元器件的降额使用课件
第6章 元器件降额设计(2015)
本章内容提要12345v降额设计的定义与目的§定义：降额设计就是将元器件在使用中所承受的应力(电、热、机械应力等)低于其设计的额定值；§目的•通过限制元器件所承受的应力大小，降低元器件的失效率，提高使用可靠性；•若元器件一直在额定应力下工作，其性能退化速率较快，降额设计能延缓其参数退化，增加工作寿命；•使设计有一定安全的余量。
v应力：在贮存/运输和工作中对于元器件产品的功能产生影响的各种外界因素，统称为应力。
常遇到的有：§电应力：指元器件外加的电压/电流及功率等;§温度应力：指元器件所处的工作环境的温度;§机械应力：指元器件所承受的直接负荷、压力、冲击、振动、碰撞和跌落;v 元器件工作时承受的电/热应力越高,器件的失效率越高。
v 金属膜电阻器基本失效率随工作电应力的变化（工作温度为40℃）0.050.1λb(10-6/h -1)环境温度（℃）金属膜电阻器基本失效率曲线降额设计的发展v元器件降额设计在先进国家起步比较早，我国在80年代初期开展了该项工作；v1984年1月，航天部在国内率先颁布了元器件的可靠性降额准则QJ417-88；v1993年9月该标准上升为GJBZ35-93《元器件降额准则》；本章内容提要12345降额设计的工作过程降额设计的工作过程：②确定降额等级③确定降额参数④确定降额因子①确定降额准则⑤降额计算及分析①确定降额准则v降额准则是降额的依据和标准。
v国产电子元器件§GJB/Z35-93 《元器件降额准则》v国外元器件参考§《元器件可靠性降额准则》(美国波音宇航公司为罗姆航空发展中心编制)§《电子元件降额要求和应用准则》欧空局②确定降额等级v 降额等级表示设备中元器件降额的不同范围；v 我国国军标GJB/Z35-93《元器件降额准则》—3个等级较低中等较高增加的费用容易一般较难设计实现难易系统或设备的尺寸、重量增加不大系统或设备的尺寸、重量增加不大系统或设备的尺寸、重量将有显著增加需交付较高的维修费用由于费用和技术原因，设备失效后无法或不宜维修故障设备可迅速、经济地加以修复且采用了某些专门的设计且采用新技术、新工艺的设计设备采用成熟的标准设计有高可靠性要求对设备有高可靠性要求设备的失效不会造成人员和设施的伤亡和破坏设备的失效将可能引起装备与保障设施的损坏设备的失效将导致人员伤亡或装备与保障设施的严重破坏适用性较小适中最大可靠性改善最小中等最大降额程度III 级II 级I 级降额等级②确定降额等级§GJB/Z35对不同类型装备推荐应用的降额等级§美国罗姆空军发展中心(RADC)对不同应用范围推荐的降额等级应用范围降额等级最高最低航天器与运载火箭战略导弹战术导弹系统飞机与舰船系统通信电子系统武器与车辆系统地面保障设备I I I I I I III II III III III III III环境降额等级地面飞行空间导弹发射III II I I③确定降额参数v降额参数§影响元器件失效率的有关性能参数和环境应力参数；v确定原则§首先应符合某降额等级下各项降额参数的降额量值的要求；§在不能同时满足时，尽量保证对关键降额参数的降额；例一：集成电路的降额参数有电源电压、输入电压、输出电流、功率、最高结温等。
第6章 元器件降额设计(2015)
温，尽可能降低其输入电平及输出电流和工作频率。
③确定降额参数
例二、晶体管降额参数反向电压、电流、功耗及结温 v 为防止电压击穿，应对其电压进行降额。 v 温度是影响晶体管可靠性的重要应力，因此晶体管的功耗
§ 目的 • 通过限制元器件所承受的应力大小，降低元器件的失效率，提 高使用可靠性； • 若元器件一直在额定应力下工作，其性能退化速率较快，降额 设计能延缓其参数退化，增加工作寿命； • 使设计有一定安全的余量。
概述
