电子元器件的可靠性应用
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集成稳压器
线性稳压器>开关电源 线性稳压器带输出过流保护和芯片热保护 开关稳压器不带串联调整管
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
数字集成电路的选择
CMOS>NMOS>TTL 能用低速的就不用高速的，高速器件只用在关键的地方 能用集成度高的就不用集成度低的 不同类型的同类电路（如CMOS和TTL逻辑电路）不宜混用，
以防延迟时间不同造成干扰 输入抗干扰能力要强（带施密特触发器或线接收器） 输出驱动能力要强（带缓冲器或线驱动器） Mask ROM>EPROM>EEPROM>Flash ROM
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
时钟频率的选择
在满足电路要求的前提下，采用尽可能低的时钟频率
遵循标准
GJB/Z35《元器件降额准则》
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.3 元器件降额使用
于抵抗外界气氛侵入
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
晶体管与稳压器的选择
二极管与三极管
慎用锗管（工作温度范围小） 慎用点接触器件（机械强度差） VDMOS功率管优于双极功率管（安全工作区大，无二次击穿，功耗
小，速度快） 电压、电流、功率留有足够的余量
2.1 元器件质量等级 供货商应提供的可靠性信息
详细规范及符合的标准（国军标、国标、行标、企标） 质量等级（GJB/Z299B )与可靠性水平（失效率、寿命等） 认证情况（QPL、QML、PPL、IECQ） 成品率、工艺控制水平和批量生产情况（SPC） 采用的工艺和材料（最好能提供工艺控制数据和材料参数指标） 可靠性试验数据（加速与现场，环境与寿命，近期及以往） 使用手册与操作规范
2.1 元器件质量等级
Ａ级（特军级）
A2级：单片0.1 A3级：单片0.25，混合0.5
B级（普军级）
B1级：单片0.5，混合1.0 B2级：单片1.0，混合3.0
C级（民用级）
C1级：单片4.0，混合8.0 C2级：单片14.0（塑料封装）
国产集成电路质量等级
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
航空设备 维修费用较高
宇航及导弹 可迅速、经济
系统
地维修
设计 难度 最大
较大
较小
合理选择降额参数
提高寿命：最高允许结温 抵抗浪涌应力：电压，电流 抵抗热应力：温度范围，最高允许结温，电流 抵抗潮湿应力：温度范围
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.3 元器件降额使用
供货渠道可靠的品牌公司或国内代理商 在产品长期使用中质量稳定可靠的老供货商 能提供委托方的产品质量证明或试验检测报告的供货商 无不合格的性能指标参数 不是已停止生产或不再供货的产品
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
质量、成品率与可靠性
质量：出厂检验或老化筛选中发现的有缺陷器件数 成品率：批量器件中的合格器件数 可靠性：经历一年以上的上机时间后的失效器件数
微电子器件的降额使用
原理
工作温度每上升10℃ ，器件的退化速率增加1倍 使用功率降低到额定功率的1/2，器件失效率降低为额定失效率的1/4
方法
工作应力<额定应力 线路设计（电降额）
结构设计（热降额）
作用
延长寿命 提高抵抗过应力的安全余量
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.3 元器件降额使用
降额应合理(1)
合理选择降额等级
降额 等级
I级
II级
可靠性 改善程度
最大
较大
应用场合
设备失效将导致人员伤亡或 装备与保障设施的严重破坏 设备失效将导致装备与保障 设施的破坏
III级
中等
设备失效不会导致人员伤亡 或装备与保障设施的破坏
典型应用 场合
地面设备
设备可维修性
无法维修或不 宜维修
电容器的选择
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
瓷介电容器的选择
类型 温度系数（额定工作范围） 容量随工作电压的变化（最大值）
介电常数（相对值）
COG、NPO ～0 ～0
10～100
X7R <12% 30％ 2000～4000
Y5V、Z5U >70% 70％
5000～25000
2.2 元器件选择要点
封装的选择:表面贴装
SMT有利于可靠性的原因
引线极短：降低了分布电感和电容，提高了抗干扰能力 机械强度高：提高了电路抗振动和冲击的能力 装配一致性好：成品率高，参数离散性小
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
引线及钝化材料的选择
2.3 元器件降额使用 微电子器件的最大额定值
定义
极限参数 器件使用时的工作条件及环境条件的最大允许值 功能约束＋可靠性约束
