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通过设定合理的元器件可靠性度量指标，并利用严格的质量体系把元器件的质量管控措施落实到设计、生产各个环节，持续对发现的问题进行改进，可有效提高单板可靠性。但这一切的基础是元器件选择是正确的。选择正确的元器件需要明确元器件的使用环境、性能和可靠性需求，在此基础上通过严格的技术认证，确保元器件在选用上是合理的。本节介绍元器件认证不当造成失效的案例。
故障现象： 某风力发电设备中使用电磁继电器控制变桨刹车电磁铁，电磁继电器在电路原理图中标号为5K1，现象陈述为：用5K1替代电磁继电器，5K1线圈通电时，继电器的常开触点通过给刹车电磁铁通电来制动变桨电动机；断电时，则松开变桨电动机。设备正常运行中，风速变化时，依据功率输出要求，通过5K1的开关，同步开启或制动3片桨叶的变桨电动机，保障三片桨叶的桨距角同步变化。当其中某片桨叶的5K1出现问题时，三片桨叶的桨距角不能同步变化，控制系统发现后会给出“桨距角不同步”的告警，同时停止风力发电设备运行。在某公司的产品中，所有的变桨控制都使用了5K1，在产品实际运行中，变桨系统故障的30%以上来自5K1故障，更换新的5K1后，继续运行1～6个月后，故障重现。维修工程师在现场发现故障后，轻轻敲击5K1表面，故障现象会消失。大部分返修的继电器送原厂测试分析后，并没有呈现性能退化现象，送第三方机构测试分析也没有发现继电器存在质量问题，且该继电器供应商是国际优质供应商，质量保障体系完备。
故障原因分析： 风力设备厂家针对失效的电磁继电器进行了解剖分析，大部分电磁继电器没有明显的失效，但其中极个别的电磁继电器呈现出如图2.6所示的失效特征。
能观测到，像图2.6所示现象的故障电磁继电器只是极少数。为分析该故障，开发了针对电磁继电器触点的专用测试设备，采用不同大小的电流测试接触电阻，针对现场出现的故障5K1进行大量的测试，发现出现问题的触点存在小电流时触点接触电阻增大的现象，当触点电流增大到一定程度后，触点电阻变小并趋于稳定。
图2.6 某电磁继电器失效特征
结合现场数据和电磁继电器驱动电磁刹车这个特点开展了基于故障的机理分析。最后明确这是器件选用不当导致的可靠性问题。
从故障机理上讲，电磁继电器通过机械触点完成电路的关断与接通，虽然触点是用不易氧化的合金材料制成的，但在电路接通前常开触点表面会吸附空气中的尘埃，清除这些尘埃需要一定的电弧电流，所以在电磁继电器的规格书中会明确要求触点侧的最小切换电流和最小切换电压。5K1电磁继电器的规格书中给出的最小切换电压为1V，最小切换电流为10mA。
当电磁继电器负载是阻性负载或容性负载时，触点最小切换电压和最小切换电流容易得到满足，但当电磁继电器负载是感性负载时，这个要求是无法满足的，电感必须从0电流开始充电，无法清除触点处的尘埃，因此短时电阻增大，参照图2.7所示的电磁继电器驱动电感工作原理图，尘埃形成电阻 R ，对电感器施加一个直流电压 V 后，其充电电流的变化公式为： i （ t ）= V / R （1-e - t / τ ）， τ = L / R ，当 R 较大时，电感器充电时间会较长。
图2.7 电磁继电器驱动电感工作原理图
在风机变桨控制中，5K1的负载为电磁刹车，是一个典型的感性负载，5K1的常开触点因为在空气中被污染，存在一个接触电阻 R ，因为位置的差异，三片变桨控制的5K1常开触点的接触电阻存在差异，导致电磁继电器刹车时电感 L 充电电流存在差异，电磁继电器刹车松开变桨电机制动器的时间存在差异，导致桨叶的桨距角不同步。由于感性负载在电磁继电器切换时不能满足最小切换电流这个要求，用5K1电磁继电器是一个选型错误，不能保证设备可靠工作。
解决方案： 机械触点必须采用电弧烧蚀接触电阻，而电磁继电器是不能用来驱动感性负载的，因此可以选择非机械接触的开关，如固态继电器这类使用电子触点的开关。
从这个案例看，要保证元器件的可靠性，必须考虑其实际使用情况，从应用角度定义元器件的可靠性规格，但这对硬件工程师来说是一个严峻的挑战：第一，元器件有很多应用条件限制，硬件工程师必须熟悉所用元器件的全部工程特性；第二，好的（可靠的）电子产品是设计出来的，不是调试出来的。
大部分元器件的特性并没有元器件手册中给出的那么理想，比如电阻实际上是电阻与电感的串联，甚至电阻间还并联有电容，电磁继电器机械切换的金属触点接触电阻不可能为0，对于非密封继电器，还存在触点与空气接触，空气中有灰尘，空气会对触点氧化和腐蚀，触点的接触电阻变化很大。触点接触前，两触点的电位差可使触点在无限接近时产生电弧放电现象，这个电弧放电可清除触点处的污染，降低接触电阻。而电弧放电的前提是有放电电流流通通道，因此，电磁继电器触点侧可靠接触需要触点间有一定的电位差，并能提供一定的电弧放电电流。本案例中的器件厂家规格书很明确，电位差大于1V，放电电流大于10mA，如果电磁继电器使用者不明白继电器的这个特性，势必会出现本案例所述的可靠性问题。
在实际工作中，大量的电子产品设计是基于原理图的调试，并没有基于单板性能的详细设计过程，即没有基于单板性能来分析元器件规格需求，并设计出关键元器件规格。这就造成这种调试模式下生成的产品可靠性很差。
优秀的电子产品开发企业通过开发流程的严格管控实现优良的设计。德国VDA协会要求的电子产品设计模式如图2.8所示。
图2.8 德国VDA协会要求的电子产品设计模式
例如，车载系统的可靠性需求从系统逐层分解到设计单元，在设计单元中需要给出元器件规格，在开发完成后需要逐层验证。有了设计单元的元器件规格需求，元器件可靠性可以按需求说明进行严格验证，设计人员不需要关注用什么元器件，供应链部门会依据元器件规格需求选择“性价比”高的元器件；后续批次生产的元器件替代也变得比较简单；供应链部门对物料的管理也因此变得简单，公司内部依据规格需求建立内部编码系统，性能匹配的供应商元器件可以方便地由供应链部门导入。研发人员依据单板需求分解元器件可靠性需求，就可以避免“电磁继电器驱动感性负载”这种设计问题。
本案例给我们的启示是：
（1）电子元器件没有教科书上给出的那么简单，做好硬件设计，必须熟悉元器件的工程特性。
（2）元器件可靠性需要依据单板的需求明确定义，可靠的产品是设计出来的，不是调试出来的，一个没有详细设计过程的单板是不可靠的。
（3）元器件可靠性认证是对元器件是否满足设计需求的认证，因此设计需求必须明确。