v 应力：在贮存/运输和工作中对于元器件产品的功 能产生影响的各种外界因素，统称为应力。常遇 到的有：
v 关于温度的降额因子
§ 在降额准则中，温度的降额因子一般不用应力比来表示，通常给 出的是最高结温、最高环境温度或按元器件的负荷特性曲线降额；
④确定降额因子
v 国产元器件
§ 查阅GJB/Z35《元器件降额准则》；
v 进口（美国）元器件
§ 查阅美国元器件降额的指导性文件; § 如《元器件可靠性降额准则》(罗姆航空发展中心编制);
v 注意
§ 对III级降额的降额因子，可因需要而作变动； § 对I级降额的降额因子一般不应轻易改变；
⑤降额计算及分析
v 确定了降额等级、降额参数和降额量值后 v 进行降额计算及分析
§ 根据元器件手册的数据，获得元器件的额定值； § 计算元器件降额后的允许值； § 利用电/热分析计算或测试获得实际工作的电应力值和温度值； § 将降额后的允许值与实际工作值进行比较，检查每个元器件是否达
系统或设备的尺寸、重 系统或设备的尺寸、重
量将有显著增加
元器件降额设计
得分
1 2 3 1 2
3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
降额等级的确定（续）
降额等级
总分
I
11～15
II
7～10
III
6或以下
元器件的质量水平
❖ 必须根据产品可靠性要求选用适合质量等级 的元器件；
❖ 不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的 使用问题。
详细要求
❖ 失效机理、应力参数 ❖ 应用指南（具体措施） ❖ 降额准则（降额等级、应力比）
例1：晶体管降额设计
❖ 失效机理
高温（“热疲劳”失效 –功率晶体管）
二次击穿
❖ 应力参数
功耗（电流、电压）和结温 反向电压
例1：晶体管降额设计（续1）
❖ 应用指南
根据功率晶体管的相关详细规范要求限制壳温的 最大变化值；
瞬间电压峰值和工作电压峰值之和不得超过降额 电压的限定值；
可接受的主要参数设计容差：
3. 需支付较高的维修费用。
III级降额
1. 最小的降额，对元器件 使用可靠性改善的相对 效益最大；
2. 可靠性改善的绝对效果 不如I级和II级降额；
3. 最易实现。
1. 设备失效不会造成人员和设施的伤亡和破 坏；
2. 设备采用成熟的标准设计。 3. 故障设备可迅速、经济地加以修复； 4. 对设备的尺寸、重量无大的限制。
❖ 环境温度
降额等级的划分
❖ I级降额 ❖ II级降额 ❖ III级降额
降额等级的划分（续）
降额等级
特点
适用情况
I级降额
1. 最大的降额，对元器件 1. 设备的失效将导致人员伤亡或装备与保障
使用可靠性的改善最大； 设施的严重破坏；
2. 超过它的更大降额，通 2. 对设备有高可靠性要求，且采用新技术、
电子元器件降额设计
通过对电子元器件进行降额设计，可以提高产品的可靠性和稳定性，降低故障 率，减少维修成本，延长产品使用寿命。
降额设计的必要性
01 02
提高可靠性
在实际工作条件下，电子元器件的可靠性会受到温度、湿度、压力、电 流等多种因素的影响。通过降额设计，可以降低这些因素的影响，提高 元器件的可靠性。
减少故障率
电子元器件降额设计
汇报人：
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目 录
• 降额设计概述 • 电子元器件降额因子 • 降额设计的方法与技术 • 降额设计的实践案例 • 降额设计的优化与建议 • 总结与展望
01
CATALOGUE
降额设计概述
定义与目的
定义
电子元器件降额设计是指在实际工作条件下，通过降低元器件的额定值来提高 其可靠性的一种设计方法。
优化设计流程
