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上篇 定量设计2

第1章 概述2

1.1 DfR的概念与发展2

1.1.1 DfR的历史2

1.1.2 可靠性1.0与2.0的核心特征5

1.1.3 DfR、TSQ与可靠性3.06

1.1.4 DfR的收益9

1.2 DfR关键流程11

1.2.1 识别阶段11

1.2.2 设计阶段13

1.2.3 分析阶段14

1.2.4 验证阶段16

1.2.5 确认阶段17

1.2.6 控制阶段17

1.3 DfR的实施原则18

1.3.1 DfR不是单独的活动18

1.3.2 要充分估计现有的技术水平19

1.3.3 准确掌握产品在运输、储存及使用中所遇到的环境和所处的状态19

1.3.4 可制造性设计是可靠性设计的重要内容20

1.3.5 可靠性定量活动应贯彻产品的研究和设计的始终21

1.3.6 重视和加强设计阶段的可靠性管理21

1.3.7 可靠性设计技术与管理同等重要22

1.4 DfR的计算机实现23

1.5 DfR的评估24

1.5.1 利用IEEE 1624评估24

1.5.2 利用AIAG计分评估法28

1.6 本书的编排29

参考文献30

第2章 产品可靠性表征与寿命分布31

2.1 产品的可靠性定义31

2.1.1 规定的任务和功能32

2.1.2 确定环境和使用条件32

2.1.3 工作状态和任务时间32

2.2 产品的可靠性指标32

2.2.1 常用的可靠性指标33

2.2.2 产品的寿命特征量35

2.3 可靠性指标间的相互关系38

2.4 产品的寿命分布40

2.4.1 指数分布41

2.4.2 正态分布42

2.4.3 对数正态分布43

2.4.4 威布尔（Weibull）分布43

2.4.5 B10寿命44

2.5 浴盆曲线与失效率等级45

2.5.1 失效率的单位46

2.5.2 失效率的等级47

2.6 维修度与有效度47

参考文献49

第3章 可靠性模型的建立50

3.1 可靠性模型的作用与组成50

3.2 基本可靠性模型和任务可靠性模型51

3.2.1 基本可靠性模型51

3.2.2 任务可靠性模型52

3.2.3 基本可靠性与任务可靠性的区别和关系53

3.2.4 基本可靠性和任务可靠性的权衡54

3.3 系统可靠性模型54

3.3.1 系统可靠性模型概述54

3.3.2 串联系统55

3.3.3 并联系统55

3.3.4 循环工作的可靠性模型56

3.3.5 表决系统（n中取γ系统）57

3.3.6 温储备系统57

3.3.7 串联、并联系统可靠性的计算58

3.3.8 冷储备系统59

3.3.9 网络系统61

3.3.10 共因故障模型63

3.3.11 均分负载系统66

3.3.12 储存可靠性模型67

3.4 建立可靠性模型的程序和原则69

3.4.1 建立程序69

3.4.2 应用示例75

3.4.3 可靠性建模工作的注意事项77

参考文献78

第4章 可靠性预计79

4.1 可靠性预计的意义和作用79

4.1.1 可靠性预计的意义79

4.1.2 可靠性预计的作用80

4.2 可靠性预计的主要方法81

4.2.1 基于数理统计可靠性预计法81

4.2.2 失效物理分析法81

4.2.3 相似预计法82

4.2.4 相似复杂性法82

4.2.5 功能预计法82

4.2.6 上、下限法83

4.3 可靠性预计标准的发展及其主要分类83

4.4 可靠性预计一般程序87

4.5 计数法可靠性预计88

4.5.1 元器件计数法可靠性预计所需信息及方法88

4.5.2 计数法用的数据表90

4.5.3 预计示例91

4.6 应力分析法可靠性预计96

4.6.1 应力分析法的应用范围96

4.6.2 电子设备可靠性预计示例96

4.7 失效物理分析法的模型与应用106

4.7.1 概述106

4.7.2 失效物理模型示例107

4.7.3 失效物理分析法应用示例109

参考文献112

第5章 可靠性分配114

5.1 可靠性分配的目的和作用114

5.2 可靠性分配考虑的因素114

5.3 可靠性分配的原理和准则115

5.4 可靠性分配的参数116

5.5 可靠性分配的层次116

5.6 可靠性分配的一般方法117

5.6.1 等分配法117

5.6.2 考虑重要度和复杂度的分配法（AGREE分配法）117

5.6.3 ARINC分配法118

5.6.4 评分分配法（目标可行性法）119

5.6.5 比例组合分配法122

5.6.6 最少工作量法（可靠度再分配法）124

5.6.7 直接寻查法126

