第6章 元器件降额设计(2015)

本章内容提要

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v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

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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 II

I 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 I

③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。

v降额参数：

§高结温是对集成电路破坏性最大的应力，器件在工作时，结温要维持比较低的水平；

§器件实际工作频率应低于其额定工作频率，否则功耗会迅速增加；

§对于大规模集成电路，着重改进其封装散热方式，以降低器件的结温，尽可能降低其输入电平及输出电流和工作频率。

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，因此晶体管的功耗和结温须降额；

v降额后通过反向电压、电流、功耗计算结温，如果不满足结温降额要求，应进一步降额。

v功率晶体管有二次击穿现象，应按照安全工作区进行降额。

例三、连接器降额参数为工作电压、工作电流和温度；

v影响连接器可靠性的主要因素有插针/孔材料、接点电流、有源接点数目、插拔次数和工作环境；

v主要是降低其最高工作电压、额定工作电流及最高插针额定温度。

v在较低气压下使用的连接器应进一步降额防止电弧对连接器的损伤。

例四、开关降额参数为触点电流、电压和功率；v影响开关可靠性的主要因素为电流

v开关触点流过的电流情况会严重影响长期工作的开关的接触可靠性；

v开关通过的电压大小，主要影响开关的绝缘。

例五、电阻器和电位器降额参数

v对于固定电阻器和电位器影响其可靠性最重要应力为电压、功率和环境温度。

v对于热敏电阻主要是功率和环境温度。

v各种金属膜和金属氧化膜电阻器在高频工作情况下，阻值下降，在低气压工作情况下，可承受最高工作电压减少。v对于电位器应考虑随大气压力的减少，其承受最高工作电压减少，在低气压应用时应进一步降额。