明确降额设计目标
在降额设计之初，要明确元器件的降额目标，包括降额比例、降 额时间等。
细化设计流程
对每个元器件进行详细的分析，包括其功能、性能、可靠性等方面 的特点，制定针对性的降额方案。
验证降额效果
在完成降额设计后，需要对元器件的性能、可靠性等进行验证，以 确保降额效果达到预期目标。
合理选取降额因子
应力模型
建立电子元器件的应力模 型，预测其在不同条件下 的应力水平。
阈值设定
根据应力分析和模型预测 结果，设定降额设计的阈 值。
基于失效物理模型的降额设计
失效物理分析
对电子元器件的失效物理 进行分析，包括电失效、 热失效等，以确定降额设 计的关键因素。
失效物理模型
建立电子元器件的失效物 理模型，预测其在不同条 件下的失效风险。
案例二：某功率器件的降额设计
元器件降额准则
元器件降额准则元器件降额准则概述元器件降额是指在保证电路性能稳定的前提下，将电子元器件的额定数值减小一定比例，用更小的元器件来实现同样的功能。
元器件降额的工程应用主要是针对电源电路和信号处理电路，通过降低元器件的容值、电阻值、电感值等参数，使得相应的电路成本减少，同时对整个系统的运行稳定性没有影响。
在电子设计中，通常采用元器件降额的方法来缩小电路的体积、降低成本和提高效率。
而与此相应的，元器件降额准则就成了电子工程师需了解的重要知识之一。
元器件降额准则1. 电容器降额准则电容器降额准则是指将标称容量为C1的电容器，根据电路实际工作要求，选用容量为C2的电容器代替，C2 < C1。
一般的，当C2<0.1C1时，不会对电路性能产生显著的影响。
当C2<0.01C1时，可能会影响电路的稳定性，因此需要进行适当的补偿和设计。
2. 电阻器降额准则电阻器降额准则是指选用电阻值小于标称值的电阻器，来代替标称值为R的电阻器。
一般来说，选用与标称值相比小于10%的电阻器不会影响电路性能。
但是需要注意的是，如果电阻值太小会降低电路负载能力，导致电路不稳定，因此选用时需要根据具体情况进行权衡。
3. 电感器降额准则电感器降额准则是指选用低于标称值的电感器，来代替标称值为L的电感器。
一般来说，选用电感值小于标称值10%的电感器不会对电路性能产生明显的影响。
但是，对于高频电路或对电感器性能有严格要求的场景，需要进行详细的电路仿真和测试，以确保电路的稳定性和性能。
4. 半导体器件降额准则半导体器件降额准则是指选用与标称值相比小于10%的电流、电压值的半导体器件替换标称值为I或V的器件。
但是，需要注意的是，在选用低于标称值的半导体器件时，也需要考虑其安装和工作温度等特殊因素，以保证电路的可靠性。
5. 变压器降额准则变压器降额准则是指将标称值为N1:N2的变压器，选用变比N3:N4的变压器代替，通常有N3/N1=n4/N2。
电子元件的降额（精）
电子元件的降额降额这种技术通常用于电力及电子设备中，它使这些设备在低于额定最大值的功耗下运行，它同时考虑到外壳/机体温度、环境温度，以及所采用的冷却机制类型。
在本文中，我们将简要阐述降额的理论背景，以及它的应用方法。
降额可增加零件设计极限与外加应力间的安全裕度，从而为零件提供额外的保护。
通过对电气或电子元件应用降额，可以降低它的退化速率。
结果可提高可靠性及寿命期望。
在直觉上，如果一个元件或系统在其设计极限下运行，则相比于运行应力等于或高于设计极限的情形，其将更为可靠。
从理论上讲，降额的益处可运用负载-强度干涉理论来阐述。
负载-强度干涉通常，失效发生于外加负载超过强度时。
负载与强度应通过一般方式来考虑。
对电子零件而言，“负载”可以指电压、功率，或是内部应力如结温。
“强度”可以指任何抵抗性的物理特性。
某一给定类型的电子元件并不相同。
它们具有强度可变性。
这种可变性源于原材料间及制造过程间的差异。
