電路板的可靠性預(yù)計(jì)通常是基于電子元器件的失效率進(jìn)行的。常見(jiàn)的做法是根據(jù)每個(gè)元器件的失效率模型（如MIL-HDBK-217、Telcordia SR-332等標(biāo)準(zhǔn)），結(jié)合元器件的使用環(huán)境、應(yīng)力水平和運(yùn)行時(shí)間來(lái)計(jì)算整個(gè)電路板的可靠性指標(biāo)，如平均故障間隔時(shí)間（MTBF）或失效率（FIT，F(xiàn)ailures in Time）。

這種基于元器件失效率的可靠性預(yù)計(jì)主要涉及以下幾個(gè)步驟：

1. 元器件級(jí)別的失效率計(jì)算：每個(gè)元器件都有特定的失效率模型，考慮其工作條件，如溫度、應(yīng)力、電流、電壓等。這些失效率模型可能會(huì)受到以下幾個(gè)因素的影響：

• 環(huán)境因素：溫度、濕度等對(duì)元器件失效率的影響很大。高溫通常會(huì)顯著增加失效率。

器件極限溫度承受能力是高壓線，超過(guò)后失效率劇增，使用中不允許超過(guò)。在極限溫度以?xún)?nèi)，器件失效率與溫度仍然強(qiáng)相關(guān)，失效率隨著溫度升高而增加。

問(wèn)題：是否存在一個(gè)安全溫度點(diǎn)，只要不超過(guò)這個(gè)溫度點(diǎn)，失效率與溫度關(guān)系就不密切？

答案：理論與實(shí)際表明，多數(shù)情況下不存在這樣的溫度點(diǎn)。器件的失效率始終與溫度相關(guān)，只是高于某個(gè)溫度點(diǎn)之后，失效率會(huì)急劇上升，出現(xiàn)拐點(diǎn)。

降額設(shè)計(jì)就是使元器件或產(chǎn)品工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷虍a(chǎn)品規(guī)定的額定值，從而達(dá)到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。20世紀(jì)50年代，日本人發(fā)現(xiàn)，溫度降低10℃，元器件的失效率可降低一半以上。實(shí)踐證明，對(duì)元器件的某些參數(shù)適當(dāng)降額使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性。因電子產(chǎn)品的可靠性對(duì)其電應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，故而降額設(shè)計(jì)技術(shù)和熱設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品則顯得尤為重要。

一款流量計(jì)的電源前期設(shè)計(jì)，未采用降額設(shè)計(jì)，其調(diào)整管僅按計(jì)算其功耗為0.8W（在常溫20℃～25℃），選用額定功率為1W的晶體管。結(jié)果在調(diào)試時(shí)和在用戶使用中發(fā)生故障頻繁。分析其原因主要是該管額定功耗1W時(shí)的環(huán)境溫度為25℃，而實(shí)際工作時(shí)該管處于的環(huán)境溫度為60℃，此管此時(shí)實(shí)際最大功耗已達(dá)1W。經(jīng)可靠性工程師分析和建議，選用同參數(shù)2W的晶體管，這時(shí)降額系數(shù)S≈0.5。因而產(chǎn)品的故障很快得到解決。

• 電氣應(yīng)力：電路中元器件的實(shí)際工作條件（如電流、電壓）相對(duì)于其額定值的偏離程度也會(huì)影響失效率。

• 使用時(shí)間：失效率通常會(huì)隨著時(shí)間增加，尤其在產(chǎn)品的“浴盆曲線”早期（早期失效期）和后期（損耗失效期）更加明顯。

失效率模型的應(yīng)用：不同的失效率標(biāo)準(zhǔn)采用不同的模型。例如：

• MIL-HDBK-217：美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)，包含了廣泛的元器件失效率模型，涵蓋多種環(huán)境和應(yīng)力因素。

• Telcordia SR-332：主要用于通信設(shè)備的可靠性預(yù)計(jì)，常用于工業(yè)和商用電子設(shè)備。

• FIT（Failures in Time）：每十億小時(shí)的故障次數(shù)，常用于現(xiàn)代商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)級(jí)別可靠性預(yù)計(jì)：通過(guò)匯總電路板上所有元器件的失效率，可以計(jì)算整個(gè)電路板的失效率或MTBF。通常采用“串聯(lián)系統(tǒng)模型”來(lái)計(jì)算，即假設(shè)所有元器件串聯(lián)工作，如果一個(gè)元器件失效，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)失效：

其中，

MTBF的計(jì)算：根據(jù)總失效率，可以計(jì)算平均故障間隔時(shí)間（MTBF）：

這個(gè)值反映了系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)上平均無(wú)故障工作的時(shí)間。

雖然這種方法是可靠性預(yù)計(jì)的主流手段，但它有以下局限性：

• 未考慮系統(tǒng)級(jí)故障：元器件的失效并不總是系統(tǒng)級(jí)故障的唯一原因。連接、焊接、熱管理等也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，但這些因素通常在預(yù)計(jì)中被忽略。

