第一讲

可靠性概念 可靠性是指产品在规定的时间内和规定的条件下，完成规定功能的能力。 规定的时间：产品经过老化后，有一个较长的稳定使用期，以后随着时间的延长可靠性下降，时间越长，可靠性越低。 规定条件：是指使用时的应力条件（电气的和机械的）、工作环境和维护条件、贮存条件等。规定条件不同，产品的可靠性也不同。 规定的功能：是指完成规定的所有功能，而不是其中一部分。

可靠度（不失效率） 可靠度指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。 Ｒ(t)= 式中 Ｎ——试验样品数； 式中 Ｎ——试验样品数； n —— 规定试验时间t内故障数。

故障率 故障率是指产品在规定条件下和规定时间内，失去规定功能的概率。 故障率与可靠度是对立事件。 Ｆ（t）+ Ｒ（t）= 1 Ｆ（t）= n/N×100%

平均寿命 平均寿命对不可修复的产品，它是指产品失效前的工作或储存的平均时间。 MTTF= 对可修复的产品而言，平均寿命是指相邻两次故障间隔的工作时间的平均值，即平均无故障工作时间。 MTBF= 式中　 Ｔ——总运行时间； ti ——第i个产品无故障工作时间。

失效率（瞬时失效率） 失效率是指产品工作到t时刻后的一个单位时间（t到t+1）内的失效数与在t时刻尚能正常工作的产品数之比。 λ(t)= 式中　Ｎ——试验样品数； 　　　　n(t)——到时刻t 时的失效数； 　　　　n(t+Δt)——t时刻后，在Δt时间间隔内失效数。

失效密度（故障频率） 失效密度是单位时间内失效产品数与受试验产品的起始数（总数）之比。 f(t)=   式中　Δn(t)——在Δt时间内，失效的产品数； 　　　Ｎ——试验样品数。

平均修复时间 该项指标反映了产品的可维修度，是指平均一次故障所需的修复时间。 MTTR= 式中　　n——故障次数； 　　　 ＴR——修复时间总和。

可靠性分类 一、固有可靠性 二、使用可靠性 三、环境适应性

固有可靠性 固有可靠性是指产品在设计、制造时内在的可靠性。 影响固有可靠性的因素主要有产品的复杂程度，电路和元器件的选择与应用，元器件的工作参数及其可靠程度，机械结构和制造工艺等。 产品的固有可靠性在很大程度上依赖于元器件的可靠性。 产品越复杂所用的元器件越多，则产品的固有可靠性越低。

使用可靠性 使用可靠性是指使用和维护人员对产品可靠性的影响，它包括使用与维护的程序及产品使用操作方法正确性以及其他人为的因素。 使用可靠性在很大程度上依赖于使用产品的人。 熟练而正确的操作，及时的维护和保养，都能显著提高使用的可靠性。

环境适应性 环境适应性是指产品所处的环境条件对可靠性的影响。 包括环境温度、湿度、气压、振动、冲击、霉菌、烟雾、以及贮存和运输条件的影响。 提高产品的环境适应性，主要是对产品采取各种有效的防护措施。

第二讲

电子产品的防护 措施 1 气候因素的防护   2 电子产品的散热及防护 3 减振与缓冲

一 、气候因素的防护 1 潮湿的防护 潮湿将导致电子产品的表面电阻率下降，绝缘强度降低，甚至发生漏电、短路和损坏。潮湿还会引起材料腐蚀、霉烂和金属生锈。 物体的吸湿是由于物体周围空气中水蒸汽的分子运动，一部分水分子会被吸附在物体表面上，形成一层水膜，并随着空气相对湿度的增高，水膜厚度也增大。这层水膜再通过扩散、吸收、吸附、凝露形式进入物体内部。

