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美国可靠性工程实践之环境因素_10

2019-07-03 09:11编辑:admin人气:


一、概述1、方法:在设计过程的开始,确定设备寿命期间将会遇到的使用条件。2、益处:在设计过程中,要求考虑所确定的每种环境因素,这样就能保证设计出足够的环境强度以确保可靠性。3、已成功使用该方法的项目:空间电子火箭试验(SERT)I和II、通讯技术卫星(CTS), ACTS、空间实验、运载器、空间供电系统和自由空间站。

美国可靠性工程实践之环境因素

二、实施方法为了确保面向可靠性的设计,应规定设备所需的抵御环境的能力,第一步要求就是确定设备的使用环境。为此,应研究包含这种信息的寿命周期的环境剖面。1.寿命周期的环境剖面是预报产品从制造到报废所经受的各种事件及有关环境条件。寿命周期包括产品将遇到的各个阶段,如:装卸、运输或使用前的贮存;任务之间的各种安排(贮存、备用或转送到修理场地,或从修理场地运回);预期部署的地理位置以及平台的环境等。应确定在每个阶段设备将遇到的环境或组合环境,要对所有的部署方式作为一种基线给以说明,以便识别与每个寿命周期阶段有关的最可能的环境。下列因素也应加以考虑:a.硬件配置;b.将遇到的各种环境;c.平台/硬件接口;d.与其它设备的接口;e.暴露状态的绝对和相对持续时间;f.各种环境条件发生的概率;g.地理位置;h.任何有助于确定影响产品环境条件的其它信息。2.研究寿命周期环境剖面的步骤如下:1)描述设备的每个产品从工厂最后验收到最后耗尽或从库存清单中清除预期的各种事件。2)识别各种预期的装运、贮存和后勤事件(如运输、休眠贮存、备用、装卸和准备方式等)的有影响的自然的和诱发的环境或环境的组合。3)描述设备在寿命周期内将经受的环境和应力条件(用叙述的和统计的形式表示),数据可通过计算、实验室试验或工作测量得到。估算的数据应该用所确定的实际的数值代替。剖面应指出在获得应力和设计要求的平均值及其差异(用标准偏差表示)时所用的测点数。这种分析能用于:制定与预期的使用条件相一致的环境设计规范;评价环境条件变化的可能影响以及为将来在同一型号计划或其它型号计划使用时,对选择规范的依据提供可追溯性。表1列出了典型的环境因素。

表1 环境作用范围检查表(典型的)

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三、技术依据给出设备可靠性与它在寿命周期内所遇到的使用条件的关系,在设计过程的开始准确地了解这些条件是十分重要的,表1列出了严重影响设备可靠性的环境因素,它提供了环境作用范围(典型的)检查表。同时作用(组合)的环境与单一环境的影响相比可能对可靠性更为不利。在确定设计过程特点时,必须考虑单一的和/或组合的环境两种情况的设计/试验准则,以便使硬件有能力经得住在系统剖面中所识别的危险。图1用矩阵关系说明了典型的组合环境的影响,它指出了哪些环境组合的总体影响比每种环境单独作用的累积影响更具有破坏性。例如,一个正被运输的产品可能会暴露在一个诸如温度、湿度、高度、冲击和振动的组合环境之中。应研究从验收到寿命终结整个历史这些组合环境的影响。表2给出了影响可靠性的许多环境因素对。

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图1 组合环境因素的影响

表2 各种环境组合

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表2(续1)

美国可靠性工程实践之环境因素

表2(续2)

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对存在的标一种环境因索,都需要确定它对所设计设备使用的材料和零件的工作与可靠性特性的影响,应确定能提供必要的防护来对付导致性能下降的因素的封装技术。在选择环境强度技术之前的识别环境应力的过程中,主要应考虑与设备所有寿命阶段有关的各种应力。这包括工作和维修环境以及工作之前的环境,这种环境应力在厂成品制造、组装、检验、试验、装运和安装过程中对零件产生的影响,可能会严重影响设备的可靠性。而设备在工作之前所受的应力常常被忽略。但是,它们可能代表了设备必须经受的特别苛刻的环境。系统在运输和安装过程中遭遇到的环境往往比它们在正常工作条件下所遇到的环境更严酷。也有可能在系统设计中含有的某些环境强度特性针对在工作之前所遇到的环境条件而不是针对实际使用期间设备所经受的环境条件。环境应力以不同方式影响零件,表3列出了典型环境对系统零件和材料的主要影响。对于大多数电子产品来说,高温是十分严酷的应力,因为它不仅可能会导致灾难性的失效(例如焊点熔化和固态器件烧毁),而且主要由于化学降解作用还会使产品的可靠性逐步变差。温度过高往往被认为是电子设备可靠性差的主要原因。

