间（外部）。一个设备内部的各组成单元之间，如果能够互不干扰、正常地工作，则称该设备是“自兼容”的；如果一个“大系统”由多台设备组成，各设备之间能够互不干扰、正常地工作，则称这些设备之间是“互兼容”的。电磁干扰的发生要同时具备三个要素：干扰发射器（干扰源）、干扰接受器（敏感器）、干扰传播途径（耦合通道）。这三个要素中，只要有一个不存在，则电磁干扰就不会发生。但发射器和接受器不能“被消灭”，只能切断干扰的传播途径。发射器和接受器都是设备或者系统的组成部分，要完成一定的功能，不能没有它们，只能限制发射器的干扰强度，或者提高接受器的抗干扰的能力。由此可知，电磁兼容设计的基本使命是： 抑制发射器的非正常发射的强度，将其限制在一个可接受的范围之内； 提高接受器的抗干扰能力（降低其对干扰的敏感度）； 切断干扰的传播途径。干扰的传播途径分为传导、辐射、或者两者的组合。传导发射以金属导体为媒介，以噪声的形式进行传播；辐射发射以空间或非金属体为媒介，以电磁场的形式进行传播。8.2 传导干扰的抑制措施抑制传导干扰的基本思路是“疏导”（旁路）。将干扰噪声引入地线，在地线中转化成热能被耗散掉；不让它们进入放大器的输入端，经放大后而形成干扰。常用方法有： 布线要合理，包括印制板的布线和电缆的敷设； 地线的布局和接地点的选择要合理； 在信号的传递通路上，有针对性地设置滤波器（低通、高通、带通、带阻）将干扰噪声滤除（旁路入地）。8.3 辐射干扰的抑制措施抑制辐射干扰的基本思路是“隔离”，常用的方法有： 空间隔离：就是在辐射源与接受器之间采取屏蔽措施，将它们在空间上隔离开。一方面，限制内部的辐射不超出某一限定的区域；另一方面，防止外部的辐射进入某一限定的区域。电场为“有源无旋场”，电力线为开放的射线，很容易被遮断，电场的屏蔽容易实现；但磁场为“无源有旋场”，磁力线一定要闭合，即磁力线不能被切断，因此，磁场屏蔽的难度要大得多，因为磁力线在空间“无孔不入”。 时间隔离：在任务时间内，尽可能地将“辐射干扰源”和“干扰敏感器”的工作时间错开，即一个工作时，另一个不工作。就是说，二者不能够同时工作，干扰自然就不会发生，这就是时间隔离。 频率隔离：使辐射干扰源和干扰敏感器的功率谱相互独立、不存在重叠的部分，即各占据一个独立的频段，干扰就不会发生，这就是频率隔离。9. 静电防护准则当前的电子产品中有大量的CMOS器件，由于其输入阻抗极高，对静电十分敏感。尽管有些静电敏感器件已经在其内部采取了防静电的措施，但其防护作用还是有限的。在应用这些器件时，仍然需要采取一些措施来防止静电对器件造成的损伤。静电放电对电子元器件造成的损伤具有潜伏性，当时不一定显现出来，也很难用仪器检查出来，经过一段时间之后才会暴露。另外，静电造成的损伤还是累积的，第一次没坏、第二次也没坏、第三次可能就坏了。因此，“防静电设计”尤有必要。 尽量采用对静电不敏感的元器件。 在电路布局和设计方面，尽可能地在静电敏感器件的输入端增设保护网络，用来抑制静电的电势不至于太高，或者将静电荷及时地泄放掉，使其不能够继续累积下去。例如增设箝位电路，当静电势累积到或超过设定的箝位电压时，箝位电路导通将部分静电荷泄放掉，以此来抑制静电势的幅度。另外，保护网络的响应速度应足够快，应先于被保护的对象做出反应，否则就失去了应有的保护功能。 在地线布局方面，尽量不用“浮地”方案。因为浮地电路与其它电路之间在电气上是完全绝缘的，容易产生静电积累，当静电势（电位）积累得足够高时会对相邻的电路放电，损坏敏感器件。克服这一缺陷的方法很简单，在浮地和电源地之间跨接一个电阻就可以了。该电阻的阻值应取得高些为好，被称为“高值泄放电阻”。当浮地电路上有电荷“堆积”时，可通过该电阻泄放掉；当堆积的静电荷被完全泄放后，该电阻上没有电流流过，两端的电位相等，等同于“浮地”。既泄放了静电，又达到了地线“隔离”之目的。