物体的吸湿形式： （1）扩散。在高湿环境中，由于物体内部和周围环境的水汽压力差较大，水分子在压力差的作用下，向物体内部扩散，使水分子进入物体内部。扩散随着温度升高而加剧。 （2）吸收。有些材料本身具有缝隙和毛细孔，如高分子塑料的分子间，均存在一定的空隙，纤维材料则有众多的毛细孔，当这种材料处于潮湿空气中时，材料表面的水膜分子由于毛细作用，进入材料内部。 （3）吸附。由于物体表面的分子对水分子具有吸引力。当物体处于潮湿空气中时，水分子就会吸附到物体表面上，形成一层水膜。含有碱及碱土金属离子、非金属化合物离子以及离子晶体化的固体材料，对水分子有较大的吸附能力。 （4）凝露。当物体表面温度低于周围空气的露点时，空气中的水蒸汽便会在物体表面上凝结成水珠，在物体表面上形成一层很厚的水膜。在高温、低温交变循环下，可能造成材料内部的内凝露，严重时会使材料内部积水。

吸湿性——它以材料在温度为20ºC和相对湿度为100%（或97%~100%）的空气中经过24小时后所增加重量的百分数来表示。 水分子以扩散和吸收的形式进入物质内部的程度，可以用吸湿性（吸水性）和透湿性等指标表示。 吸湿性——它以材料在温度为20ºC和相对湿度为100%（或97%~100%）的空气中经过24小时后所增加重量的百分数来表示。 吸水性以材料放在温度为（20±5）ºC的蒸馏水中经过24小时后所增加重量的百分数来表示。

透湿性——材料能被子水蒸汽（或水分子）透过的能力。透湿性用透湿率来表示。即在单位气压（mmHg）下，材料厚度为1㎝时，每小时透过水蒸气的微克数。其单位为μg/cm·h·mmHg。

吸附和凝露会使材料表面形成一层水膜。这层水膜将引起材料润湿，材料被水润湿的程度可用润湿角α来表征： 当润湿角α＜90°时，材料可被认为是亲水性的；当润湿角α﹥90°时，材料可被认为是憎水性的。

亲水性——当物体表面对水分子的吸引力大于水的表面张力时，此时润滑湿角α<90º，α角越小，表示物体的亲水性越强。亲水性的物体容易使水在其表面上形成一层水膜，水膜使物体润湿，并使水沿着物体表面向内部渗入。 憎水性——当物体表面对水分子的吸引力小于水的表面张力时，此时润滑湿角α>90º，α角越大，表示物体憎水性越强。憎水性物体使水在其表面上收缩成不相连的小水珠，物体表面不易被润湿，水分子也不易渗入物体内部。

防潮湿措施 防潮湿措施有憎水处理、浸渍、灌封、密封等方法。 憎水处理是利用憎水物质，通过一定方法，在元件、零件表面形成憎水性膜，或者使某些物质发生化学变化而使材料变成憎水性。 浸渍是将被处理的元件或材料浸入不吸湿的绝缘液中，经过一段时间，使绝缘液进入材料的小孔、毛细管、缝隙和结构间的空隙，从而提高了元件材料的防潮湿性能以及其它性能。 蘸浸是把被处理的材料或元件短时间（几秒钟）地浸在绝缘液中，使材料或元件表面形成一层薄绝缘膜，也可以用涂覆的办法在材料或元件表面上涂上一层绝缘液膜。

灌封或灌注 在元器件本身或元器件与外壳间的空间或引线孔中，注入加热熔化后的有机绝缘材料，冷却后自行固化封闭。此种工艺叫灌封或灌注。 密封就是将零件、元件、部件或一些复杂的装置，甚至整机安装在不透气的密封盒中，这种方法属于机械防潮。 密封是防止潮气长时期影响的最有效方法。密封不仅可以防潮，而且还可以防水、防低气压、防盐雾、防霉、防灰尘。

各种防潮措施的适用范围 在正常气候条件下为了提高某些非金属材料、纤维材料和线圈类元器件的防潮能力、耐热能力、抗电强度以及机械强度等，可采用憎水处理、蘸渍、浸渍处理和灌封处理。对于金属材料的防潮，则多采用表面覆盖。 憎水处理和蘸渍处理多用来作为其他防潮处理后的辅助处理，以进一步加强其防潮性能。 浸渍和灌封处理应根据使用条件和要求选择适当的浸渍、灌封材料 。 密封措施主要用于恶劣的气候条件 。

