電能表可靠性與元器件選型

二零一四年七月電能表可靠性與元器件選型產品可靠性工程元器件選型電能表元器件選型重點關注指標目錄123產品可靠性工程1.定義&流程體系（1）可靠性的定義：在規定的條件下，在規定的時間內、產品完成規定功能的能力。包含以下4個要素：可靠性工程的定義：選用可靠的器件和可靠的使用器件，避免器件壽命周期內提前失效，保證電子產品在整個生命周期內可靠工作。通過建立可靠性工程的流程體系，系統開展器件選型、可靠性設計、可靠性制造及批量檢驗、故障模式和影響分析的一系列工作。可靠性指標規定的時間規定的條件規定功能產品可靠性工程1.定義&流程體系（2）

器件選型設計測試批量檢驗失效分析

可靠性工程需求分析選型認證樣品測試規格書確認供應商認證可靠性設計可靠性預計可靠性測試測試失效分析檢驗篩選工藝驗證失效分析失效分析設計改進產品可靠性工程2.浴盆曲線

產品的整個壽命周期內，其可靠性的變化基本上都呈現一定的規律，通常劃分為三個階段：早期故障期，偶然故障期，嚴重故障期。早期失效期(InfantMortality)：主要失效原因是設計、原材料和制造過程中的缺陷等。

偶然失效期(RandomFailures)：主要失效原因是質量缺陷、元器件、環境和使用不當等。

耗損失效期(Wearout)：主要失效原因是磨損、疲勞、老化和耗損等。耗損失效期t時間偶然失效期早期失效期使用壽命規定的失效率λ(t)失效率AB產品可靠性工程3.可靠性特征量（1）故障率λ(t)：產品工作到t時刻后單位時間內發生故障的概率，即產品工作到t時刻后，在單位時間內發生故障的產品數與在時刻t時仍在正常工作的產品數之比。（2）可靠度R

(t)：產品在規定的條件下，在規定的時間內，產品完成規定功能的概率。(3)平均失效時間MTBF(MeanTimeBetweenFailures)：可維修產品兩次故障期間的時間平均值。服從指數分布的情況下，(4)平均失效時間MTTF(MeanTimeToFailure)：不可維修產品從投入運行到發生故障的平均工作時間。服從指數分布的情況下，產品可靠性工程4.可靠性預計（1）

根據產品各組成部分的可靠性,預測產品在規定的工作條件下的可靠性所進行的工作。其常用的方法有相似產品法、元器件計數法、元器件應力法等。

預計方法基礎數據相似產品法已有、相似成熟產品的可靠性數據；成熟產品的可靠性數據主要來源于現場預計和實驗室的試驗結果元器件計數法適用于產品方案論證和初步設計階段，基礎數據是元器件基本失效率的通用修正值。元器件應力法適用于產品詳細設計階段，根據元器件的質量等級、應力水平、環境條件等因素對基本故障率進行修正。不同類別的元器件有不同的工作故障率計算模型。產品可靠性工程4.可靠性預計（2）計算數學模型

為總失效率；

為第i個單元的第j個元器件的工作失效率；N表示產品的電路單元數；Mi表示第i個單元的元器件總數；

為

對應的標準差；

為

對應的標準差。

元器件的失效模型

為第個i單元第j個元器件的基本失效率,為對應的基本標準差

，為環境應力因子，、、分別為第個i單元第j個元器件的質量因子、電應力因子、溫度應力因子。

產品可靠性工程4.可靠性預計（3）

電阻類型工作環境電阻阻值工作應力質量級別節點溫度電阻可靠性預計標準GJB299BMIL-STD-217FIECTR62380TelcordiaSR-332SN29500失效率產品可靠性工程4.可靠性預計（4）

GJB-299B中，可編程只讀存儲器PROM的應力法預計模型為:集成電路技術類型工作環境管腳數和位數工作應力質量級別封裝類型可靠性預計標準GJB299BMIL-STD-217FIECTR62380TelcordiaSR-332SN29500失效率產品可靠性工程5.可靠性試驗試驗項目試驗方法環境應力篩選試驗