即使对于材料相同及制造过程相同的元件，仍然会因噪声因素而存在差异，这些因素有如微观材料缺陷，或是单一制造过程内的变动。
因此，元件的强度被视为随机变量。
施加于电子零件的负载如功率、温度或湿度，同样也是随机变量。
因此，人们通常运用统计分布来描述负载与强度。
可以运用两个因子，来分析负载与强度分布的干涉。
这两个因子为“安全裕度”（Safety Margin，SM）与“载荷粗糙度”（Loading Roughness，LR）。
[1]安全裕度的定义如下：其中L 与S 为负载与强度分布的平均值，σL 与σS 为负载与强度分布的标准差。
SM 是负载与强度平均值的相对间距。
载荷粗糙度可通过负载的标准差定义如下：图1-3 给出了三个示例，它们显示了安全裕度与载荷粗糙度间的不同关系。
图1 中的负载与强度分布是不重叠的，这显示的是高可靠性情境，其具有窄的分布、低的载荷粗糙度与高的安全裕度。
图1：具有大SM 与低LR 的不重叠负载与强度分布图2 显示了低的载荷粗糙度与低的安全裕度。
元器件降额指南
降额参数
集电极-发射极电压 集电极-发射极电压
Ⅰ 0.70 0.60
降额等级 Ⅱ
0.80 0.70
Ⅲ 0.90 0.80
C6.2.4 微波晶体管的降额准则 由于分布参数的影响，微波晶体管不能按独立变量来考虑降额，应按表 C6-6 的规定进
行结温降额。
附 65
C6.2.5 降额准则的应用 表 C6-5、表 C6-6 给出了晶体管的降额因子及允许的最高结温。以参数的最大允许值乘
线性集成电路及数字集成电路的降额计算示例见附录 C_B 中 C_B1 条。
C6.2 晶体管降额准则
晶体管按结构可分为双极型晶体管、场效应晶体管、单结晶体管等类型；按工作频率可 分低频晶体管、高频晶体管和微波晶体管；按耗散功率可为小功率晶体管和大功率晶体管（简 称功率晶体管）。所有晶体管的降额参数是基本相同的，它们是电压、电流和功率。但对 MOS 型场效应晶体管、功率晶体管和微波晶体管的降额又有特殊的要求。
C6.1.2.1 双极型数字电路的降额准则
双极型数字电路降额准则见表 C6-2。其中： a. 频率从额定值降额； b. 输出电流从额定值降额； c. 结温降额给出了最高允许结温。
表 C6-2 双极型数字电路降额准则
降额等级Leabharlann 降额参数ⅠⅡ
Ⅲ
频率 输出电流 1)
0.80 0.80
0.90 0.90
0.90 0.90
中、小规模集成电路降温的主要参数是电压、电流或功率，以及结温。大规模集成电路 主要是降低结温。
所有为维持最低结温的措施都应考虑，可采取以下措施： a. 器件应在尽可能小的实用功率下工作； b. 为减少瞬态电流冲击应采用去耦电路； c. 当工作频率接近器件的额定频率时，功耗将会迅速增加，因此器件的实际工作频率 应低于器件的额定频率； d. 应实施最有效的热传递，保证与封装底座间的低热阻，避免选用高热阻底座的器件。 C6.1.1 模拟电路的降额准则 模拟电路降额准则见表 C6-1。其中： a. 电源电压从额定值降额； b. 输入电压从额定值降额； c. 输出电流从额定值降额； d. 功率从最大允许值降额； e. 结温降额给出于最高允许结温。
元器件的降额使用
电应力比的计算 晶体管 单个晶体管/一个管壳中 POP—使用功率, PM—TS (最大额定功率时允 许的最高环境温度)时的 额定功率, C—硅器件的电应力调整系数
硅管 : S 锗管 : S
P OP P M P OP P M
C
两个晶体管/一个管壳中 P1，P2—单管使用功率, PS—单管工作时定功率, PT—双管工作时，在TS (最大额定功率时允 许的最高环境温度)时的额定功率,
C—硅器件的电应力调整系数