分类
电流最大额定值：极限电流 电压最大额定值：击穿电压 温度最大额定值：最高允许结温(塑料封装125~150℃，金属封装150～
200℃，化合物器件150～175 ℃），最低允许结温（0～-55 ℃） 功率最大额定值：取决于最高允许结温和热阻
2.2 元器件选择要点
电阻器的选择
金属膜RJ：环境温度范围宽（－55～＋125 ℃），噪声小，精度高 碳膜RT：环境温度范围小（<40 ℃），噪声大，价格低 金属氧化膜RY：耐热性、稳定性、机械性能好，在直流电压和潮湿 环境下工作易发生还原反应
线绕RX；噪声极低，温度系数很小，体积较大，阻值做不大 合成膜RH：温度系数和精度一般，失效率比RJ低0.5个量级，比RT 低1个量级
一般而言，器件的质量与成品率越高，可靠性越好。但质量与成品 率相同的器件，可靠性并非完全相同
2.2 元器件选择要点
封装的选择:封装材料
塑料封装：成本低，气密性差，吸潮，承受功率小，易老化，不易散热 陶瓷封装：气密性好，耐高温，承受功率大，成本高 金属封装：气密性好，耐高温，承受功率较大，屏蔽效果好，成本高
被干扰性：碳膜>金属膜>线绕 干扰性：线绕>金属膜>碳膜
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
失效率：涤纶<聚苯乙烯<玻璃釉 <瓷片<密封纸介<金属化纸介<固体 钽电解<液体钽电解<铝电解 容量稳定性与低漏电：固体钽电解 >液体钽电解>铝电解 带负荷能力：无机介质>高分子有 机介质>电解
放大器增益控制则应选择“先通后断”型，以防运放瞬时短路
带输入过载保护
采样/保存电路
信号变化速率较高：选孔径时间较少的品种
保存时间较长：选保持状态漏电小的品种
采样频率较高：选捕获时间足够小的品种
精度要求较高：选电荷转移足够小的品种
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
上升/下降时间为1ns的理想60MHz方波的频谱
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
电源与地的引脚较近 多个电源及地线引脚 输出电压波动性小 电源瞬态电流低 开关速率可控 I/O端口与传输线匹配 差动信号传输 地线反射较低 对ESD及其它干扰现象的抗扰性好 输入电容小 输入级驱动能力不超过实际应用的要求
电磁兼容性好的IC
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2.2 元器件选择要点
模拟集成Fra Baidu bibliotek路的选择
集成运算放大器
差模与输入极限电压尽量高
带输入、输出、电源端保护电路
转换速率够用即可
数据采集电路
优先选择CMOS开关
数据采集系统中应选“先断后通”型，以防各信号源相互短路
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2.2 元器件选择要点
封装的选择:管脚形式
有引脚元件：寄生电感1nH/mm/引脚（越短越好），寄生电容4pF/引脚 无引脚元件：寄生电感0.5nH/端口，寄生电容0.3pF/端口 表面贴装>放射状引脚>轴面平行引脚
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Al>Cu（国内现有工艺） 钝化材料：SiN>PSG>聚烯亚胺
无机>有机 键合材料：Au>Al(Si） 电路形式：数/模分离>数/模合一
RF/BB分离>RF/BB合一
键合材料与引线机械强度的关系
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2.2 元器件选择要点
国外元器件选用
对于设备关键部位和国家重点工程所用的国外集成电路要通过 MIL-STD883试验，分立半导体器件的质量要符合MIL-S-19500的 要求
电子元器件的 可靠性应用
第2章 电子元器件的选用
主讲：庄奕琪
本章概要
元器件质量等级 元器件选择要点 元器件降额应用
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.1 元器件质量等级
国产元器件的质量规范
质量与可靠性标准
国家标准GB 国家军用标准GJB 电子行业标准SJ 七专技术条件QZT（专批、专技、专人、专机、专料、专检、专卡，
引线涂覆形式的选择
镀金：环境适应性好，易焊性佳，成本高 镀锡：易焊性好，环境适应性一般，成本中等 热焊料浸渍涂覆：质量最差
内部钝化材料的选择
芯片表面涂覆有机涂层或有机薄膜：慎用 芯片表面淀积有无机材料薄膜：可用
内部气氛
真空封装：抗辐照，对管壳密封性要求高 惰性气体封装：易形成污染及电离气体，有利
降额应合理(2)
合理选择降额因子
降额因子一般为0.7-0.8，不宜<0.5 降额过度的后果
增加了整机的成本、体积和重量 增加了设计难度 减少了电路的动态范围 引入 新的失效机理 降额过度的实例 功率双极晶体管：电流降额过度使hFE显著下降 塑料封装器件：功率降额过度使湿气的影响上升 电子管：灯丝电压降额过度使阴极表面杂质吸附严重
宇航级