2 盐雾的防护 盐雾的危害性主要是对金属及各种金属镀层的强烈腐蚀。。 盐雾是由于海水被海风（包括巨大的台风）吹卷及海浪对海岸冲击时飞溅的海水微滴被卷入空中，与潮湿大气结合形成带盐分的雾滴，称为盐雾。 防护方法主要是在一般电镀的基础上进行加工，即严格电镀工艺保证镀层厚度，选择适当的镀层种类。

3 霉菌的防护 霉菌属于细菌中的一个类别，它生长在土壤里，并在多种非金属材料的表面上生长。霉菌在适宜的气候环境下（温度15—35℃、相对湿度高于70%）繁殖非常快。霉菌所分裂出来的孢子很小（1μm以下），很易于随空气侵入产品。霉菌是靠自身分泌的酶在潮湿条件下分解有机物而获取养料的，这个分解过程就是霉菌侵蚀与破坏材料的根本原因。 霉菌侵蚀会降低材料的机械强度甚至使材料腐烂脆裂；另外可改变材料的物理性能与电性能；侵蚀金属或金属镀层表面，使之表面被污染甚至引起腐蚀。许多有机绝缘材料霉菌侵蚀后，由于分泌出酸性物，而使绝缘电阻大幅度降低；使电子线路的频率特性发生变化。此外，霉菌还会破坏元件和设备的外观，以及给人的身体造成毒害作用。

防霉措施： ①密封防霉。将产品严格密封，并加入干燥剂，使其内部空气干燥、清洁。 ②控制环境条件，防止霉菌滋生。如采取措施把温度降低到10℃以下，绝大部分霉菌就无法生长；用足够的紫外线辐射、日光照射，以及定期对无线电产品通电增温降低湿度，也能有效地阻止霉菌生长。 ③应用防霉剂。 ④使用防霉材料。

4 金属的防护 金属的腐蚀是指金属或合金跟周围接触到的介质进行化学反应而遭到破坏腐蚀的过程。当金属零件发生腐蚀后，不仅使零件表面遭到损害，而且会使零件的机械强度下降，影响电器性能，使产品不能可靠工作。 金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。 化学腐蚀是金属跟接触到的物质（一般是非电解质）直接发生化学反应而引起的一种腐蚀。 电化学腐蚀是当金属与电解液发生作用时产生的腐蚀。

金属的防护方法 （1）改变金属的内部组织结构。例如，把铬、镍等加入普通钢里制成的不锈钢。 （2）表面覆盖。就是在零件的表面覆盖致密的金属或非金属覆盖层。表面覆盖层按其性质可分为以下三类：金属覆盖层、化学覆盖层、涂料覆盖层。 （3）电化学保护法。因金属的腐蚀主要是电化学腐蚀，所以，只要能够把引起金属电化学腐蚀的原电池反应消除，金属的腐蚀自然就可以防止了。

金属覆盖：金属覆盖层是用电镀、化学镀、喷镀和热浸等方法，在本体金属表面镀上一层有良好的化学稳定性（即抗腐蚀性）和某些物理性能（如导电性、耐磨性）的金属。 化学覆盖：化学覆盖是用化学或电化学的方法在金属表面形成一层致密而稳定的金属化合物。化学覆盖有：发蓝（黑）、氧化、钝化、阳极氧化和磷化等。 涂料覆盖：涂料覆盖是在金属表面涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等物质。

电化学保护法可分为外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护法。 外加电流的阴极保护法是在外加直流电压的情况下，把需要保护的金属接电源的负极（阴极），而用不溶性的物质接正极（阳极），两者都放在电解质溶液里，接上外加直流电源。