5.6.8 拉格朗日乘数法126

5.6.9 基于遗传算法的可靠性分配方法128

5.7 进行可靠性分配时的注意事项131

参考文献131

第6章 故障模式、影响及危害性分析（FMECA）132

6.1 FMECA有关概念132

6.2 FMECA相关标准及应用133

6.2.1 美国FMECA相关标准133

6.2.2 欧洲等地区的FMECA标准134

6.2.3 汽车行业等民用FMECA标准134

6.2.4 国内FMECA标准135

6.2.5 几个重要的FMECA标准介绍136

6.2.6 FMECA技术应用现状138

6.3 FMECA的作用140

6.3.1 FMECA在可靠性分析中的应用140

6.3.2 FMECA在维修性分析中的应用141

6.3.3 FMECA在安全性分析中的应用141

6.3.4 FMECA在测试性分析中的应用142

6.3.5 FMECA在保障性分析中的应用143

6.4 FMECA的实施要求144

6.5 FMECA的工作内容及方法应用145

6.5.1 FMECA的工作内容145

6.5.2 FMECA方法应用145

6.5.3 功能及硬件FMECA147

6.5.4 软件FMECA150

6.5.5 损坏模式及影响分析DMEA151

6.5.6 过程FMECA153

6.6 FMECA计划及流程154

6.6.1 FMECA工作计划流程154

参考文献160

第7章 故障树分析161

7.1 分析的概念161

7.2 FTA方法基础162

7.2.1 FTA分析中的标准符号162

7.2.2 布尔代数运算法则164

7.2.3 可靠性框图与FTA165

7.2.4 最小路集和最小割集165

7.2.5 共同原因故障166

7.2.6 结构重要度167

7.2.7 概率重要度168

7.3 故障树的一般方法169

7.3.1 概述169

7.3.2 故障树的建造和简化169

7.3.3 定性分析——求最小割集171

7.3.4 定量分析——计算顶事件发生的概率和重要度172

7.4 故障树分析应用实例176

7.4.1 压力罐系统建树过程176

7.4.2 压力罐系统的故障树规范化和模块分解183

7.4.3 压力罐系统故障树定性分析及其应用183

7.4.4 压力罐系统的故障树定量分析186

参考文献187

第8章 可靠性定量设计工具188

8.1 概述188

8.2 基本可靠性预计189

8.2.1 功能概述189

8.2.2 可靠性预计190

8.2.3 不同设计方案的可靠性仿真195

8.3 任务可靠性预计（可靠性框图分析）196

8.3.1 功能概述196

8.3.2 RBD的建立198

8.3.3 RBD节点与产品的关联201

8.3.4 RBD图形中多功能设备的设置202

8.3.5 RBD图分析与计算203

8.3.6 RBD图形和报表输出205

8.4 可靠性分配205

8.4.1 功能介绍205

8.4.2 可靠性分配208

8.4.3 可靠性分配结果的调整与验证209

8.4.4 报表输出210

8.5 故障模式、影响及危害性分析程序210

8.5.1 功能简介210

8.5.2 FMECA基础数据预定义211

8.5.3 自定义FMECA分析类型211

8.5.4 FMECA检查213

8.5.5 定量计算214

8.5.6 FMECA报表输出214

8.5.7 查看影响关系图216

8.5.8 转为故障树216

8.5.9 合并低层次数据216

8.6 故障树分析程序217

8.6.1 功能介绍217

8.6.2 故障树记录管理217

8.6.3 事件管理219

8.6.4 故障树符号220

8.6.5 故障树的建立222

8.6.6 故障树分析、计算223

8.6.7 故障树图形和报表输出224

8.7 可靠性评估工具225

8.7.1 功能介绍225

8.7.2 评估图记录管理与图形编辑225

8.7.3 试验数据管理226

8.7.4 可靠性评估计算226

参考文献228

第9章 可靠性定量设计流程与案例229

9.1 可靠性定量设计流程229

9.2 可靠性定量设计案例230

9.2.1 企划与可靠性指标230

9.2.2 产品认知230

9.2.3 可靠性指标的分配231

9.2.4 可靠性指标的预计232

9.2.5 设计实现233

9.2.6 FMEA236

9.2.7 FTA242

9.2.8 现场数据分析244

参考文献244

下篇 定性设计248

第10章 可靠性设计准则的制定与实施248

10.1 可靠性设计准则的内涵248

10.1.1 可靠性设计准则的定义248

