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电子设计可靠性工程

  • 作 者:庄奕琪
  • 书代号:365100
  • I S B N:978-7-5606-3359-6
  • 出版日期:2014-09
  • 印刷日期:2014-09
  • 业务分类:专著;
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内容简介
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本书重点介绍在工程实践中所需要的、面向质量与可靠性保证和提升的电子产品设计方法。全书可分为电子元器件的可靠性应用和电路的可靠性设计两大部分 前者包括常规元器件的可靠性选择与应用以及可靠性防护元件的选用 后者包括电路级、系统级和印制电路板的可靠性设计。本书理论联系实际,图文并茂,技术覆盖面广,工程实践性强。

本书适合所有从事电子信息产品设计与制造的技术和管理人员(包括研发、生产、管理、供销岗位的工程技术人员以及质量管理和产品管理人员)学习使用,也可作为高等院校电子信息类专业的高年级本科生和研究生的专业课教材或教学参考书以及相关企业的员工培训教材。

本书的编写缘由任何产品的好坏优劣,都可以用四个方面的指标来表征, 即功能、性能、成本和可靠性。功能表征产品的用途,性能是产品功能的定量描述,成本决定了产品的价格竞争力,可靠性则反映了产品的寿命和对各种使用环境的适应能力。在中国产品以数量称霸世界而质量却频受诟病的时候,在中国经济正在从规模数量型向质量效益型转变的时候,由产品可靠性来决定产品优劣胜负的年代终于来到了我们的面前。对于电子产品而言,可靠性主要由三个方面的因素决定, 即电子元器件的可靠性、电路与结构的可靠性设计和电子整机的组装可靠性。可靠性设计是电子产品可靠性保障体系中最为重要的环节。即使元器件自身的可靠性足够好, 电子整机的设计可靠性或者组装可靠性不佳,元器件在安装中或者使用时遭受到各种不适当的电、热、机械和化学等应力的作用,也会对电子整机或者电子系统的可靠性造成严重的影响。

1993年,我国某项重大工程因元器件失效而遭受严重损失。分析表明,此次元器件失效并非是元器件本身质量问题引起的,而是在整机组装时元器件受到不适当的处置而使其可靠性劣化所致。 此事引发了有关部门对元器件可靠性应用和电路可靠性设计的高度重视。笔者受当时的电子工业部指派,对我国航天、航空和电子等行业进行了广泛而深入的调研,发现由于整机可靠性设计不当而造成元器件失效的比例大约占失效总数的50%。根据调研结果,针对以集成电路为代表的微电子器件的应用可靠性问题,从失效机理到解决方案,笔者率领的团队进行了专题研究, 根据研究结果撰写了《微电子器件应用可靠性技术》和《电子元器件可靠性工程》两部著作,分别于1996年和2002年由电子工业出版社出版。进入21世纪后,随着电子产品向着复杂化、多样化和精细化方向发展,整机设计不当导致元器件失效的比例有增无减。与此相对应,针对电子产品的可靠性设计技术和专用防护元件发展迅速。为此,笔者继续进行元器件可靠性应用技术的研究,高度关注国外可靠性设计与元器件防护技术的最新进展,广泛了解国内电子产品可靠性应用存在的问题,归纳总结国内外企业一线研发人员积累的经验,在2000年至2012年举办了28次题为“电子元器件可靠性应用和电路可靠性设计”的培训,其中包括19次公开课和9次企业内训, 参加企业超过200家。在培训中,根据来自一线学员的反馈意见和国内外相关技术的最新发展,不断补充、持续完善讲课的内容,使培训课件日趋丰富、全面、实用,最终的6.0版本课件总页数达1200多页,内含1000多幅图表。

鉴于电子可靠性设计和电子元器件可靠性应用所涉及的内容极其丰富,用户面日益广泛,可靠性工程已成为电子工程中必不可少的组成部分,笔者考虑到仅靠有限时间的培训和课件形式难以达到普及知识、推广技术、促进应用的效果,决心将相关内容整理成书,出版后可供更多的人阅读参考。这便是本书的编写缘由。

本书的主要特点目前,国内外与电路可靠性设计和元器件可靠性应用相关的书籍或文档资料并不少见,大体上可分为以下两类:

(1) 高校教材或教学参考书。这类图书的特点是以原理讲解为主,理论性强,实践性相对较弱。特别是某些国内作者撰写的教材公式繁多、工程实例短缺。对于初入门的大学低年级学生建立基本概念、奠定知识基础,这些教材是适用的,但要直接用于工程实践 这些教材尚有一定的距离。

(2) 工程设计规范,如硬件产品生产公司内部的设计手册、各个集成电路供应商为客户提供的芯片使用指南或要点等,其特点是产品针对性强,但可能过于具体,只给出规范化要求,为何要这样做却很少描述,难以举一反三,触类旁通。工程师设计产品时,不仅要知道应遵循什么样的规则,而且要知道为什么制订这样的规则,才能灵活地运用规则。工程实践中遇到的问题可能是千变万化的,使用环境也是复杂多样的,即使给出100条规则也未必能解决实际工作中的所有问题。

此外,现有出版物大多局限于可靠性应用技术的某一侧面,而未充分融合它们之间千丝万缕的联系。受到广泛关注的电磁兼容设计、防静电设计、抗辐射设计、印制电路板设计、低功耗设计、安全性设计、避雷设计和射频电路设计等,事实上都是电子可靠性设计的一部分,大多数防护与加固方法都是一致的。

鉴于上述考虑,与现有同类出版物相比,本书具有如下特点:

(1) 试图填补理论书籍和工程手册之间的鸿沟,将来自不同领域的可靠性技术紧密地结合起来。

(2) 以实用方法为主,相关原理为辅,避免冗长的理论推导和复杂的定量分析,以提供实用化技术和解决方案为主,同时也希望读者不仅知其然,而且知其所以然,因为只有这样才能应对千差万别的实际问题。

(3) 只针对可靠性或者防护设计,而非针对实现功能、性能指标和制造工艺的设计 针对性更强。

(4) 尽量用插图或者表格来说明问题,其好处一是更直观、更贴近工程实际,二是在有限篇幅内可以为读者提供更多的信息。本书的插图有900余幅,平均正文每页约两幅,称之为“图解电子设计可靠性工程指南”也许更恰当。

 本书的内容与定位本书重点介绍在工程实践中所需要的、面向质量与可靠性保证和提升的电子产品设计方法。这些方法可以分为电子元器件的可靠性应用和电路的可靠性设计两大部分。电子元器件的可靠性应用有两层含义:一是如何正确选择与应用常规元器件,才能充分发挥其固有可靠性的潜力,这部分在本书的第2章介绍;二是为保证电子整机可靠性而研发的防护元件的选用,这部分在第5章介绍。

电路的可靠性设计由三部分构成:一是电路级的可靠性设计,主要指电原理图或者逻辑图层次的可靠性设计,这部分主要在本书的第4章和第6章讲述;二是系统级的可靠性设计,主要指系统架构和算法的可靠性设计,这部分在第7章讲述;三是印制电路板的可靠性设计, 印制电路板是目前电子整机硬件的主要载体,这部分在第8章讲述。广义的可靠性可以涵盖一切可能对整机的寿命和环境适用性产生影响的因素,但本书所述可靠性设计的防护重点是两类应力:电过应力和电磁干扰。电过应力包括浪涌、静电放电、雷击、过电压、核辐射和空间辐射等;电磁干扰包括电磁辐射、噪声、传导干扰、串扰等。在本书的第1章对可靠性的基本概念与表征做了简要的介绍,在第3章对影响可靠性的常见电过应力和电磁干扰的形成机理和相关要素进行了具体的讨论,这部分属于相对基础的内容。

由于使用应力不当造成的元器件损伤可以分为显性损伤和隐性损伤,导致的元器件失效可以分为即时失效和潜在失效。对于前者,可以通过更换元器件来排除;对于后者,往往无法通过常规检测来发现,有如定时炸弹般隐藏在设备的内部,因此更为危险。为此,寻找能够反映隐性损伤和潜在失效的所谓“可靠性敏感参数”,就成为可靠性研究者孜孜以求的目标。本书第9章介绍了能够敏感反映隐性损伤和潜在失效的一种新型检测方法,即噪声—可靠性诊断方法。本书所涉及的电子元器件以最常用的无源阻容元件、半导体分立器件和集成电路为主,兼顾个别特种元件(如继电器、光电耦合器、晶闸管等);所涉及的电路以常见的数字电路、模拟电路、电源电路为主。现实中的元器件及其应用电路种类繁多,限于篇幅,本书无法覆盖到所有的元器件品种和电路类型。

本书所讨论的可靠性设计方法均是面向元器件的使用方,而非元器件的提供方;针对的是用元器件构成的电子整机的可靠性设计,而非元器件自身的可靠性设计;另外针对的是芯片外的可靠性设计,而非芯片内的可靠性设计。虽然元器件在整机应用中所表现出的可靠性既与元器件自身的固有可靠性有关,也与整机设计与制造过程中的合理使用有关,但本书所论述的只是后者。

本书每章后均给出了该章的内容要点和综合理解题,目的是帮助读者复习和综合理解该章的主要内容。综合理解题以选择题的方式给出,其参考答案见附录F。

 本书的读者对象广义来看,本书的读者对象可涵盖所有从事电子信息产品设计与制造的技术和管理人员,业务范围包括研发、生产、管理、供销等,职务范围包括研发工程师、可靠性工程师、品质工程师、质量经理、产品经理以及研发总监、总工程师、技术总监等。同时,本书也可以作为高等院校电子信息类专业的高年级本科生和研究生的专业课教材或教学参考书 还可作为相关企业员工培训的教材。本书第一类读者对象是已有电路基本设计知识的工程技术与管理人员。本书不是一般意义上的电路设计教科书,而是一本电路工程设计实践经验的总结。比如,在电路设计方面,我们假定读者至少已系统学习过数字电路和模拟电路课程,了解常用电子元器件的功能及性能指标;在印制电路板设计方面,我们假定读者已掌握印制电路板的基本设计方法和设计流程,熟悉常用电子元器件的封装形式和在印制电路板上的安装方式等。第二类读者对象是电子信息相关学科专业的高年级本科生和研究生。面临新技术革命浪潮和激烈的国际化人才竞争,在《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》的引领下,我国高校正在实施以“卓越工程师教育培养计划”为先导的工程化高等教育改革,强调“知识与能力的结合、科学与工程的结合、理论和实践的结合”。本书试图从电子可靠性工程设计的角度来体现这三个结合,为培养造就创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才做出贡献。对于笔者这样已有30年高校教龄的教师而言, 这也是义不容辞的责任。

另外,本书主要提供给元器件的使用者,即从事电子整机的设计、制造、质量控制的工程技术人员和相关专业的学生,而非元器件本身的设计者。虽然元器件自身的设计、制造、质量控制的工程技术人员亦可通过阅读本书来了解元器件在整机中可能遇到的可靠性问题,但无法通过本书来掌握元器件自身的可靠性设计方法和技巧。如果读者对于微电子器件(包括半导体分立器件和集成电路)自身的可靠性设计感兴趣,可以关注本书的姊妹篇《微电子设计可靠性工程》。

作 者

2014年4月

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