通电后，大量电子被强制流向被保护的金属，使金属表面产生负电荷（电子）的积累。由于金属氧化所生成的电子流是跟外加电源的电流的方向是相反的，只要外加足够的电压，金属腐蚀而产生的原电池电流就不能被电子输送，因而腐蚀就不能发生。这样就抑制了金属发生失去电子的作用，从而防止了金属的腐蚀。 牺牲阳极的阴极保护法是在要求保护的金属上连结一种金属电位更低（也即更活泼，更易失去电子）的金属或合金，当两者处于电解质溶液中时，发生腐蚀的将是电位低的金属，而电位高的（要求保护的）金属得到了保护。

第三讲

二 、电子电气设备散热及防护

电子产品的散热及防护 电子产品工作时其输出功率往往只占输入功率的一小部分，其功率损失一般都以热能的形式散发出来。实际上，电子产品内部任何具有实际电阻的载流元器件都是一个热源。当电子产品工作时，温度将升高。 电子产品工作时的温度与产品周围的环境温度有密切的联系，当环境温度较高或散热困难时，电子产品工作时所产生的热能难以散发出去，将使电子产品温升提高。 由于电子产品内的元器件都有一定的工作温度范围，若超过其极限温度，就要引起工作状态改变，寿命缩短甚至损坏。 电子产品的热设计，就是根据传热学的基本原理，采取各种散热手段，使电子产品的工作温度不起过其极限温度，从而保证电子产品在预定的环境条件下稳定可靠地工作。

1 热的传导方式 传热的基本方式有三种，即传导，对流和辐射。 热传导是指通过物体内部或物体间直接接触来传播热能的过程。热传导是通过物体内部或物体接触面间的原子，分子以及自由电子的运动来实现能量传播的。 Q=△t/RT 式中 Q ——单位时间内热传导的热量； △t——热传导时的温度差（℃）； RT ——热阻（℃/W）。

热阻是热流途径上的阻力大小。它包括热流通过物体内时的阻力，称为物体导热热阻Rs和热流通过两接触面时阻力，称为接触热阻Rc 。 RT =∑Rs+∑Rc 而 Rs=δ/（λ·S） Rc=1/（kc·S） 式中 δ——传热路径的长度(m)； S ——传导截面积(m2)； λ——导热系数（W/m·℃）； kc——接触传热系数（W/m2·℃）

热对流 热对流是依靠发热物体（或高温物体）周围的流体（气体或液体）将热能转移的过程。 Q=α·△t·S 式中 Q ——单位时间内对流所排出的热量(W)； α——散热系数(W/m2·℃)； △t——散热物体表面与冷却介质的温度差(℃)； S ——散热面积(m2)。 散热系数不仅与流体介质的性质有关，而且与对流的类型、对流的速度、散热物体的形状、位置等因素有关。

热辐射 热辐射是一种以电磁波（红外波段）辐射形式来传播能量的现象。热辐射是由于温度升高，物体原子振动的结果引起的。 Q =c·S[（T2/100） 4 -（T1/100）4] 式中 Q ——单位时间内辐射放出的热量(W)； c ——辐射系数(W /m2·K4)； S ——物体的辐射表面积(m2)； T2、T1——该物体及空气的绝对温度(K)。

利用热传导、对流及辐射，把产品中的热量散发到周围的环境中去称为散热。 2 散热防热的主要措施   利用热传导、对流及辐射，把产品中的热量散发到周围的环境中去称为散热。 电子产品常用的散热方法有： ①自然散热； ②强迫通风散热； ③液体冷却； ④蒸发冷却； ⑤半导体制冷。

自然散热 自然散热是利用产品中各元件及机壳的自然热传导，自然热对流，自然热辐射来达到散热的目的。 （1）机壳自然散热 电子产品的机壳是接受产品内部热量并将其散到周围环境中去的机械结构，它在自然散热中起着重要作用。 机壳自然散热以下问题： ①选择导热性能好的材料做机壳，加强机箱内外表面的热传导。 ②为了提高机壳的热辐射能力，可在机壳内外表面涂粗糙的黑漆。 ③在机壳上，合理地开通风孔，可以加强气流的对流换热作用。