10.1.2 可靠性设计准则的作用249

10.2 建立可靠性设计准则的步骤250

10.3 可靠性设计准则制定中应注意的事项254

10.3.1 处理好简化设计与“三化”的关系254

10.3.2 设法消除降额设计中的“不愿”与“不会”255

10.3.3 处理好容差设计中的长期稳定性与短期稳定性255

10.3.4 切合实际的热设计就是好的热设计256

10.3.5 静电防护的误区257

10.3.6 软件可靠性设计是产品可靠性准则的重要内容258

10.3.7 冗余设计的应用限制259

10.3.8 潜在通路分析需引起注意260

10.3.9 非电子产品更需要可靠性设计准则261

参考文献262

第11章 元器件的选择与应用263

11.1 元器件选择的基本要求263

11.2 质量等级的选择266

11.2.1 元器件质量等级的定义266

11.2.2 国产电子元器件的质量等级266

11.2.3 进口电子元器件的质量等级277

11.2.4 元器件质量等级选择原则278

11.3 封装结构的选择279

11.4 元器件的合理选用281

11.4.1 分立半导体器件的选用281

11.4.2 集成电路的选用285

11.4.3 电阻器与电位器的选用289

11.4.4 电容器的选用293

11.4.5 电感器的选用299

11.4.6 继电器的选用299

11.4.7 接插件的选用303

11.4.8 电缆的应用注意点305

参考文献306

第12章 元器件的主要失效模式及其预防307

12.1 元器件的失效物理模型307

12.2 电子元件的主要失效模式及预防308

12.2.1 电阻器308

12.2.2 电容器309

12.2.3 电感器312

12.2.4 变压器313

12.2.5 传感器和敏感元件315

12.2.6 开关316

12.2.7 继电器316

12.2.8 熔断器320

12.2.9 接插件321

12.3 半导体分立器件的主要失效模式及其预防322

12.3.1 分立器件的主要失效模式及预防322

12.4 集成电路的主要失效模式及其预防323

12.4.1 集成电路的分类323

12.4.2 主要失效模式及其预防325

12.4.3 集成电路的选用326

12.5 晶振的主要失效模式及其预防327

12.5.1 晶振的类型与主要参数327

12.5.2 晶振的主要失效模式及其预防329

12.6 光电子器件的主要失效模式及其预防330

12.6.1 激光器330

12.6.2 光电耦合器332

12.6.3 光电显示器件333

参考文献337

第13章 降额设计338

13.1 降额设计的定义与合理应用338

13.1.1 降额的有关定义338

13.1.2 降额等级338

13.1.3 降额等级的选择339

13.1.4 应用降额技术应注意的问题341

13.2 降额设计的理论依据342

13.2.1 阿列尼乌斯方程342

13.2.2 电应力降额的逆幂率法则343

13.3 降额系数的确定343

13.3.1 数学模型及λb-s-T关系图344

13.3.2 降额曲线344

13.3.3 降额图345

13.3.4 降额因子347

参考文献353

第14章 潮湿敏感器件的防护与管理354

14.1 潮湿敏感器件的基础知识354

14.1.1 潮湿敏感器件防护与管理的紧迫性354

14.1.2 潮湿敏感器件的国际标准355

14.1.3 潮湿敏感器件的等级划分356

14.1.4 潮湿敏感器件的包装信息357

14.2 潮湿敏感器件控制不当产生的潜在危害358

14.2.1 导致潮湿敏感器件失效的因素358

14.2.2 潮湿敏感器件产生危害的机理358

14.2.3 潮湿敏感器件危害的表现形式359

14.3 MSD器件的烘烤方法359

14.3.1 烘烤条件359

14.3.2 烘烤流程及记录361

14.3.3 烘烤方法362

14.3.4 注意事项362

14.4 MSD潮湿敏感器件的管理363

14.4.1 进货及库存管理364

14.4.2 生产管理365

14.4.3 返工／返修管理366

14.4.4 过程控制366

14.5 PCB存储及烘烤367

14.5.1 仓储条件要求367

14.5.2 存储期规定367

14.5.3 取板和运输要求368

14.5.4 PCB上线前的检查和处理368

14.5.5 生产过程中停留时间的规定369

14.5.6 OSP板的使用要求369

14.5.7 PCBA存储与烘烤370

14.6 案例370

14.6.1 案例简述370

14.6.2 问题描述371

14.6.3 故障确认371