因此，不能把“浮地”机械地理解为完全绝缘，只要确保两种地线之间没有“电流交换”就可以了，而且二者之间是“等电位”的。 通常认为，静电会对半导体器件造成损伤，对电阻没有什么影响。这种观点不够全面，高阻值的薄膜电阻也是静电敏感器件。当其受到电击后，虽不至于完全损坏，但其阻值会发生明显的变化，导致阻值超差。 静电敏感器件在标识、包装、贮存、传递、装机、使用等方面，还应注意一下事项： 在静电敏感器件的外包装上应具有醒目的“静电敏感标识”； 在器件传递的过程中应采用专门的防静电材料包装； 接触静电敏感器件的人员应穿着防静电工作服、并戴上防静电手套和腕带； 电烙铁要可靠接地（接地电阻要小于2）； 装配环境的相对湿度应不低于40。10. 非电子产品可靠性设计准则这里所说的非电子产品是指除纯电子产品以外的所有产品（或者一个设备中的非电子部分），包括机械、电气、液压、气动、光学等类型的产品。其特点是，种类繁杂、标准化程度低，而且这类产品的故障是由于疲劳、磨损、老化、腐蚀等原因引起的，属于耗损型故障模式，其失效率不符合恒定失效率的假设，因此，很难实施定量的可靠性分析与设计。可靠性工程是以电子产品为先导，通过对电子产品的可靠性研究而逐步发展起来的，并形成了一套比较完善的理论和方法，对提高电子产品的可靠性做出了巨大的贡献。电子产品的失效率基本上符合所谓的“浴盆曲线”，它把电子产品的寿命期划分成三个阶段：早期失效期、偶然失效期、耗损失效期。在早期失效期，产品的失效率是单调下降的；进入偶然失效期后，产品的失效率趋于稳定，近似为常数；再经过一段很长的时间后，进入耗损期，产品的失效率急剧上升，很快报废。但非电子产品的寿命期只有一个阶段，而且失效率是单调增长的，即耗损型失效，不符合“浴盆底部”恒定失效率的假设。因此，普遍适用于电子产品的可靠性理论、方法和标准等，大部分不能适用于非电子产品，特别是定量的可靠性设计与分析很难实施。不过实践表明，可靠性设计准则、故障模式及影响分析（FMEA）、故障树分析(FTA)等定性的可靠性技术与方法，不但完全适用于非电子产品，而且是行之有效的。尽管国内外工程界在非电子产品的可靠性定量分析与设计上倾注了大量的人力和财力，但由于可供利用的数据（失效率等）有限，而且要获得这些数据也十分困难，因此，至今尚未形成普遍适用的方法与标准。虽然现在已经形成了一些非电子产品的失效率统计模型及失效率数据手册，但都不具有普遍性，不足以作为非电子产品可靠性预计的直接依据。在这种情况下，工程界普遍认为，对于非电子产品而言，当前最有效的途径是：通过长期的使用、发现问题、总结经验、改进设计，从而提高产品的可靠性。其实，这就是建立可靠性设计准则的基本思想。为此，建议如下： 管理层面：针对非电子产品的设计、工艺、制造、试验、包装、运输、储存、使用、维修与维护等各个环节，分别制定相应的规范，并加强管理与监督，以确保产品的固有可靠性与使用可靠性。 设计层面：针对指定的非电子产品，可借鉴相似产品的设计经验和使用经验，在此基础上制定本产品的“设计规范”和“可靠性设计准则”，其中包括：结构形式、强度、刚度、安全系数，原材料、谐振频率等的“定量模型”和“定性准则”。 将“故障模式及影响分析（FMEA）”技术应用于非电子产品的设计中。FMEA是一种自下而上（由元件到系统）的可靠性分析技术，从最底层的元件故障开始，逐层向上分析该故障产生的后果，直到系统级产品。首先，查找系统的所有组成单元可能发生的全部故障，并对这些故障进行逐个分析，其中包括：故障模式、故障机理、以及该故障对系统产生的影响。然后，根据影响的严重程度对故障进行分类，从中找出“最致命”的故障，并从设计上采取对策加以预防。同时，FMEA的结果也是确定关键件、重要件的依据。FMEA是一种定性的分析手段，不需要数学运算，简单易行，效果显著，深受技术人员的欢迎。但FMEA也有它的局限性，只能做单因素分析。如果某一个顶层故障需要几个因素（底层故障）同时作用才能发生，则FMEA就无能为力。