4研究可靠性设计方法

作为技术人员，最喜欢的就是技术了，在公司和管理层面把架构搭好了之后，作为技术工程师和系统设计师，可靠性的知识和设计方法就是需要补课的了。可靠性设计方法包括很多方面的内容（有些和系统设计的内容重叠，这不矛盾，系统设计研究的是整体，设计方法是把系统要求具体实现的方法），气候环境防护设计、热设计、EMC/EMI设计、降额设计、裕度设计和稳定性设计、冗余设计、缓冲减震设计、元器件选型、可使用性设计、视觉显示、照明、控制、控制面板布局、控制与显示器关系、安全性设计方法、防电力危害、防机测危害、防辐射危害、防止火灾危害、可维修性设计方法、测试与调整方法、标识、可接近性和可更换性、、插头和插座、紧固件、轴承、报警、印制电路板设计方法、可靠性试验验证方法、可靠性测试工具等方面的知识和内容。

关于每一个技术主题的细节不是本文区区几千字就能写得明白的，其实所谓的设计方法就是一些设计规范和考虑问题的知识点。为了方便，也可以做成checklist，让技术人员在设计初期学习参考，在设计过程中对照，在设计结束时自查，在提交评审是由测评机构或审核岗位对照checklist复查和针对一些关键设计规范做实验验证。

以降额设计为例来阐述一些具体的设计方法：

比如对失效率高、重要部件及器件一定要进行降额设计。

1、电阻器降额外加功率、极限电压、极限应用温度三个指标，功率降额系数0.1—0.5；

2、电容器降额外加电压、频率范围、温度极限三个指标，普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数0.3—0.7之间，钽电容的电压降额系数0.3以下；

3、集成电路降额结温、输出负载指标；

4、晶体三极管降额结温、集电极电流、任何电压指标，晶体二极管降额结温、正向电流及峰值、反向电压三个指标，功率降额0.4以下，反向耐压0.5以下，发光管电压降额0.6以下，功率降额0.6以下，功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下；

5、线圈扼流圈降额工作电源、电压指标；

6、变压器降额工作电流、电压、温升（按绝缘等级）指标，电感和变压器的电流降额系数0.6以下；

7、继电器降额接点电流、温升（按绝缘等级）指标；

8、接插件降额电流、电压指标，根据触点间隙大小、直流及交流要求降额。接插件嵌入材料和火花发热对接点寿命的影响，在中低频多接点接插件采用两点或多点接地并联方式，降额和增加冗余功能；

9、电缆导线降额指标：电流（铜线，≤7A/mm2）、电缆电压（尤其多芯电缆），塑料导线的电流降额0.7以下

10、开关器件降额指标：开关功率、接点电流

11、电动机降额轴承负载、绕阻功率指标，伺服电机的轴承失效和绕组失效，轴承负载降额和绕组功率降额0.3—0.8；

12、结构件降额指标：增加负载系数、安全余量

13、对电子元器件降额系数应随温度的增加而进一步降低。

对有些指标是不能降额的：

1、继电器的线包电流不能降额，而应保持在额定值左右（100±5% ）；否则会影响继电器的可靠吸合。

2、电阻器降低到10%以下对可靠性提高已经没有效果。

3、对电容器降额应注意，对某些电容器降额水平太大，常引起低电平失效，交流应用要比直流应用降额幅度要大，随着频率增加降额幅度要随之增加。

4、结构件设计降额不能增加过大，否则造成设备体积、重量、经费的增加。

作为设计师，只要把这些设计规范设计进了产品中，产品的可靠性一定会提升的。这样的设计方法，有多个获取的渠道，一是内部交流脑力激荡汇总起来；二是和专家交流，找专业的研究院所、咨询机构、专家个人通过请教的方式汇总起来；三是向供应商学习，机加件供应商与设备厂家相比一定算是工艺加工的专家，芯片的提供厂家在芯片检测应用方面一定是专家，线缆的加工商在线缆技术上一定是专家，通过向这些专家的学习，也能有不少收益。

可靠性设计方法的研究是长期积累的过程，不要奢望一蹴而就，毕竟十年树木，百年树人，方法不但要有，还要被技术团队消化掉，这自然不能朝起则夕闻道那么快了。

5加强可靠性管理措施，保证设计的固有可靠性

无论是可靠性设计过程还是可靠性保障过程，为达到设计规范的被贯彻，都需要一些管理手段来保证，不然再好的技术也发挥不了作用。这就是可靠性管理和评价措施。

可靠性管理好一定要先有个评价指标，没有指标就没有效果好坏的检查和对比，设计者就没了方向。但这个指标如何定？在过去人们是有误区的。MTBF、MTTB这些指标固然重要，但那是对大企业、对可靠性预计、对大批量有足够样本数统计的产品的评价指标。对中小企业，不必要太研究高深的可靠性预计理论，MTBF没必要，对几千万的企业，甚至ppm（Part Per Million）、fit（Failure In Time）都不必过多研究，而是立足于现实，把质量管理的一些技术指标引入作为可靠性指标即可。如单板的年返修率、电路板加工的一次直通率、设计规范引用率、新机器失效问题预防率等。有了设计指标，统计实施可靠性设计管理之前的量化指标，再有实施后的量化指标，一对比，努力的成果就能摆到桌面上来，只要我们是在一点点进步的，那就很值得欣慰。

除了设计阶段的考量指标，投产后各环节的管理和指标设定也是必不可少的，如供应商的选择、供应商的认证和评价、物料选型方法、生产现场ESD/MSD防护方法、物料储存方法、电气组装机械组装过程的可靠性保障、制造过程的失效分析都会制约产品可靠性的提升，这些虽然也有可靠性技术的成分，但大都属于可靠性保障的内容，不在本章节的讨论范围之内了，另见相关文章。

6总结

本文的思想基础是产品通过设计实现其固有可靠性，通过保障管理实现其制造过程不降低固有可靠性。

本文在上面思想下讲述了中小企业机电产品的可靠性设计技术和技术管理方法，包括了基于失效机理的实验分析和预防、加强系统设计技术和系统设计管理、建立以技术平台为基础的可靠性设计保证流程、学习具体的可靠性设计方法、设定量化的可靠性设计考量指标并通过管理措施保证产品的高设计可靠性五方面的内容。每个细节内容和方法又都有自己的诸多技术成果作为支撑，设计与管理思想、设计与管理工具、具体的设计知识三部分构成了产品高可靠性的保证基石。