14.6.4 故障分析371

14.6.5 解决方案376

参考文献376

第15章 电路结构简化设计378

15.1 电路集成化378

15.1.1 用线性集成电路取代分立器件电路379

15.1.2 用中、大规模数字集成电路取代小规模集成电路379

15.2 数字逻辑电路的简化379

15.3 模拟电路的简化380

参考文献381

第16章 容错设计382

16.1 冗余设计382

16.1.1 冗余设计的基本概念382

16.1.2 常用的冗余设计方法383

16.2 冗余方式对可靠性的提高383

16.2.1 并联冗余383

16.2.2 表决冗余385

16.2.3 串并组合冗余385

16.2.4 非工作冗余387

16.3 故障模式对冗余的影响388

16.4 灵活应用冗余设计的示例389

16.5 软件容错技术392

16.5.1 常用的软件容错技术方法393

16.5.2 软件容错技术的示例395

参考文献397

第17章 气候环境的“三防”设计399

17.1 “三防”技术及其发展399

17.2 环境条件及其影响400

17.2.1 温度、湿度的影响401

17.2.2 霉菌的影响401

17.2.3 盐雾的影响402

17.3 “三防”防护的依据402

17.3.1 寿命期内的环境剖面403

17.3.2 “三防”防护的依据403

17.4 “三防”设计404

17.4.1 结构与防腐蚀设计404

17.4.2 封装与微环境改善405

17.4.3 合理选择材料406

17.5 机柜的“三防”设计409

17.5.1 机柜材料的选择409

17.5.2 机柜结构优化设计410

17.6 印制电路板组件的“三防”设计410

17.7 电接点（焊接点及电接触点）的“三防”设计412

17.8 “三防”评价414

17.8.1 金属镀层和化学覆盖层评价414

17.8.2 有机涂层415

17.8.3 其他材料评价415

参考文献415

第18章 热设计417

18.1 概述417

18.1.1 热应力是影响电子产品可靠性的重要因素417

18.1.2 电子设备热设计目的418

18.2 热设计通用要求418

18.2.1 热设计实施程序418

18.2.2 热设计基本要求420

18.2.3 热设计一般步骤421

18.3 电子设备冷却方法422

18.3.1 冷却方法分类与选择流程422

18.3.2 冷却方法的选择依据与设计要求423

18.3.3 冷却方法选择注意事项426

18.4 元器件热设计427

18.4.1 从热性能角度选用元器件427

18.4.2 半导体器件的散热427

18.4.3 散热器的选择与设计427

18.4.4 散热器的设计与计算428

18.4.5 元器件自然对流换热的简化计算435

18.5 电子组件的热设计435

18.5.1 印制电路板的散热435

18.5.2 印制电路板的热设计原则436

18.5.3 印制电路板上电子元器件热安装与布置437

18.6 风道与风扇442

18.6.1 风道设计442

18.6.2 风扇445

18.7 热性能试验技术450

18.7.1 温度测量451

18.7.2 流速测量456

18.7.3 流场分布测量457

18.7.4 流体压力测量460

18.7.5 流量测量462

参考文献463

第19章 静电防护（ESD）464

19.1 静电和静电放电464

19.1.1 静电放电的特点465

19.1.2 静电放电的类型465

19.1.3 静电放电的危害466

19.1.4 静电放电模型466

19.2 器件装配环境的防静电措施470

19.2.1 设置防静电工作区470

19.2.2 敷设防静电地板470

19.2.3 静电敏感器件应在防静电工作台上操作471

19.2.4 静电防护区的相对湿度应控制在40％以上471

19.2.5 防静电接地系统的设置471

19.2.6 静电保护区内应使用防静电器具472

19.2.7 有条件时可安装静电监测报警装置472

19.3 器件使用者的防静电措施473

19.4 器件包装、运送和储存过程中的防静电措施475

19.4.1 包装475

19.4.2 运送与传递475

19.4.3 储存475

19.5 设备的ESD防护476

19.5.1 设备的ESD防护设计476

19.5.2 PCB的ESD防护设计477

19.5.3 防护电路478

19.6 ESD损伤的失效定位分析技术480

19.6.1 ESD损伤的电学测试481

19.6.2 开封定位分析481

19.6.3 分层剥离技术483

19.7 案例483