P1 2P 2 P T S P2 P 2 T P S P
C
关于温度的S 一般不用应力比：最高结温、最高环境温 度、或按元器件的负荷特性曲线降额 6.2.2 降额设计的基本原则 因件而异，适度为宜； 关键元器件应保证按规定降额，一般元器 件可作调整； 各执各法
6.3 降额设计的工作过程
6.3.1 降额准则 GJB/Z35
元器件可靠性降额准则—美国罗姆航空发展中心
电子元器件降额要求和应用准则
6.3.2 降额等级
6.3.3 降额参数
例：电子开关的降额—II级降额 电压：60V0.50=30V 电流：2A0.75=1.5A 功率：1.5A 1.5A 0.2=0.45W 应为0.4W 调整：电流：2A0.70=1.4A 功率：1.4A 1.4A 0.2=0.4W
6.3.4 降额因子 I级：不宜变动，注意核对能否满足设备尺寸和 质量的要求 III级：可按需作适当变动 6.3.5 降额计算及分析 确定降额等级 明确降额参数和降额量值 利用电/热应力分析计算或测试获得温度和电应力 值 从元器件手册获得额定值 计算降额后的允许值 比较降额后的允许值与实际工作值，判断是否达 到降额要求
第6章_降额设计(2012)
系统或设备的尺寸、重量 增加不大 容易 较低
②确定降额等级
GJB/Z35对不同类型装备推荐应用的降额等级
应 用 范 围 航天器与运载火箭 战略导弹 战术导弹系统 飞机与舰船系统 通信电子系统 武器与车辆系统 地面保障设备 降 额 等 级 最 高 I I I I I I II 最 低 I II III III III III III
降额参数
电源电压 输出电流 频率 最高结温 ℃ 厚膜功率密度 W/cm2 薄膜功率密度 W/cm2 最高结温℃ 最高结温℃ 反向 电压 电流 功率 功率管安全 工作区 最高结温 (Tjm)℃ 集电极-发射极电压 集电极最大允许电流 200 175 ≤150 一般晶体管 功率MOSFET的栅源电压
集 成 电 路
降额设计与电子产品可靠性的关系
降额设计对电子产品的可靠性的影响
MTBF ＝
1
P
该式中：
P
P1 P 2 pn
因此元器件的工作失效率低，产品平均故障间隔时间 MTBF就高。
降额设计的工作过程
①确定降额准则
②确定降额等级 降额设计的工作过程： ③确定降额参数 ④确定降额因子 ⑤降额计算及分析
②确定降额等级
我国国军标GJB/Z35-93《元器件降额准则》—3个等级
降额等级 降额程度 可靠性改善 I级 最大 最大 设备的失效将导致人员 伤亡或装备与保障 设施的严重破坏 II级 中等 适中 设备的失效将可能引起 装备与保障设施的 损坏 III级 最小 较小 设备的失效不会造成人员 和设施的伤亡和破坏
因此要充分重视元器件的降额设计。
降额设计与电子产品可靠性的关系
元器件降额标准(参考)
Ip (%)
IDM (%)
VGS (%)
Vpss (%)
Ip (%)
IDM (%)
VGS (%)
85
80
80
85
90
85
80
85
IC
Vpeak (%)
Pd (%)
Tcase (°C)
Vpeak (%)
Pd (%)
Tcase (°C)
80
80
90
85
80
90
PCB ( Solder Temp)
最高结温
同晶体管
二极管（基准管除外）
电压（不适用于稳压管）
0.60
0.70
0.80
电流
0.50
0.65
0.80
功率
0.50
0.65
0.80
最高结温
Tjm（℃）
200
115
140
160
175
100
125
145
≤150
Tjm-65
Tjm-40
Tjm-20
微波二极管
最高结温
同二极管
基准二极管
可控硅/半导体光电器件
0.75
0.90
电感负载
电感额定电流的
0.50
0.75
0.90
电阻额定电流的