在產品開發階段、批生產階段早期，在產品上施加一定的環境應力（如：隨機振動和溫度環境應力），以剔除由不良元器件、零部件或工藝缺陷引起的產品早期故障。環境應力篩選試驗不能提高產品的固有可靠性，但通過改進設計和工藝等可以提高產品的可靠性。加速壽命試驗在不改變產品失效機理條件下，通過提高工作環境應力(超正常應力水平)加速產品失效，盡快暴露產品設計過程中的缺陷。抽樣定時截尾試驗抽樣產品進行壽命試驗，當累計試驗到規定的時間即停止試驗。抽樣定數截尾試驗抽樣產品進行壽命試驗，當累計試驗中出現的故障到規定故障數即停止試驗。產品可靠性工程6.可靠性工程的理念國內外電子產品的差距不僅僅是功能性能方面的差距，更重要的是質量和可靠性方面的差距越來越明顯。個人經驗和責任心從根本上無法提高產品的質量和可靠性水平，完整的系統方法和流程體系才是根本之道。“君子授人以魚，不如授人以漁”。

產品可靠性是“設計出來，制造進去，用戶體驗”。誤區：產品可靠性=元器件可靠性。可靠性預計的目的是可靠性改進，預計具體數值的準確性不重要，重要的是通過預計找到設計薄弱點，指導元器件選型、可靠性設計（降額設計、可靠性分配、冗余設計等）、可靠性制造工作（元器件檢驗篩選、工藝控制）、失效分析。誤區：MTBF=產品的平均壽命。加速壽命試驗選擇加速應力的基本原則是，不應改變基本的故障模式和失效機理或它們的相對主次關系。元器件選型1.定義&關鍵流程（1）定義：根據產品需求，按照一定的程序和方法選擇技術指標、質量水平、采購成本、交付周期、服務響應、物流成本等方面滿足產品要求的元器件，即元器件的可用性、可采購性、性價比、供應商的支持能力滿足產品需求。

元器件的選型與測試是一項產品工程，意義重大。經驗證明：一旦選型與測試完成，其質量、成本、可采購性的70%基本上已經固化，后期的一系列改進、控制措施所能達到的效果只能占到30%左右。

元器件選型不合理造成的影響：批量質量問題、生產成本提高、生產直通率降低、返修率增加、采購成本增加等。元器件選型1.定義&關鍵流程（2）關鍵流程：包括新元器件選型、元器件替代、定制件參數變更、問題元器件處理、PCN處理(工藝流程變更）、供應商變更等。

