设计长期可靠性?


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我需要设计一个小板,将其用于旨在维持数十年的大型公共基础设施中。我正在寻找基于实际研究为此类设计提供指导的论文等。

由于机械原因,该板将更大,甚至需要一个宽敞的电路来实现具有分立部件的功能。诸如痕迹之类的事情是显而易见的。

客户希望最大程度地减少零件总数,并希望它们成为通孔。我看到这一点的是降低的部分,但零件也很重要,因此将来能够进行更换很重要。可以使用少量的分立晶体管和电阻器来实现此功能,但客户宁愿在DIP封装中使用单个逻辑IC。他认为通孔更为可靠,但我想我记得曾看到一项相反的研究。另外,我担心20到50年后会出现16或20引脚DIP逻辑芯片。但是,SOT-23晶体管和0805电阻是否是更好的选择?将会有一些光电隔离器。在我看来,就可靠性和未来可用性而言,这些将淹没其他一切。是的,我将以额定值的一小部分运行LED以延长使用寿命。

因此,我正在寻找有关基于长期研究的可靠设计信息。在这个区域中,很容易想到10%的问题,但却错过了使10%的问题变得无关紧要的90%的问题。

添加:

我正在寻找基于证据的答案。我想认为我非常了解电子产品,并且可以提出各种听起来合理的理由,说明一种方法可能比另一种方法更好,而且我敢肯定其他方法也可以。但是,我不相信这些,因为听起来合理且基于声音物理学的东西可能是正确的,但却缺少其他一些更主要的影响。我担心这是有根据的猜测可能导致明显错误结论的地方。这就是为什么我要寻求基于证据的答案,来自实际研究的论文,美国宇航局可能坚持的规则等。

新增2:

考虑环境为“工业”。我不确定是否可以很好地控制环境。电路板将受到保护,不受任何元素的影响,但可能没有空调或暖气。我不了解振动,可能不多。

这些板将安装在容纳电气系统其他部分的机柜中。必要时,维修技术人员可以走到机柜上。维修困难不是问题,而是停机时间。这不是正在发生的事情,而是想象一下是否关闭了州际高速公路,直到系统启动并重新运行。当然已经有冗余,但是失败是您真正要避免的事情。


关于通孔与SMT的观点:wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-042513-011426/…(执行摘要:由于尺寸较小,SMT在热循环,振动等方面更强大)
Phil Frost

我无法回答您的完整问题,但是在1990年代末和2000年代初,人们进行了一系列研究,研究了转向使用无铅焊料的影响,令人惊讶的是,结论实际上是无铅焊料更多了。适用于典型板上的典型零件。
爱德华

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这是一个非常有趣的问题,但似乎范围很广。您可能要考虑很多事情,例如锡晶须(尤其是带有Rohs的晶须)。纯粹是猜测(例如,我们可能会在50年内完全淘汰自旋电子产品)。我确实很想看到一些答案,但是可能这将是一个很大的清单,许多答案仅给出了一些想法和提示。也许一个社区Wiki回答人们编辑自己的观点,并可以选择与论文的链接是一种很好的格式?
PlasmaHH 2015年

您在寻找Belcore / Telcordia SR-332和MIL-HDBK-217等预测性研究/方法吗?或者,您是否希望进行10到20年的实际研究?我想这超出了通常计算MTBF并进行HALT测试的方法。
一些硬件专家

您能否多谈谈环境?热循环,极端温度,振动,暴露于各种元素((雨,日光,盐水)。)@PhilFrost,我只浏览了您的链接,就像所有计算机建模一样,他们是否进行了“真实”测试?我听说有传言说通孔在热循环中可能会更好,因为引线会承担一些应变。(但这是用于晶体管。)
George Herold

Answers:


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NASA关于电子产品的长期可靠性有很多话要说。这是一个示例-> https://nepp.nasa.gov/files/20223/09_109_1%20JPL_Spence%20Longterm%20Reliability%20of%20Hand%20Soldering%20M55365%20Ta%20Capacitors%2009_30%2011_09%203_2_10.pdf一个示例(参考在最后)。

我无法给您提供所有相关内容的良好链接(NASA网站相当混乱),但是,搜索“美国国家航空航天局长期可靠性电子产品”可以为该主题的论文提供大量链接。


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该链接文档对于评估手工焊接与其他方法相比非常有用,但它与分立组件与IC或IC封装无关,我认为这是问题的重点。另外,最好在您的答案中包含结论摘要,以防将来链接消失。
skrrgwasme,2015年

1
@skrrgwasme,它甚至都没有这样做。正如他们在开幕式中所说,他们没有足够的样本(只有100个)来获得任何良好的统计数据。
乔治·

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我将在此答案中加上我所知道的。

首先从“蠕变腐蚀”开始,您需要在这里进行调查

它实际上与含硫的环境有关。如果没有其他有趣的话题值得一读。

有很多与NASA相关的ROHS和锡晶须的文章,链接

要考虑的另一件事是FR4材料本身和CAFing。不是一项研究,但可以说明问题。

关于SMD的可靠性,1993年进行了一项研究,附录中有一些有趣的字母。连结

对于电容器,我想与陶瓷MLCC一起使用,是贵金属电极和贱金属电极之间的比较。其中包括带有测试单位的表格。

对于陶瓷,电容器设计具有“软电极”,而电容器设计更有可能在“开放模式”下失效。一般来说,您希望获得的零件至少要符合汽车标准。

根据《电容器手册》(Cletus J. Kaiser),玻璃电容器是最可靠的,我记得美国宇航局曾使用过它们。我还没有找到可靠性数据。

尝试此操作 以获得可靠性数据。也适用于其他电容器类型。


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我的答案不是基于实际研究,而是基于实际应用。 我建议您使用最可靠的组件,并使用它们创建电路板。确定其MTBF。根据此MTBF,组装足够的电路板,以覆盖该设计应持续的总时间,并将该数量加倍。例如,如果MTBF为10年,而设计的预期持续时间为50年,那么您需要制作10块板。
为了最大程度地减少“停机”时间,可以自动激活一组“开关”以断开坏板并在其位置连接好板。然后可以将不良板更换为优质板,并为下一次板故障做好准备。您无需担心维修部件不可用-您已经拥有了!


我不认为这可以回答问题-这说明了如何处理低可靠性,但是没有谈论获得高可靠性。
2015年
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