在机壳上开通风孔 的形式

（2）电子产品内部的自然散热 ①元器件的自然散热 电阻主要通过传导散热。因此在装配电阻时，引线应尽可能短一些，并且要加大与其它元件的距离。其它元器件类似于电阻。 变压器主要依靠传导散热，要求铁心与支架、支架与固定面都要良好接触，使其热阻最小。 晶体管依靠管壳及引线的对流、辐射和传导散热。大功率的晶体管应该采用散热器散热。 集成电路主要依靠外壳及引线的对流、辐射和传导散热。当集成电路的热流密度超过0.6W/㎝2时 ，应装散热装置，以减少外壳与周围环境的热阻。

②元器件的合理布置 保持足够的距离，以利于空气流动，增强对流散热。 将功率大、发热量大本身又耐热的元器件放在气流的下游（出口处），将功率小、发热量小又不耐热的元器件放在气流的上游（入口处）。 如按上述原则安排有困难，可发热量大元器件和热敏感元件进行热屏蔽。

强制散热 强制风冷。强制风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高产品内空气流动的速度，增大散热面的温差，达到散热的目的。 液体冷却。由于液体的导热系数、热容量和比热都比空气大，利用它作为散热介质其效果比空气要好。 蒸发冷却。每一种液体都有一定的沸点，当液体温度达到沸点时就会沸腾而产生蒸汽，从沸腾到形成蒸汽的过程称为液体的汽化。液体汽化时要吸收热量。蒸发冷却就是利用液体在汽化时能吸收大量热量的原理来冷却发热器件的。

半导体致冷。也叫温差电致冷，它是建立在珀尔帖效应的基础上的一种冷却方法。当任何两种不同的导体组成一电偶对，并通以直流电时，在电偶对的相应接头处就会发生吸热和放热现象。但这种效应在一般的金属中很弱，而在半导体材料中则比较显著，因此可用半导体作致冷元件。

3 功率晶体管及集成电路芯片的散热 晶体管和集成电路在工作时要产生功耗，即集电极功耗Pc，其产生的热量会使结温度升高。如果没有良好的散热，结温度将超过最大允许结温度TjM，就会缩短管子寿命，甚至有烧坏的危险。 TjM = Ta + RTPCM 式中RT为热电阻，Ta为环境温度，PCM为最大允许的集电极功耗。 一般采用的散热器散热，下图为常用的散热器 。

三、 减振与缓冲 电子产品在使用、运输和存放过程中，不可避免地会受到机械振动、冲击和其它形式的机械力的作用，如果产品结构设计不当，就会导致电子产品的损坏或无法工作。 造成损坏情况有两种：一种是由于设计不良引起共振和抗冲击能力差。另一种是疲劳损坏，虽然振动和冲击加速度未超过极限值，但在长时间的作用下，产品及其元器件，零部件因疲劳作用而降低了强度，最后导致损坏。

减振和缓冲的基本原理 在实际中所见到的持续振动，是靠外界的激振力对弹性系统做功，即输入能量以弥补阻尼所消耗的能量。 Pm-惯性力 Pk-弹性力 Pr-阻尼力

强迫振动的振幅A与外激振动的振幅Aj有以下关系： ζ —— 阻尼比，ζ ＝ r /r0 γ —— 频率比，外激振动的频率ƒj和系统固有频率ƒ0之比，即：γ = ƒj / ƒ0 = ωj / ω0