需求分析選型認證樣品測試規格書確認供應商認證元器件選型與測試元器件選型2.元器件選型規范（1）元器件優選庫元器件分級：A(優選）、B（慎選）、C(禁選）、L(試用）生產或供應商分級：A(優選）、B（慎選）、C(禁選）、L(試用）（2）基本原則六要素：技術指標、質量水平、采購成本、交付周期、服務響應、物流成本。在考慮降額設計、熱設計、工藝保證等要求后，選擇元器件。優選經驗證（內部、行業）質量穩定、生產商優選目錄、有質量等級、有可靠性指標、有發展前景的標準元器件；優選國產元器件。限制選擇處于工程樣片階段的元器件；限制選擇淘汰、停產或生產商不推薦元器件；限制選擇極限參數元器件；限制選擇存在安全隱患元器件；限制選擇危化元器件。通用元器件PIN-PIN兼容；關鍵或核心元器件的替代方案。最大限度壓縮元器件種類、規格以及生產商。元器件選型（3）六要素技術指標：安規、壽命、EMC、EOS、ESD、Latch-Up、MSD、環境溫度、加工工藝、失效率等。質量水平：進口器件、國產器件、質量等級、質量體系等。采購成本：標準件、風險防范、壓縮元器件種類、替代方案、供應商市場占有率、供應商發展潛力、戰略合作關系等。交付周期：標準件、風險防范、壓縮元器件種類、供應商市場占有率、供應商發展潛力、戰略合作關系等。服務響應物流成本元器件選型（4）質量等級（1）定義：元器件在制造、試驗及篩選過程中其質量的控制等級。預計國外、國內元器件失效率時，用質量系數πQ作為不同質量等級對元器件工作失效率影響的調整系數。國外電子元器件的質量等級元器件選型（4）質量等級（2）國內電子元器件的質量等級元器件選型（5）技術規范（1）元器件類別環境因素高溫低溫高溫高濕鹽霧大氣壓陽光輻射MSD集成電路√√√√√半導體分立元件√√√√電阻器√√√√壓(熱)敏電阻器√√√√電解電容√√√√√MLCC陶瓷電容√√√√光耦√√√√變壓器、互感器√√√√繼電器、開關√√√√√液晶√√√√√√√電池√√√√√晶體√√√√元器件選型（5）技術規范（2）元器件類別機械因素引出端及整體安裝強度振動沖擊自由跌落密封集成電路√√半導體分立元件√√√電阻器√√√壓(熱)敏電阻器√√√電解電容√√√MLCC陶瓷電容√√√光耦√√√變壓器、互感器√√√繼電器、開關√√√液晶√√√√電池√√√√√晶體√√√√√元器件選型（5）技術規范（3）元器件類別加工因素可焊性耐焊接熱Latch-up控制ESD控制MSD控制集成電路√√√√√半導體分立元件√√電阻器√√√壓(熱)敏電阻器√√電解電容√√MLCC陶瓷電容√√√光耦√√變壓器、互感器√√繼電器、開關√√液晶√√√√電池√√晶體√√√元器件選型（5）技術規范（4）元器件類別電氣參數電氣性能安規要求EOSESD壽命集成電路√√√√半導體分立元件√√電阻器√√壓(熱)敏電阻器√√√√電解電容√√√√MLCC陶瓷電容√√光耦√√√√變壓器、互感器√√√繼電器、開關√√√√液晶√√√√電池√√√√晶體√√√元器件選型（6）降額參數元器件降額參數集成電路結溫、負載、頻率、壽命（存儲器）半導體分立元件結溫、電壓、功率、電流電阻器溫度、功率、電壓（工作電壓、過載電壓）壓(熱)敏電阻器電壓、功率、峰值電流電解電容電壓、溫度、壽命、紋波電流MLCC陶瓷電容電壓、溫度、頻率光耦CTR、絕緣電壓、電壓變壓器、互感器電壓、功率、絕緣電壓繼電器、開關電流、電壓、壽命液晶溫度、濕度、壽命電池溫度、容量、壽命晶體溫度、激勵電平元器件選型（7）線路板基礎材料技術參數PCB基材玻璃化轉變溫度、介電常數、熱膨脹系數、UV阻擋性能、耐漏電痕跡（CTI)、翹曲度、阻燃性能等PCB油墨附著性能、穩定性、涂覆方式、化學成分等PCB加工過孔、電鍍質量ROHS集成電路多次回流焊MSD清洗免清洗（焊錫膏）、超聲波清洗（清洗劑、潔凈度評估）三防處理三防漆、涂覆方式、涂覆質量評估元器件選型（8）FMEA故障模式和影響分析（1）定義：對已失效的器件進行事后檢查，進行物理或化學分析，驗證所出現的失效，確定其失效模式，找出失效機理，評價影響程度。目的：確定失效原因或失效機理，在此后的器件選型、產品設計、檢驗篩選、生產工藝等方面采取措施，以消除失效模式或失效機理。基本步驟：確定真實的產品要求；確定使用環境（包括生產環境）;確定潛在失效部位或失效機理；器件選型；可靠性設計；檢驗篩選；可靠性制造元器件選型（8）FMEA故障模式和影響分析（2）