S级：0.25 S-1：0.75
军用级
B级：1.0 B-1级：2.0 B-2级：5.0
民用级
D级：10.0 D-1级：20.0
工作温度范围 ▪军用：-55~+125℃ ▪工业用：-40~+85℃ ▪商业用： 0~+70℃
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QZJ8406）
质量与可靠性规范
中国军用电子元器件合格产品目录（JQPL） 中国军用电子元器件合格制造厂一览表（JQML） 中国电子元器件质量认证委员会认证合格产品（IECQ） 优选元器件清单（PPL，如美国军用电气、电子、机电元件清单MIL-STD-
975M） 使用规范与用户手册
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2.1 元器件质量等级
国产元器件的优选等级
使用时应依据Ⅰ→Ⅱ →Ⅲ的顺序选用： I：列入军用电子元器件QPL、QML表的产品 II：工程应用效果良好，近期有生产供货的产品 III：近年按国家军用电子元器件新品研制计划完成的新品
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2.1 元器件质量等级 美国集成电路的质量等级
率高） 考查生产厂家的工艺水平、质量控制能力和产品信誉 选用能提供完善的可靠性应用指南或规范的器件
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2.2 元器件选择要点 考察器件制造工艺水平
以集成电路为例： 最小线条： 0.35>0.25>0.18>0.13um 衬底材料：
CMOS>SOI>SiGe>GaAs>SiC 互连材料：Cu>Al（国外先进工艺）
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2.2 元器件选择要点
品种型号的选择原则
尽量选用标准和通用器件，慎重选用新品种和非标准器件 尽量压缩元器件的品种、规格及生产厂点 多选用集成电路，少选用分立器件 不用无功能及质量检测手段的器件 注重器件制造技术的成熟性（长期、连续、稳定、大批量，成品
注意
工作额定值与最大额定值之间应留有充分的余量 用户不要直接测试最大额定值 多个参数不要同时接近最大额定值
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2.3 元器件降额使用 实例：最大额定值选用不当
单稳态多谐振荡器
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2.3 元器件降额使用
线性稳压器>开关电源 线性稳压器带输出过流保护和芯片热保护 开关稳压器不带串联调整管
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2.2 元器件选择要点
数字集成电路的选择
CMOS>NMOS>TTL 能用低速的就不用高速的，高速器件只用在关键的地方 能用集成度高的就不用集成度低的 不同类型的同类电路（如CMOS和TTL逻辑电路）不宜混用，
以防延迟时间不同造成干扰 输入抗干扰能力要强（带施密特触发器或线接收器） 输出驱动能力要强（带缓冲器或线驱动器） Mask ROM>EPROM>EEPROM>Flash ROM
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2.2 元器件选择要点
时钟频率的选择
在满足电路要求的前提下，采用尽可能低的时钟频率
遵循标准
GJB/Z35《元器件降额准则》
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.3 元器件降额使用
于抵抗外界气氛侵入
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
晶体管与稳压器的选择
二极管与三极管
慎用锗管（工作温度范围小） 慎用点接触器件（机械强度差） VDMOS功率管优于双极功率管（安全工作区大，无二次击穿，功耗
小，速度快） 电压、电流、功率留有足够的余量
2.1 元器件质量等级 供货商应提供的可靠性信息
详细规范及符合的标准（国军标、国标、行标、企标） 质量等级（GJB/Z299B )与可靠性水平（失效率、寿命等） 认证情况（QPL、QML、PPL、IECQ） 成品率、工艺控制水平和批量生产情况（SPC） 采用的工艺和材料（最好能提供工艺控制数据和材料参数指标） 可靠性试验数据（加速与现场，环境与寿命，近期及以往） 使用手册与操作规范
2.1 元器件质量等级
Ａ级（特军级）
A2级：单片0.1 A3级：单片0.25，混合0.5
B级（普军级）
B1级：单片0.5，混合1.0 B2级：单片1.0，混合3.0
C级（民用级）
C1级：单片4.0，混合8.0 C2级：单片14.0（塑料封装）
国产集成电路质量等级
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航空设备 维修费用较高
宇航及导弹 可迅速、经济
系统
地维修
设计 难度 最大