对于确定的弹性系统，其阻尼比ζ也是确定不变的。当外激振动参数已知时，决定系统强迫振动振幅大小的只有频率比γ，也就是说，系统强迫振动的振幅大小与激振频率ƒj及系统固有频率ƒ0有关。由上式可得出以下结论： ①当ƒj<<ƒ0 时，γ接近于0，强迫振动的振幅A等于外激振的振幅Aj。即A＝Aj ； ②当 ƒj < ƒ0时，γ<1，强迫振动的振幅A大于外激振动的振幅Aj，即A> Aj ； ③当ƒj=ƒ0时，γ=1，A>>Aj，此时如果阻尼比ζ越小，A比Aj大的倍数越多。而当ζ→0则A→∞，也就是说，当ƒj=ƒ0 时，系统将发生共振现象； ④当ƒj= √2ƒ0 时，γ=√2 ，强迫振动的振幅A等于外激振动的振幅Aj ，即A＝Aj ； ⑤当ƒj>√2ƒ0 时，γ > √2，A< Aj ； ⑥当ƒj>>ƒ0 时，γ >>√2 ，A< Aj它与γ >√2 时的变化不大。

减振的基本原理 根据前面分析可以看出，只有当ƒj> √2ƒ0 的情况下，强迫振动的振幅A才能小于外激振动的振幅A j 。也就是说只有当ƒj >√2 ƒ0 ， γ>√2时强迫振动才不会造成不良后果。 在电子产品上安装减振器，使产品和减振器构成一弹性系统，从要求系统减低或隔离的需要出发，使 ƒj > √2ƒ0 就能得到良好的减振效果。 减振器的物理作用，因为振动是方向不断改变的机械作用，当装上适当的减振器后，减振器能将支撑基座传来的机械作用的能量储存起来，并缓慢地传到产品上去，当还来得及将全部量传给产品时，支撑基座又开始反方向运动了，这时能量由减振器重新交还给支撑基座。以后又重复前面的过程，如此循环下去，就使产品所受的振动作用大为减小。

缓冲的基本原理 缓冲是防止电子产品免受碰撞和冲击的一种重要措施。 由能量定理P = F t可知：当外来冲击能量P一定时，若冲击力作用的时间t愈长，则设备所受的冲击力F愈小，冲击加速度愈小（F = ma）。因此若加大冲击力作用的接触时间，就可以减轻产品所受冲击力作用的影响。缓冲设计实质上是把瞬时的、强烈的碰撞和冲击能量，以位能的形式最大限度地储存在冲击减振器中，使减振器产生较大的形变。冲击结束后，冲击减振器的能量，由减振系统缓慢地将能量释放出来，达到保护电子产品的目的。

1、电子产品的减振和缓冲主要是依靠安装减振器。 橡皮-金属减振器 JZN型阻尼式减振器 减振和缓冲的一般措施 1、电子产品的减振和缓冲主要是依靠安装减振器。 橡皮-金属减振器 JZN型阻尼式减振器

2.减振和缓冲的其它措施 （1）导线和电缆。 通常都尽量将几根导线编扎在一起，并用线夹作分段固定，以提高其固有频率，提高抗冲击振动能力。但单线连接有时是不可避免的，这时使用多股导线比单股硬导线好，跳线不能过紧也不能过松。若过紧，在振动时由于没有缓冲而易造成脱焊或拉断；若过松，在振动时易引起导线摆动造成短路。

(2)电容器和电阻器 电容器一般采用立装和卧装两种方式，卧装抗振能力强，为了提高其抗振能力，立装应尽量剪短引线，最好垫上橡皮、塑料、纤维、毛毡等；卧装可用环氧树脂固定。 电阻为了提高抗振能力，也应采用卧装。 不好 不好 较好 好 好 连接处易拆断 过高易倒 不好

(3)晶体管 大功率晶体管应与散热器一起用螺栓固定在底板或机壳上。 小功率晶体管一般采用立装，为了提高其本身能抗冲击和振动能力，可以卧装、倒装，并用弹簧夹、护圈或粘胶（如硅胶、环氧树脂）固定在印刷板上。 大功率晶体管应与散热器一起用螺栓固定在底板或机壳上。

(4)继电器 继电器和其他电气元件不一样，由电气和机械结构组合在一起，它本身容易失效，在冲击和振动的影响下，继电器的典型故障有：接触不良；衔铁动作失灵或移位；触点抖动使接触电阻不断变化干拢电路工作等。 最好 好 差