元器件選型3.FMEA故障模式和影響分析（3）-鋁電解電容失效分析案例失效模式內部現狀案例分析制造時誤使用時適當使用時短路電極間短路皮膜絕緣破壞電極間絕緣破壞鉚接部,端子部斷線開路鉚接部,端子部接觸不良靜電容量減少Tan增加電解液減少電解液熱分解陽極箔容量減少陰極箔容量減少漏電流增加爆漿漏液酸化皮膜劣化腐蝕內壓上升封口不完全氯離子侵入封口不良機械壓力接觸不良切斷毛刺、金屬微粒子酸化皮膜缺陷外部機械壓力隨時間劣化外部壓迫應力過電壓反向電壓紋波電流過大超過容許充放電基板清洗時氯離子侵入1111213322223344電氣化學反應元器件選型4.元器件選型的理念元器件是能夠完成產品預定功能而不能再分割的電路基本單元，其自身的可靠性是十分重要的；注重元器件的功能與性能的同時，必須關注其“質量等級”。元器件的失效并非只由其本身的固有可靠性造成，更多的是由選型不當或使用有誤造成。元器件選型的同時，必須關注降額設計、熱設計、抗輻射設計、防靜電設計、生產工藝控制、儲存與保管等一系列問題。好的器件≠高的可靠性。元器件均有一個最佳的降額范圍，此范圍內應力變化對其故障率影響較大。過度的降額并不可取，降額到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；某些情況下，過度降額反而有害（如：大功率晶體管在小電流下，大大降低放大系數而且參數穩定性降低；繼電器的線包電流不僅不能降低，反而應在額定值之上，否則影響可靠的接觸）；降額要綜合考慮可靠性和費用等問題。電能表元器件選型重點關注指標1.國網公司關于元器件質量管理的相關要求投標方案的基于元器件應力法的可靠性預計報告,應包括電源、通信、計量、顯示、控制、存儲等模塊的主要元器件。建議優先提供由具有相應資質的權威機構按照IEC標準出具的有效期內的基于元器件應力法的可靠性預計報告。采購元器件和外協件質量控制文件提供由國家權威機構出具的投標方案中15種主要元器件(計量芯片、MCU、液晶、電解電容、壓敏電阻、晶振、時鐘芯片、二極管、普通電阻、無極性電容、光耦、電池、負荷開關、RS485、ESAM)有效期內檢測報告。元器件質量控制文件15種主要元器件采購質量合同（和元器件廠商或一級代理商簽訂的基于采購元器件質量的合同）15種主要元器件驗收篩選控制文件（企業內部對外購元器件驗收、篩選的質量控制文件）外協件質量控制文件外協件質量合同（和外協件加工單位制定的質量合同）外協件驗收篩選規定（企業內部對于外部定制的印制板、表殼、互感器、電源變等外協件的驗收、老化、篩選質量控制文件）元器件和外協件驗收篩選設備需列出元器件和外協件驗收、篩選設備清單（如印制板針床、時鐘測試儀等）電能表元器件選型重點關注指標2.2013智能電能表新規范對元器件選型的特殊要求2013新規范技術要求相關元器件負荷開關技術要求符合IEC62055—31:2005，負荷開關類型選擇Uc2，三相負荷開關應采用一體化設計。負荷開關電流回路阻抗負荷開關0.5mT工頻磁場無負載試驗負荷開關、分流器200mT（三相表300mT）恒定磁場試驗負荷開關、變壓器、電流互感器、繼電器恒定磁場檢測霍爾開關通信模塊接口帶載能力試驗變壓器、DC/DC電源芯片電能表端子座熱變形溫度≥200℃端子座無極性RS485通信RS485接口芯片極限工作環境試驗變壓器電能表元器件選型重點關注指標3.