较大
较小
合理选择降额参数
提高寿命：最高允许结温 抵抗浪涌应力：电压，电流 抵抗热应力：温度范围，最高允许结温，电流 抵抗潮湿应力：温度范围
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2.3 元器件降额使用
供货渠道可靠的品牌公司或国内代理商 在产品长期使用中质量稳定可靠的老供货商 能提供委托方的产品质量证明或试验检测报告的供货商 无不合格的性能指标参数 不是已停止生产或不再供货的产品
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
质量、成品率与可靠性
质量：出厂检验或老化筛选中发现的有缺陷器件数 成品率：批量器件中的合格器件数 可靠性：经历一年以上的上机时间后的失效器件数
微电子器件的降额使用
原理
工作温度每上升10℃ ，器件的退化速率增加1倍 使用功率降低到额定功率的1/2，器件失效率降低为额定失效率的1/4
方法
工作应力<额定应力 线路设计（电降额）
结构设计（热降额）
作用
延长寿命 提高抵抗过应力的安全余量
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.3 元器件降额使用
降额应合理(1)
合理选择降额等级
降额 等级
I级
II级
可靠性 改善程度
最大
较大
应用场合
设备失效将导致人员伤亡或 装备与保障设施的严重破坏 设备失效将导致装备与保障 设施的破坏
III级
中等
设备失效不会导致人员伤亡 或装备与保障设施的破坏
典型应用 场合
地面设备
设备可维修性
无法维修或不 宜维修
电容器的选择
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
瓷介电容器的选择
类型 温度系数（额定工作范围） 容量随工作电压的变化（最大值）
介电常数（相对值）
COG、NPO ～0 ～0
10～100
X7R <12% 30％ 2000～4000
Y5V、Z5U >70% 70％
5000～25000
2.2 元器件选择要点
封装的选择:表面贴装
SMT有利于可靠性的原因
引线极短：降低了分布电感和电容，提高了抗干扰能力 机械强度高：提高了电路抗振动和冲击的能力 装配一致性好：成品率高，参数离散性小
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
引线及钝化材料的选择
2.3 元器件降额使用 微电子器件的最大额定值
定义
极限参数 器件使用时的工作条件及环境条件的最大允许值 功能约束＋可靠性约束
分类
电流最大额定值：极限电流 电压最大额定值：击穿电压 温度最大额定值：最高允许结温(塑料封装125~150℃，金属封装150～
200℃，化合物器件150～175 ℃），最低允许结温（0～-55 ℃） 功率最大额定值：取决于最高允许结温和热阻
2.2 元器件选择要点
电阻器的选择
金属膜RJ：环境温度范围宽（－55～＋125 ℃），噪声小，精度高 碳膜RT：环境温度范围小（<40 ℃），噪声大，价格低 金属氧化膜RY：耐热性、稳定性、机械性能好，在直流电压和潮湿 环境下工作易发生还原反应
线绕RX；噪声极低，温度系数很小，体积较大，阻值做不大 合成膜RH：温度系数和精度一般，失效率比RJ低0.5个量级，比RT 低1个量级
一般而言，器件的质量与成品率越高，可靠性越好。但质量与成品 率相同的器件，可靠性并非完全相同
2.2 元器件选择要点
封装的选择:封装材料
塑料封装：成本低，气密性差，吸潮，承受功率小，易老化，不易散热 陶瓷封装：气密性好，耐高温，承受功率大，成本高 金属封装：气密性好，耐高温，承受功率较大，屏蔽效果好，成本高
被干扰性：碳膜>金属膜>线绕 干扰性：线绕>金属膜>碳膜
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
失效率：涤纶<聚苯乙烯<玻璃釉 <瓷片<密封纸介<金属化纸介<固体 钽电解<液体钽电解<铝电解 容量稳定性与低漏电：固体钽电解 >液体钽电解>铝电解 带负荷能力：无机介质>高分子有 机介质>电解
放大器增益控制则应选择“先通后断”型，以防运放瞬时短路
带输入过载保护
采样/保存电路
信号变化速率较高：选孔径时间较少的品种
保存时间较长：选保持状态漏电小的品种
采样频率较高：选捕获时间足够小的品种
精度要求较高：选电荷转移足够小的品种
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上升/下降时间为1ns的理想60MHz方波的频谱
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
电源与地的引脚较近 多个电源及地线引脚 输出电压波动性小 电源瞬态电流低 开关速率可控 I/O端口与传输线匹配 差动信号传输 地线反射较低 对ESD及其它干扰现象的抗扰性好 输入电容小 输入级驱动能力不超过实际应用的要求
电磁兼容性好的IC
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
模拟集成Fra Baidu bibliotek路的选择