• 環(huán)境復(fù)雜性：實(shí)際運(yùn)行環(huán)境可能比預(yù)計(jì)模型中的假設(shè)要復(fù)雜得多，導(dǎo)致實(shí)際可靠性與預(yù)計(jì)值存在顯著差距。

• 元器件失效模式不全：預(yù)計(jì)模型通常只涵蓋一些常見(jiàn)的失效模式，而許多不常見(jiàn)的故障模式，如系統(tǒng)級(jí)噪聲、電磁干擾、機(jī)械應(yīng)力等，往往無(wú)法在預(yù)計(jì)中反映出來(lái)。

因此，雖然基于電子元器件失效率的預(yù)計(jì)在設(shè)計(jì)初期有助于評(píng)估系統(tǒng)可靠性，但仍需通過(guò)實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證來(lái)確認(rèn)電路板的可靠性。

可靠性預(yù)計(jì)（Reliability Prediction）在實(shí)際設(shè)計(jì)中的效用常常受到質(zhì)疑，原因可能包括以下幾個(gè)方面：

1. 模型假設(shè)不夠精確：大多數(shù)可靠性預(yù)計(jì)模型（如MIL-HDBK-217、Telcordia等）基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和歷史經(jīng)驗(yàn)，而這些數(shù)據(jù)往往是對(duì)大量組件的統(tǒng)計(jì)平均值，不能反映每個(gè)具體應(yīng)用場(chǎng)景的獨(dú)特性。它假設(shè)的使用環(huán)境、應(yīng)力水平等可能與實(shí)際使用情況不符，導(dǎo)致預(yù)計(jì)結(jié)果偏差。

2. 不考慮實(shí)際工作條件：很多可靠性預(yù)計(jì)方法沒(méi)有充分考慮到組件在實(shí)際操作中的復(fù)雜工作條件，如溫度、濕度、電氣應(yīng)力等因素。在現(xiàn)實(shí)中，組件通常工作在特定的環(huán)境下，遠(yuǎn)比預(yù)計(jì)中的靜態(tài)或理想條件復(fù)雜。

3. 難以反映實(shí)際故障模式：實(shí)際中的許多故障是復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)別問(wèn)題，可能涉及多個(gè)子系統(tǒng)、接口或環(huán)境因素。傳統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)主要針對(duì)單個(gè)組件進(jìn)行，難以反映系統(tǒng)級(jí)別的問(wèn)題或?qū)嶋H運(yùn)行中的意外情況，如機(jī)械磨損、振動(dòng)、電磁干擾等。

4. 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)變化：在快速發(fā)展的技術(shù)環(huán)境中，設(shè)計(jì)往往在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中不斷修改，可靠性預(yù)計(jì)基于早期的設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法適應(yīng)設(shè)計(jì)變更，導(dǎo)致預(yù)計(jì)結(jié)果在實(shí)際生產(chǎn)中失去參考價(jià)值。

5. 不適用于新技術(shù)：可靠性預(yù)計(jì)模型通?；跉v史數(shù)據(jù)，但在新技術(shù)、材料或生產(chǎn)工藝中缺乏足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)。例如，新的半導(dǎo)體技術(shù)、3D打印等領(lǐng)域，可能沒(méi)有成熟的可靠性模型來(lái)支撐。

6. 過(guò)度依賴(lài)數(shù)據(jù)：可靠性預(yù)計(jì)依賴(lài)于組件的故障數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)模型，但實(shí)際故障常常由設(shè)計(jì)缺陷、制造問(wèn)題或用戶誤操作引發(fā)。這些問(wèn)題無(wú)法通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)中的公式和數(shù)據(jù)直接推導(dǎo)出來(lái)。

7. 實(shí)際設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)缺陷更多：由于我們?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程中，例如熱設(shè)計(jì)不滿足要求，結(jié)構(gòu)本身的震動(dòng)特性有缺陷，芯片的電應(yīng)力、溫度應(yīng)力不滿足要求，電源紋波過(guò)大，信號(hào)與時(shí)鐘時(shí)序不滿足全溫度范圍的要求，等等設(shè)計(jì)缺陷在設(shè)計(jì)測(cè)試階段沒(méi)有完全被暴露和解決，導(dǎo)致帶病出貨。往往還沒(méi)到芯片常規(guī)失效率的程度，系統(tǒng)本身就掛了，這是當(dāng)前很多產(chǎn)品的主要矛盾。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，更有效的方法往往是可靠性測(cè)試和加速壽命試驗(yàn)，通過(guò)模擬實(shí)際的工作條件或加速應(yīng)力測(cè)試來(lái)評(píng)估產(chǎn)品在特定環(huán)境下的性能表現(xiàn)。這些測(cè)試可以捕捉到預(yù)計(jì)無(wú)法預(yù)測(cè)的實(shí)際使用中的問(wèn)題。

因此，可靠性預(yù)計(jì)更多是作為一個(gè)參考工具，幫助設(shè)計(jì)人員初步評(píng)估系統(tǒng)的潛在問(wèn)題，而不是取代實(shí)際測(cè)試和設(shè)計(jì)優(yōu)化的手段。