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可靠性设计技术
可靠性设计是指在进行功能设计时,针对产品在规定的条件下和规定的时间内,可能出现的失效模式,采取相应的设计技术,以消除或控制其失效模式,使产品在全寿命周期内满足规定的可靠性要求。它强调了可靠性设计必须与功能设计同时进行,其出发点就是为了消除或控制在规定的环境条件、工作条件下及要求的时间内可能出现的失效模式。
可靠性设计的原则就是强调可靠性设计必须贯穿于功能设计的全过程,在功能设计的每个环节,都应在满足基本功能的同时,全面地考虑影响可靠性的各种因素,并针对失效模式和失效机理来开展可靠性设计。
电路可靠性设计是一个内容广泛而具体的问题,采用不同类型的器件或者要实现不同的电路功能,会有不同的可靠性设计考虑。
但可靠性设计还是有一些规律可循,存在着一些基本设计原则:
(1)简化设计
由于可靠性是电路复杂性的函数,降低电路的复杂性可以相应地提高电路的可靠性。所以,在实现规定功能的前提下,尽量简化电路结构设计,最大限度地减少所用元器件的类型和品种,提高元器件的复用率,这是提高电路可靠性的一种简单而实用的方法。
(2)低功耗设计
随着电路集成密度不断提高,使得其内部热功率密度不断增加,可靠性随之降低。降低电路的功耗是减少内部温升的主要途径,可以从两方面着手,一是尽量采用低功耗器件,如在满足工作速度的情况下,尽量采用CMOS电路,而不用TTL电路;二是在完成规定功能的前提下;尽量简化逻辑电路;并更多的用软件来完成硬件的功能,以减少硬件的数量。
(3)保护电路设计
电路在实际工作过程中可能会受到各种不适当的应力或外界干扰信号的影响,严重时会导致器件损伤。为此,要设计必要的保护电路。如在电路的信号输入端设计静电保护电路,在电源输入端设计浪涌干扰抑制电路,在高频高速电路中加入噪声抑制或吸收网络等。
(4)针对元器件的稳定参数和典型特性进行设计
为了保证电路的可靠性,应该基于器件最稳定的参数来设计,同时应留出一些允许变化的余量。对于由于工艺离散性以及随时间、温度和其他环境应力而变化的不很稳定的性能参数,应给予更大的限制。如果产品手册中记载有所需的特性曲线图、外部电路参数或典型应用电路时,应尽可能使用该特性曲线或电路方案进行设计。
(5)降额设计
降额设计是减少电路失效率,提高可靠性的有效方法之一。降额的含义是指在设计中要将加给元器件的电、热和机械应力限制到低于它们规定的能力水平,也就是说使元器件使用中承受的应力低于其设计的额定值。
通过采取降额设计,使得器件工作应力水平和最大应力水平之间的界限得以提高。
电路的失效分析表明,集成电路失效总是发生在某个器件的局部区域上,应力分布的不均匀性是造成失效的重要原因。
除了材料或工艺造成的缺陷外,电路拓扑和版图结构也要采取适当措施。例如,在可能的情况下,采用串联结构均分电压,采用均流电阻均分电流,避免不必要的尖端放电等,其目的旨在降低高温聚集部分的温度,降低伴随有器件缺陷而可能诱发失效的工作应力,延长器件的工作寿命。
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