因此，需要采用“故障树分析(FTA)”作为补充。 FTA是一种自上而下（由系统到元件）的可靠性分析技术。首先确定顶事件，顶事件是最不希望发生的系统级故障，逐层向下寻找导致该故障发生的所有的直接原因，直到最底层为止。FTA不仅能够找出可能存在的硬件故障，而且还能找出软件故障、环境因素、以及人为因素等。FTA不仅能够分析单因素故障，也能分析多因素故障（几个单元故障的组合）。FTA适用于系统寿命周期的任何阶段，特别是早期设计阶段，尽早地找出系统中的薄弱环节，并在设计中采取有效的预防措施，使产品的固有可靠性得到提高。FMEA是FTA不可缺少的基础性工作，FTA是FMEA的发展和补充，二者的联合运用（将FMEA找出的“致命故障”作为FTA的顶事件再进行分析）将会收到很好的效果。 在进行产品的电气设计时，必须认真地考虑电连接器的防误插问题。必须从设计上保证，在任何情况下都不会发生误插。不能把连接器防误插的问题留给操作者、不能寄希望于操作者的“责任心”。因为，操作者的“责任心”是靠不住的。 在进行产品的机械结构设计时，必须认真地考虑配合件的防误装问题。必须从设计上保证，在任何情况下都不会装错、或者装反配合件。同样，不能够把配合件的防误装问题留给操作者，不能寄希望于操作者的“责任心”。11. 软件可靠性设计准则软件可靠性是一个特殊的课题，由于软件的故障机理与硬件存在着本质上的差异，因此，软件可靠性有其自身的特点，下面从技术和管理两个层面分别加以说明。11.1 技术层面从技术层面看，软件的使用没有磨损和疲劳等问题，因此，软件的故障（或者缺陷）是“无耗损”的、是非物理因素造成的。在其开发期（制造期）很难被发现，只有在使用过程中、而且是在特定的应用环境（硬件环境和软件环境）中才有可能暴露出来，然后再对软件进行维护（改进），使软件的可靠性得到提高。可见，软件是无耗损的，“越用越可靠”，其失效率随着时间的延伸是单调下降的，形式上类似于电子产品的早期故障模式。但软件没有偶然失效期，因此，电子产品的可靠性理论与方法不能直接应用于软件产品。因为，电子产品的可靠性理论与方法是以恒定失效率（偶然故障模式）为前提的。虽然有些学者也提出了一些有关软件的定量评价指标及模型，但基本上没有实用价值，不被工程界认可。到目前为止，工程界普遍认可的还是定性的分析方法，例如，FMEA、FTA、以及软件的“可靠性设计准则”等。FMEA和FTA都是用来分析故障因果关系的重要工具。这里所说的“因果关系”是指“底层产品”（功能单元）的故障与“顶层产品”（系统或设备）故障之间的因果关系，并且将底层产品的故障视作“因”，而将顶层产品的故障视为“果”。FMEA是自下而上，由“因”推“果”的分析过程；而FTA是自上而下，由“果”找“因”的分析过程。这种定性的因果推理过程，不但实用于硬件产品（电子的和非电子的），也同样适用于软件产品的故障分析。对软件而言，顶层产品就是待分析的软件本身；最底层的单元就是每一条指令。软件的FMEA和FTA，就是具体分析软件的故障（顶层产品的故障）与每一条指令（最底层的单元）之间的因果关系。通过分析找出有问题（有缺陷）的指令，然后再对软件进行改进（维护），使软件的可靠性得到提高。11.2 管理层面大量的事实表明，影响软件可靠性的主要因素不完全是技术原因，而是管理原因。主要表现在以下三个方面： 透明度差：由于很多软件从设计到编程（软件的生产），都是由一个人全部包揽，出了问题以后，只能由原开发者去处理，别人很难介入。时间久了，恐怕连原开发者自己也不清楚了。不但软件的质量难以得到保证，而且软件的维护更加困难； 检验困难：软件不像硬件产品那样，能够进行直观、有效的检验。目前还没有专职的“软件检验员”，软件的检验通常是由专门的“软件检测站”来完成，用测试代替检验； 管理粗放：软件的技术状态管理（配置项管理）文件不够细化，监督机制不够健全，往往在“更改控制”环节上出问题。