0.35
0.40
0.75
电机负载
电机额定电流的
0.50
0.75
0.90
电阻额定电流的
0.15
0.20
0.35
灯丝负载
灯泡额定电流的
0.50
0.75
0.90
电阻额定电流的
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降额等级
总计分数
I
11~15
II
7~10
III
6
降额参数：
----是指影响元器件失效率的有关性能参数和环境应力参 数
确定依据：失效率模型
不同类型和特点的元器件，其失效率模型是不同的，因 而主要降额参数和关键降额参数均不同，见P155 表6-6
降额因子：
S=工作应力/额定应力 详见P263 附录I
值 从元器件手册获得额定值 计算降额后的允许值 比较降额后的允许值与实际工作值，判断是否达
到降额要求
精品
6.4 降额设计中元器件的结温计算 6.4.1 通过热阻计算结温
精品
小功率器件:
Tj TA RPj
R Tjmax TS / Pjmax
功率器件:
T j TC RPj
精品
6.4.2 结温的近似计算 小功率晶体管: Tj=TA+30 二极管: Tj=TA+20 计算过程: 降额或功率负荷与温度(负荷特性)曲线上 求最大结温计算热阻计算结温
精品
C—硅器件的电应力调整系数
S
P1 P2
P2
2 P2 PT
PT PS
C
精品
关于温度的S 一般不用应力比：最高结温、最高环境温 度、或按元器件的负荷特性曲线降额
6.2.2 降额设计的基本原则 因件而异，适度为宜； 关键元器件应保证按规定降额，一般元器
件可作调整； 各执各法
精品
6.3 降额设计的工作过程
6.3.1 降额准则 GJB/Z35
元器件可靠性降额准则—美国罗姆航空发展中心
电子元器件降额要求和应用准则
精品
6.3.2 降额等级
精品
6.3.3 降额参数
精品
例：电子开关的降额—II级降额 电压：60V0.50=30V 电流：2A0.75=1.5A 功率：1.5A 1.5A 0.2=0.45W 应为0.4W
精品
电应力比的计算 晶体管 单个晶体管/一个管壳中 POP—使用功率, PM—TS (最大额定功率时允 许的最高环境温度)时的 额定功率, C—硅器件的电应力调整系数
硅管: S
POP PM
C
锗管: S
POP PM
精品
两个晶体管/一个管壳中 P1，P2—单管使用功率, PS—单管工作时，工作管在TS (最大额定功率时允 许的最高环境温度)时的额定功率, PT—双管工作时，在TS (最大额定功率时允 许的最高环境温度)时的额定功率,
第六章 元器件的降额使用
6.1 降额设计的定义与目的 ----限制元器件在使用中所承受的应力值低于其 设计的额定值，限制其所承受的应力大小，达到 降低元器件的失效率，提高使用可靠性的目的。
降额因子：元器件实际承受的应力(工作应力)与额 定应力之比，表示降额程度
适度为宜：过高，不起降低失效率作用 过低，效果不显著，影响使用
精品
6.2 降额设计的工作内容与基本原则 6.2.1 工作内容 降额等级：
I----适用：失效将导致人员伤亡、设备严重损坏 II----适用：失效将引起设备严重损坏 III----适用：Байду номын сангаас效引起损害不大
精品
降额例子：P154 表6-2，6-3
精品
确定降额等级需考虑的因素
精品
降额等级与计分的关系
调整：电流：2A0.70=1.4A 功率：1.4A 1.4A 0.2=0.4W
精品
6.3.4 降额因子 I级：不宜变动，注意核对能否满足设备尺寸和 质量的要求 III级：可按需作适当变动
6.3.5 降额计算及分析 确定降额等级 明确降额参数和降额量值 利用电/热应力分析计算或测试获得温度和电应力