设计管理下的电子产品可靠性分析

所谓可靠性是指在规定时间、规定条件下完成规定的功能，并保持其性能的持续稳定。电子产品的全生命周期设计包括纵向过程和横向过程，其中纵向过程包括设计预研、方案论证、设计开发、物料选型、原理样机、功能样机、小批样机、批量生产、质量跟踪、设计持续改进等；横向过程包括用户需求分析、可靠性测试、产品工艺分析、可制造性分析、客户跟踪等。其中横向过程隐含于纵向过程的每一步之中。要提供客户高可靠性产品，需要将可靠性设计的理念自始至终的贯穿整个产品设计的纵向和横向过程中[1-2]。电子产品可靠性设计包括可靠性设计和可靠性设计管理两个方面，如图一所示[3-4]。

1可靠性设计管理目标

在论述可靠性设计管理之前，需要明确可靠性设计管理的目标是什么。根据笔者的设计经验，电子产品设计有三条研发平行线，也可以说三个研发层次：功能与性能设计、可制造性设计、可靠性设计，如图二所示。功能和性能设计是指通过软件和硬件手段设计出“达到”用户要求的产品，功能和性能设计的基础是用户需求。可制造性设计是指为了满足用户批量使用要求而进行的物料、供应商、工艺（设计、生产）、工装测试等方面的设计工作，是使设计的产品从制造角度“持续达到”用户要求。可靠性设计是指通过各种手段和管理，使产品全生命周期的功能和性能“超越”用户要求。这三个层次是一个渐进层次，其顶点就是可靠性设计层次，同时这三个层次在具体实施的时候是平行的，要真正设计出超越用户要求的产品，在进行功能、性能设计的同时需要进行可制造性设计和可靠性设计[5]。

2可靠性设计管理分析

从图一可以看出，可靠性设计管理是一个复杂的系统管理，不但包含对人力资源的管理，还包括工具、方法、供应商等各个方面。下面将从人、工具、物料等几个方面简单分析。

2.1人从人的角度来讲，要缔造高可靠性的电子产品，需要在人力资源管理上做文章，使设计人员能够达到可靠性设计的技术水平和可靠性设计的意识。提升设计人员技术水平使之达到可靠性设计要求的技术水准，以硬件工程师为例，硬件工程师必须成为硬件设计师、器件工程师、工艺工程师、测试工程师，做到4类设计师才是合格的硬件工程师。硬件工程师素质简化模型如图三所示。一个仅仅能够进行原理设计和PCB制图的工程师不是硬件工程师，他还需具有器件、工艺和测试的知识，并在设计过程中应用这些知识，从而实现设计可靠、性能可靠、器件可靠、可制造性高的电子产品。在提高设计人员的可靠性设计意识方面，我们要求研发人员对产品全生命周期负责，任何质量问题都源于设计，采用产品质量追溯问责制，充分让设计人员意识到设计高可靠性产品是对产品品质负责、对用户负责、对自己负责，从而使可靠性设计成为设计人员的自主自觉行为。

2.2料从料的角度讲，要缔造高可靠性的电子产品，就是在物料可靠性、物料体系的稳定性、供应商管理的角度去规范管理，使物料设计、物料体系达到可靠性设计的要求。从器件选型角度来说，设计师首先列出可靠性指标并根据需求和指标完成初步选型，将初步选型的器件按照关键器件、非关键器件、弱质量器件进行分类筛选。关键器件需要进行相关的局部电路测试，重点考核其性能与功能是否达到可靠性指标。弱质量器件需要进行重点故障规避，防止使用过程的质量问题。从供应商管理角度来说，一定不要将样机阶段的供应商物料与批量阶段的供应商物料对等处理，因为这是不同的两个过程。我们要约束供应商提供可靠品牌、可靠渠道、可靠产地、性能一致性高的物料，同时与供应商共同加强管理，达到可靠性上的“双赢”。

2.3机这里所谓的“机”，在电子产品设计上可以引申为工具，好的设计工具在电子产品设计中可以起到事半功倍的作用，但是工具也不是完全被依赖的，只有合理利用适当的工具才能够对设计提升有帮助。目前，电子电路设计软件如Candence/Alegro、Protel99se的升级版Altium.Designer等EDA软件均具有各类仿真和信号完整性测试、工艺图测试等功能。利用这些工具我们就可以在原理图设计时完成功能性信号仿真和测试，从而提前选定关键电路模块的参数。图四显示的是某原理图中Ram存储器启动时的信号仿真。利用PCB后期的信号完整性测试，可以在实际板件未制作前完成与PCB工艺和各种器件参数匹配的信号完整性测试，而在以往这些测试是需要经过几次制板调试才能够完成的。图五显示的是某PCB板件测试点的信号完整性分析。各类有限元分析软件和专用软件如FLOTHERM等可以帮助我们的电子产品造型工程师和PCB工程师在设计时准确把握产品的空间热设计。图六显示的是某电子设备板件热特性分析。

2.4法从法的角度，包含设计过程中的设计方法、测试分析方法，当然也包括本文我们所研讨的设计管理方法。以测试分析方法为例，目前智能院测试体系已经基本健全，正在不断丰富和完善测试系统，智能院每一种产品和板件都经过包括静电、脉冲群、雷击浪涌、高低温、震动、电源抗反接、异常状态模拟测试、功能极限测试等各类严格的归零测试。这些测试保证了产品的可靠性和质量。但是这些是远远不够的，下一步我们将针对工程机械应用环境进行研究，形成各种主机环境、各种应用环境下的针对性测试模型，将我们的每个产品放在这些模型中进行可靠性测试，从而真正达到并超越客户要求的高性能、高可靠性产品。从设计角度来说，产品关键模块测试与设计过程同步、关键电路理论模型数据与实际测量数据比对、信号完整性分析、软件可用性评估等已经在智能院各类产品的设计过程中得到应用。以后我们还会将这些在产品的全生命周期，从设计、用户反馈、售后质量、故障品维修中发现和解决的问题，形成故障树，使产品生命线可追溯，并保持产品间的借鉴性。从设计管理方法上讲，我们虽然形成了一定的可靠性设计的思路，但是尚缺乏系统性和完整性，下一步我们将在可靠性设计上逐步形成一整套可行可靠的方法论，并通过可靠性设计管理加以固化和约束。

3结束语

设计精品化产品、生产精品化产品、提供精品化系统自始至终是智能院追求的目标，在精品化战略目标下，我们始终将缔造世界最高品质产品作为我们的目标。可靠性设计作为实现这个目标的必经阶段，首先从设计管理入手，使可靠性设计理念深入到产品的全生命周期，目前我们虽然形成了一定的可靠性设计的思路，但是尚缺乏系统性和完整性，下一步我们将在可靠性设计上逐步形成一整套可行的方法论，并通过可靠性设计管理加以固化和约束。

作者：盘家伟 李祥松 单位：沈阳工程学院机械学院