参考文献487

第20章 防闩锁设计488

20.1 闩锁效应488

20.2 闩锁触发条件490

20.3 防闩锁设计491

20.3.1 版图的防闩锁设计491

20.3.2 工艺的防闩锁设计493

20.3.3 电路的防闩锁设计494

20.4 闩锁失效案例497

参考文献502

第21章 防浪涌设计503

21.1 电子产品端口的浪涌防护设计503

21.1.1 电源端口的浪涌抑制503

21.1.2 通信端口的浪涌抑制505

21.1.3 天线端口的浪涌抑制506

21.1.4 其他信号／控制端口的浪涌抑制506

21.1.5 地线反弹的抑制507

21.2 电子产品内部浪涌的防护设计507

21.2.1 集成电路开关工作产生的浪涌电流507

21.2.2 接通电容性负载时产生的浪涌电流508

21.2.3 断开电感性负载时产生的浪涌电压509

21.2.4 接地不当导致器件损坏511

21.2.5 TTL电路防浪涌干扰应用511

参考文献514

第22章 潜在通路分析515

22.1 潜在通路分析的由来515

22.2 潜在通路及潜在通路分析技术516

22.2.1 潜在通路516

22.2.2 潜在通路分析技术517

22.3 潜在通路的表现形式和设计预防517

22.3.1 潜在通路518

22.3.2 潜在时间519

22.3.3 潜在标志520

22.3.4 潜在指示520

22.3.5 潜在通路的设计评审521

22.4 潜在通路的分析方法与基本步骤521

22.4.1 潜在通路的分析方法521

22.4.2 潜在通路分析的基本步骤523

22.5 潜在通路分析技术及工具524

22.5.1 国外的潜在通路分析技术与工具524

22.5.2 国内的潜在通路分析技术与工具529

22.6 潜在通路分析技术的应用531

参考文献531

第23章 容差与漂移设计533

23.1 容差与漂移设计的概念534

23.2 容差分析方法535

23.2.1 敏感度分析与极差综合法536

23.3 漂移设计的计算机仿真539

23.3.1 系统性能可靠性数字仿真的一般方法540

23.3.2 应用举例541

参考文献546

第24章 软件质量和可靠性设计547

24.1 软件质量与可靠性的基本概念547

24.1.1 软件及软件工程547

24.1.2 软件质量554

24.1.3 软件可靠性的基本概念558

24.2 软件可靠性设计562

24.2.1 基本策略562

24.2.2 需求分析564

24.2.3 概要设计和详细设计566

24.2.4 查错和改错设计571

24.2.5 软件可靠性设计准则576

24.3 软件测试583

24.3.1 软件测试的目的583

24.3.2 软件测试的分类583

参考文献584

第25章 电磁兼容设计586

25.1 元器件的选择586

25.1.1 无源器件的选用586

25.1.2 有源器件的选用591

25.1.3 磁性元件的选用593

25.1.4 元器件选择的一般规则595

25.2 印制电路板（PCB）的设计595

25.2.1 PCB布局596

25.2.2 磁通量最小化与镜像平面599

25.2.3 PCB布线601

25.2.4 印制电路板设计的一般规则602

25.3 接地和搭接设计603

25.3.1 接地的概念和基本方法604

25.3.2 接地点的选择607

25.3.3 公共阻抗干扰及其抑制608

25.3.4 搭接609

25.3.5 搭接及接地设计的一般规则610

25.4 屏蔽技术的应用612

25.4.1 屏蔽原理612

25.4.2 设备孔、缝的屏蔽设计614

25.4.3 电磁屏蔽材料的选用616

25.4.4 屏蔽设计的一般规则619

参考文献621

第26章 可靠性整体解决方案（TSQ）的原理及应用625

26.1 引言625

26.2 质量提升的困惑626

26.2.1 企业的困惑626

26.2.2 缺陷与波动627

26.2.3 等板平衡627

26.3 TSQ方法特点及流程628

26.3.1 TSQ方法特点628

26.3.2 TSQ的关键流程629

26.4 TSQ关键技术629

26.4.1 平衡矩阵技术629

26.4.2 波动查找技术630

26.4.3 缺陷预防技术631

26.5 TSQ技术模块632

26.5.1 TSQ技术模块的应用633

26.5.2 模块说明635

26.6 TSQ实施案例648

26.6.1 轨道交通应用案例648

26.6.2 仪器仪表行业应用案例651

26.6.3 家用电器行业应用案例656

参考文献660