集成运算放大器
差模与输入极限电压尽量高
带输入、输出、电源端保护电路
转换速率够用即可
数据采集电路
优先选择CMOS开关
数据采集系统中应选“先断后通”型，以防各信号源相互短路
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.2 元器件选择要点
封装的选择:管脚形式
有引脚元件：寄生电感1nH/mm/引脚（越短越好），寄生电容4pF/引脚 无引脚元件：寄生电感0.5nH/端口，寄生电容0.3pF/端口 表面贴装>放射状引脚>轴面平行引脚
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Al>Cu（国内现有工艺） 钝化材料：SiN>PSG>聚烯亚胺
无机>有机 键合材料：Au>Al(Si） 电路形式：数/模分离>数/模合一
RF/BB分离>RF/BB合一
键合材料与引线机械强度的关系
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2.2 元器件选择要点
国外元器件选用
对于设备关键部位和国家重点工程所用的国外集成电路要通过 MIL-STD883试验，分立半导体器件的质量要符合MIL-S-19500的 要求
电子元器件的 可靠性应用
第2章 电子元器件的选用
主讲：庄奕琪
本章概要
元器件质量等级 元器件选择要点 元器件降额应用
Copyright by Yiqi Zhuang 2005
2.1 元器件质量等级
国产元器件的质量规范
质量与可靠性标准
国家标准GB 国家军用标准GJB 电子行业标准SJ 七专技术条件QZT（专批、专技、专人、专机、专料、专检、专卡，
引线涂覆形式的选择
镀金：环境适应性好，易焊性佳，成本高 镀锡：易焊性好，环境适应性一般，成本中等 热焊料浸渍涂覆：质量最差
内部钝化材料的选择
芯片表面涂覆有机涂层或有机薄膜：慎用 芯片表面淀积有无机材料薄膜：可用
内部气氛
真空封装：抗辐照，对管壳密封性要求高 惰性气体封装：易形成污染及电离气体，有利
降额应合理(2)
合理选择降额因子
降额因子一般为0.7-0.8，不宜<0.5 降额过度的后果
增加了整机的成本、体积和重量 增加了设计难度 减少了电路的动态范围 引入 新的失效机理 降额过度的实例 功率双极晶体管：电流降额过度使hFE显著下降 塑料封装器件：功率降额过度使湿气的影响上升 电子管：灯丝电压降额过度使阴极表面杂质吸附严重
宇航级
S级：0.25 S-1：0.75
军用级
B级：1.0 B-1级：2.0 B-2级：5.0
民用级
D级：10.0 D-1级：20.0
工作温度范围 ▪军用：-55~+125℃ ▪工业用：-40~+85℃ ▪商业用： 0~+70℃
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QZJ8406）
质量与可靠性规范
中国军用电子元器件合格产品目录（JQPL） 中国军用电子元器件合格制造厂一览表（JQML） 中国电子元器件质量认证委员会认证合格产品（IECQ） 优选元器件清单（PPL，如美国军用电气、电子、机电元件清单MIL-STD-
975M） 使用规范与用户手册
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2.1 元器件质量等级
国产元器件的优选等级
使用时应依据Ⅰ→Ⅱ →Ⅲ的顺序选用： I：列入军用电子元器件QPL、QML表的产品 II：工程应用效果良好，近期有生产供货的产品 III：近年按国家军用电子元器件新品研制计划完成的新品
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2.1 元器件质量等级 美国集成电路的质量等级
率高） 考查生产厂家的工艺水平、质量控制能力和产品信誉 选用能提供完善的可靠性应用指南或规范的器件
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2.2 元器件选择要点 考察器件制造工艺水平
以集成电路为例： 最小线条： 0.35>0.25>0.18>0.13um 衬底材料：
CMOS>SOI>SiGe>GaAs>SiC 互连材料：Cu>Al（国外先进工艺）
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2.2 元器件选择要点
品种型号的选择原则
尽量选用标准和通用器件，慎重选用新品种和非标准器件 尽量压缩元器件的品种、规格及生产厂点 多选用集成电路，少选用分立器件 不用无功能及质量检测手段的器件 注重器件制造技术的成熟性（长期、连续、稳定、大批量，成品
注意
工作额定值与最大额定值之间应留有充分的余量 用户不要直接测试最大额定值 多个参数不要同时接近最大额定值
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2.3 元器件降额使用 实例：最大额定值选用不当
单稳态多谐振荡器
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2.3 元器件降额使用