统计结果表明，大部分软件故障与上述三个因素有关。工程界普遍认为，解决这一问题的根本出路在于，将软件视为产品（包括：文档和源程序），对软件的开发、测试、验收、使用、维护等过程分别制订相应的规范，并加强“工程化管理”。软件既然是产品，就应该和硬件产品一样，将设计和生产截然分开，而且能够被检验。只有这样，上述的三个问题才能够得到克服，特别是“透明度”的问题。为此，建议如下： 设计岗位：应明确规定“设计岗”不能够编写程序，但必须完成除编程以外的全部设计工作： 确定软件的总体结构（由哪些模块组成、模块的功能说明、不同模块间的相互关系，以及数据结构和算法等）； 绘制软件流程图； 编制软件文档； 撰写“软件可靠性设计准则”（编程时的注意事项：应该如何做、哪些不能做）； 参与软件的设计评审等。 生产岗位：软件的生产，即编程，应该在“软件车间”完成。编程人员（生产岗位）在充分理解、消化设计文件（软件文档和可靠性设计准则）的基础上编写软件程序。编程者不能是本软件的设计者，但可以是其它软件的设计者，目的是节省人力资源。 检验岗位：“检验岗”对软件的“产品质量”进行把关。这里所说的“检验”是软件交付使用前的“过程检验”，起码应该做到：文档审查、源程序的代码走查，以及“软件可靠性设计准则”执行情况的检查。最后，应提交“文档审查报告”、“代码走查报告”和“准则符合性检查报告”。如果有条件的话，可进一步完成软件模块的单元测试。检验者既非本软件的设计者，也非本软件的编程者。但可以是其它软件的设计者或者编程者，同样是为了节省人力资源。 最终确认：软件的“最终检验与确认”，由独立的、专业的检测机构（即第三方）完成，必须通过严格的测试，并给出明确的结论。具体如何操作，按相关规定执行。11.3 小结综上所述，建立“软件可靠性设计准则”、推广应用FMEA和FTA技术，以及加强软件的工程化管理，都是提高软件可靠性的重要手段。如果将这些手段联合运用，效果会更佳。在编制软件可靠性设计准则时，可将FMEA和FTA的分析结论作为准则的条款；也可将软件工程化管理的相关规定，转化为准则的条款。当然，以往的编程经验和教训更是准则收录的重点内容，应认真地进行收集、整理。如果对软件的可靠性和安全性有特殊的要求，还应考虑软件的容错设计准则。12. 抗辐射（照）设计准则这里所说的辐射（或者辐照）是指“核辐射”和“空间辐射”。这是两种能够对电子产品造成伤害的外部环境因素。12.1 核辐射环境核辐射环境，又分为“核爆炸环境”和“核动力环境”。核爆炸环境：核武器爆炸时产生的大量高能粒子和强烈的电磁辐射、光辐射、冲击波等称为核爆炸环境；核动力环境：装有“核能源”的核电站、核潜艇等，在其内部也存在一定程度的核辐射，称为核动力环境（本文特指核动力环境）。核辐射环境的危害机理：核辐射环境中的高能粒子的种类，虽然很多，但其中的大部分，例如，射线、射线、x射线等，容易被空气和其他介质吸收，或者被设备的壳体所屏蔽，不会对电子设备及其元器件造成致命的伤害。对电子设备及其元器件威胁最大的主要是高能中子流和射线，因为二者很难被其他物质吸收，而且穿透能力极强。当电子设备受到不带电的中子轰击后，会使原子核在晶格中的位置发生变化，称为“位移效应”，从而造成元器件的性能发生永久性的恶化。射线对微电子器件的照射，会导致其内部产生“电离效应”。电离产生的自由电子和空穴“对”，在电场的作用下会形成寄生电流，使电子产品的性能恶化。例如，使钽电容的电容量下降、漏电流增加；使二极管的反向漏电流增加、反向耐压下降；使工作在线性区的三极管饱和，甚至被烧毁，等等。12.2 空间辐射环境空间辐射环境，主要指宇宙射线。在外层空间存在着多种高能射线，统称为宇宙射线。由于地磁场具有对外层空间带电粒子的俘获作用，在地球的周围形成一个由高能粒子构成的辐射带，称为“范艾伦”辐射带，它又可分为“内带”和“外带”。内带在距地球约600Km至6000Km