計量可靠性對元器件的要求（1）元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施計量芯片誤差曲線的長期穩定性、EMC、計量動態范圍、工作電壓、參考電壓及其溫度系數、功耗、接口噪聲容限、工作頻率、溫度、濕度MSD、EOS、Latch-up、ESD、清洗、三防處理電流互感器材料、抗強磁干擾及其溫度曲線、誤差（比差、角差）及其溫度曲線、抑制直流分量特性及其溫度曲線、絕緣性能、溫度、機械性能加工機械應力、絕緣性能分流器工頻磁場影響、阻值及其長期穩定性、溫度曲線、溫度、機械性能加工機械應力電阻材料（MELF、薄膜、厚膜）、阻值及其長期穩定性、TCR、額定電壓及過載電壓、精度、功率、機械性能、溫度、濕度加工機械應力、清洗、三防處理電能表元器件選型重點關注指標3.計量可靠性對元器件的要求（2）元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施MLCC陶瓷電容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、靜電容量老化、靜電容量及其溫度曲線、額定電壓、浪涌電壓、損耗角正切（tgδ）及溫度曲線、ESR、溫度、機械性能加工機械應力、清洗、三防處理電解電容材料（鋁電解電容、鉭電解電容）、壽命、ESR及溫度曲線（阻抗比）、靜電容量及其溫度曲線（容量比）、額定電壓、浪涌電壓、損耗角正切（tgδ）及溫度曲線、漏電流、額定紋波電流和紋波電流頻率系數、溫度、機械性能加工機械應力晶體頻率及其溫度頻率偏差、負載電容、激勵電平、諧振電阻、老化、溫度、濕度、機械性能、密封性能加工機械應力、清洗、三防處理電能表元器件選型重點關注指標4.時鐘可靠性對元器件的要求元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施時鐘芯片時鐘精度溫度曲線的長期穩定性、溫度補償方式、EMC、工作電壓、功耗、接口噪聲容限、溫度、濕度MSD、EOS、Latch-up、ESD、清洗、三防處理MLCC陶瓷電容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、靜電容量老化、靜電容量及其溫度曲線、額定電壓、浪涌電壓、損耗角正切（tgδ）及溫度曲線、ESR、溫度、機械性能加工機械應力、清洗、三防處理晶體頻率及其溫度頻率偏差、負載電容、激勵電平、二級溫度系數、諧振電阻、頂點溫度、老化、溫度、濕度、機械性能、密封性能加工機械應力、清洗、三防處理電池質量水平、脈沖性能、鈍化性能、安全性能、負載電壓、標稱容量、機械性能、溫度、加工機械應力電能表元器件選型重點關注指標5.電源可靠性對元器件的要求（1）元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施變壓器質量水平、材料（骨架、鐵芯、漆包線、灌封膠、絕緣膠帶）、絕緣性能、負載性能、空載電流、過壓性能、抗強磁干擾性能、溫度、機械性能加工機械應力、絕緣性能壓敏電阻質量水平、材料（電極、包封材料）、電流沖擊穩定性、壓敏電壓、極限沖擊電流耐受能力、連續電壓穩定性、沖擊壽命、漏電流、絕緣性能、溫度、機械性能加工機械應力、絕緣性能熱敏電阻質量水平、材料（電極、包封材料）、不動作（動作）電流及其溫度曲線、電阻及其溫度系數

