电子元件的降额

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。在这种情况下，极端负载将导致脆弱零件的失效。

图2：具有低SM 与低LR 的负载与强度分布

图 3 显示的情形具有低的安全裕度与高的载荷粗糙度。这种情况是不合需要的，因为极端应力将导致总体中的大比例失效。

图3：具有低SM 与高LR 的负载与强度分布

由上面各图我们可看到，有几种可能的方式可用于提高总体的可靠性：通过提高安全裕度，或者通过减小负载及/或强度分布的宽度。通常，通过提高平均强度来提高安全裕度成本很高；因此，截短负载分布不失为优选方法，因为其成本低廉。实际上，降额就是一种负载分布截短方法。

降额标准

已有军事之类的机构发布了几种降额准则，以下是一些示例：

∙MIL-STD-975，由NASA 公布，适用于选择太空飞行硬件设计及建造中所用的零件，以及任务关键型地面支持设备。

∙MIL-STD-1547，由美国国防部公布，旨在协助一些电子系统的设计、开发及制造，当宇宙飞船及运载火箭在极端条件下运行时，这些系统有长寿命及/或高可靠性的要求。

∙AS4613，由美国海军公布，其提出的降额要求，旨在实现电子及机电零件的可靠应用。

∙NAVSEA TE000-AB-GTP-010，由美国海军公布，其包含的降额要求及零件选择、应用信息，涉及十种最常用的电气及电子零件。

∙ECSS-Q-30-11A，其在航天组件指导委员会与欧洲航天局的协同授权下进行编写和维护，其包含的降额要求适用于电子、电气及机电元件。

∙MSFC-STD-3012，由NASA 的Marshall 航天飞行中心编写，其提出的电气、电子及机电零件选择、管理及控制要求，适用于Marshall 航天飞行中心项目的航天飞行及任务关键型地面支持设备。

除了军事机构公布的降额标准之外，许多半导体制造商如Freescale 及Hitachi，也提出了自己的降额准则，这些准则融入到电子零件的产品说明书或应用说明中。对于相同的组件而言，不同标准中的降额参数可能会有差异。在下面的示例中，我们将MIL-STD-975M 用于一种电阻器。所用的软件包是ReliaSoft 的Lambda Predict。

示例

表 1 给出了电阻器的特性及降额规范。图 4 是来自Lambda Predict 的降额输出结果。

表1：固定碳电阻器的MIL-STD 975M 降额规范

图4：Lambda Predict 2 中的固定碳电阻器降额示例

在图 4 中，绿线是由MIL-STD-975M 给出的降额曲线。蓝点显示了电阻器在规定工作条件下的工作温度及功率比。对于所显示的情形，电阻器的降额是适当的，因为功率比低于电阻器工作温度的降额线。但是，如果点位于降额曲线上方，则工作条件下的应力将不符合MIL-STD-975M 给出的降额要求。这将意味着电阻器可能会失效；因此，可能须要更换额定值更高的电阻器，或是调整运行条件。