表3环境影响

美国可靠性工程实践之环境因素

表3(续1)

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表3(续2)

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在设计电子系统时,特别要重视体积小和元器件密度高的情况。这通常需要有一个冷却系统,以便给发热器件提供低热阻的通路,最终使热量下降到适当的低温度。固态器件按最高结温规定额定值,通常需要规定从这一点到壳体或到自由大气的热阻。把元器件所适用的最高环境温度作为选择元器件的方法通常是不充分的,因为特定元器件的表面温度可能受到附近元器件的热辐射或热传导的很大影响。虽然看来温度并没有超过环境温度额定值,但这些影响可能会导致过热。最好的办法是规定出热环境的额定值,例如设备的表面温度,与传导、对流、辐射作用有关的热阻通路以及冷却措施,例如大气温度、气压和速度。按照这种方式,就能确定出热敏感部件内部器件的真实热状态。用来改善高温应力下可靠性的技术包括采用散热器、冷却系统、绝热和耐热材料。电子设备经受低温也能引起可靠性问题。这些问题通常与系统的机械零部件有关。它们包括由于金属和非金属材料膨胀(收缩)系数不同产生的机械应力,非金属部件的脆裂、截留湿气冷冻、液体成分变稠引起的机械力等。典型的例子有焊缝开裂、机械连杆咬死、润滑剂过于稠等。低温应力下用来改善可靠性的技术包括采用加热装置、绝热和耐冷冻材料等。当电子设备暴露在温度突然变化或温度循环迅速变化的条件下,会产生额外的应力。这些情况在结构件内会产生大的机械内应力,特别是构件内包含不同材料时,更是如此。热冲击引起的应力的影响包括焊缝开裂、剥离、丧失密封性能、充气泄漏、封装材料与元器件和封装面分离产生空隙以及支承件变形。可规定用热冲击试验来确定焊接的牢固整体性,因为这种试验会因不同的膨胀效应产生大的内力。此外人们还发现这种试验能促使焊料合金出现分离,这种作用导致形成易破裂的富含铅的区域。在正常使用和试验过程中,电子设备常常同时经受冲击和振动环境。当所产生的挠曲引起的机械应力超过结构件允许的工作应力时,这样的环境可能对零件和结构件造成物理损坏。组成设备的各件产品的固有频率是在设计过程中必须考虑的重要参数。因为如果固有频率处于振动频率范围之内就可能出现谐振。谐振将进一步加强分系统的挠曲,而且能使应力提高到超出安全极限。振动环境可能对电连接器件的影响特别严重,因为它可能在连接器件的元件之间引起相对运动。与其它环境应力结合在一起,这种运动可能产生磨蚀,从而产生磨屑,并会大大改变接触电阻。对振动应力应采取的改进可靠性的技术包括加强刚度、控制共振和减少运动的自由度。湿度和含盐的大气环境可能会引起设备性能降级,因为它们加速金属部件的腐蚀作用,而且还可能促使产生原电池,尤其在不同金属相接触时更是如此。湿度和含盐大气环境的其它有害作用是在非金属零件上面形成表面薄膜。这些薄膜成为漏电通路并降低这些材料的绝缘和介电性能。绝缘材料吸收了潮气还可能使受这种影响的材料的体导电率和耗散系数大大增加。对于湿度和含盐环境,改进可靠性的技术包括使用密封、防潮材料、去湿剂、保护涂层、保护罩以及少用不同金属。电磁辐射和核辐射可能损害暴露在这种环境下的设备性能,在某些情况下可能造成永久性破坏。因此,在为那些必须达到规定可靠性目标的电子设备确定环境强度时,考虑这些环境的影响是十分重要的。电磁辐射常常在电子线路内产生可能损坏系统性能的干扰和噪声影响。这些影响的来源包括电晕放电、闪电放电、火花和电弧现象。这些现象可能与高压传输线、点火系统、有刷电机、甚至设备本身有关。为减少干扰影响,一般要求采用滤波和屏蔽措施或规定采用不太敏感的元器件和电路。核辐射可能由一于改变了绝缘材料和半导体材料的原子与分子结构而使这些材料造成永久性损坏。高能辐射还可能引起电离作用,从而降低绝缘材料的绝缘等级。减轻核辐射影响的方法一般包括使用具有高度抗辐射的材料和零件,并结合使用屏蔽和加固技术。在设计过程中,需要对产品在其寿命周期内所经历的每一种环境因素都加以考虑。这样就能保证把适当的环境强度纳入可靠性设计。

(来源:未知)

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