、額定電壓、過載電壓、功率、居里溫度、動作時間常數、絕緣性能、溫度、機械性能加工機械應力、絕緣性能電能表元器件選型重點關注指標5.電源可靠性對元器件的要求（2）元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施整流橋、整流二極管、肖特基二極管、信號二極管加工工藝（OJ、GPP)、反向電壓（高溫反偏老練）、正向工作電流、正向峰值電流、正向壓降、耗散功率、反向電流、結溫、結電容、溫度、機械性能加工機械應力TVS加工工藝（OJ、GPP)、反向關斷電壓（高溫反偏老練）、結電容、反向漏電流、反向擊穿電壓、最大箝位電壓、峰值脈沖功率、結溫、溫度、機械性能加工機械應力電源芯片輸入電壓范圍、輸入輸出壓差、耗散功率、輸出電壓及精度、輸出電流、靜態電流、輸出電容要求、開關頻率（DC

/DC)、短路保護、紋波、熱阻、溫度、機械性能MSD、EOS電能表元器件選型重點關注指標5.電源可靠性對元器件的要求（3）元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施電感、磁珠、共模扼流圈材料（MnZn、NiZn）、諧振頻率、電感量及其頻率特性、直流電阻及其頻率特性、額定電流（溫升電流、飽和電流）、溫度、機械性能加工機械應力電解電容材料（鋁電解電容、鉭電解電容）、壽命、ESR及溫度曲線（阻抗比）、靜電容量及其溫度曲線（容量比）、額定電壓、浪涌電壓、損耗角正切（tgδ）及溫度曲線、漏電流、額定紋波電流和紋波電流頻率系數、溫度、機械性能加工機械應力MLCC陶瓷電容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、靜電容量老化、靜電容量及其溫度曲線、額定電壓、浪涌電壓、損耗角正切（tgδ）及溫度曲線、ESR、溫度、機械性能加工機械應力電能表元器件選型重點關注指標6.顯示可靠性對元器件的要求元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施液晶驅動芯片EMC、液晶驅動性能、工作電壓、驅動電壓、接口噪聲容限、功耗（靜態功耗）、溫度、機械性能MSD、EOS、Latch-up、ESD液晶質量水平、材料（液晶、偏光片、導電玻璃、UV膠、PIN腳）、壽命（高溫高濕）、響應時間（低溫響應時間）、驅動電壓、驅動電流、幀頻、視角、對比度、溫度、EMC、機械性能加工機械應力、ESD、濕度MLCC陶瓷電容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、靜電容量老化、靜電容量及其溫度曲線、額定電壓、浪涌電壓、損耗角正切（tgδ）及溫度曲線、ESR、溫度、機械性能加工機械應力電能表元器件選型重點關注指標7.存儲可靠性對元器件的要求元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施E2PROM壽命(高溫、低溫）、存儲容量、工作電壓、接口噪聲容限、功耗（靜態功耗）、總線速度、溫度、EMC、機械性能MSD、EOS、Latch-up、ESDFLASH壽命(高溫、低溫）、存儲容量、工作電壓、接口噪聲容限、功耗（靜態功耗）、總線速度、溫度、EMC、機械性能MSD、EOS、Latch-up、ESDMLCC陶瓷電容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、靜電容量老化、靜電容量及其溫度曲線、額定電壓、浪涌電壓、損耗角正切（tgδ）及溫度曲線、ESR、溫度、機械性能加工機械應力電能表元器件選型重點關注指標8.RS485通信接口可靠性對元器件的要求（1）元器件類型關鍵元器件指標關鍵工藝管控措施RS485接口驅動能力、接收性能、共模電壓、抗靜電能力、工作電壓、噪聲容限、功耗、耗散功率；總線速度、節點數量、溫度、EMC、機械性能MSD、EOS、Latch-up、ESD光耦CTR及其溫度特性、脈沖上升和下降時間、絕緣電壓、輸入正向壓降、輸入正向電流、輸入反向電流、輸入分布電容、輸出正向擊穿電壓、輸出反向擊穿電壓、輸出集電極暗電流、輸出分布電容、輸出飽和壓降、隔離電容、溫度、EMC、老化、安全性能、機械性能MSD、EOSMLCC陶瓷電容材料（COG、X7R、X5R、Y5V）、靜電容量老化、靜電容量及其溫度曲線、額定電壓、浪涌電壓、損耗角正切（tgδ）及溫度曲線、ESR、溫度、機械性能加工機械應力電能表元器件選型重點關注指標8.RS485通信接口可靠性對元器件的要求（2）-光耦選型例程（1）需求確認RS485接口電路波特率要求2400-9600bps

光耦傳輸速率與輸出方式RS485接口的絕緣電壓4000V

光耦安規認證:美國UL、加拿大CSA、英國BSI、瑞典SEMKO、挪威NEMKO、芬蘭FIMKO、丹麥DEMKO、德國VDE。低速（10Kbps)中低速(10-100Kbps)中速(100k-1Mbps)高速(1Mbps以上）光敏三極管、光電池輸出基極控制光敏三極管、達林頓管輸出光敏二極管帶信號處理電路或光敏集成電路輸出光敏二極管帶信號處理電路或者光敏集成