第6章 元器件降额设计(2015)

达到；
v 降额报告。
本章内容提要
1 概述 2 降额设计的工作过程 3 降额设计示例 4 降额设计的基本原则 5 元器件结温的计算
降额设计示例
v 多项参数的降额考虑
§ 以电子开关为例
电子开关降额准则
v 降额参数
§ 额定工作电压 § 触点电流 § 触点额定功率
元器件种类
降额参数
小功率负载(＜100mW) 电阻负载 连 电容负载(电阻额定电 流的) 续 电感 电感额定电流的
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。
③确定降额参数
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
§ 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：
降额等级
I级
II级
III级
降额程度 可靠性改善
适用性
设计实现难易 增加的费用
最大
中等
最大
适中
设备的失效将导致人员 设备的失效将可能引起
伤亡或装备与保障
装备与保障设施的
设施的严重破坏
损坏
对设备有高可靠性要求 有高可靠性要求
且采用新技术、新工艺 且采用了某些专门的设
的设计
计
由于费用和技术原因， 设备失效后无法或 需交付较高的维修费用 不宜维修
v 1993年9月该标准上升为GJBZ35-93《元器件降额 准则》；
本章内容提要
1 概述 2 降额设计的工作过程 3 降额设计示例 4 降额设计的基本原则 5 元器件结温的计算
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
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
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。
③确定降额参数
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。
③确定降额参数
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、
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);
0.05
(10-6/h-1)
S=1 SBiblioteka Baidu0.8 S=0.6S=0.4S=0.2
0.03 20 40 60 80 100 120 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；
v 1984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；
改为CA35-16
降额设计的工作过程总结
v 选择合适的降额准则； v 根据装备类型和设备的关键性确定降额等级； v 列出元器件的降额参数； v 按降额准则确定每个降额参数的降额因子； v 降额校验；
§ 对电路中的元器件进行电应力和环境应力分析； § 将获得的工作应力值与额定值进行比较，确定降额设计的要求是否
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
量增加不大
较难
一般
较高
中等
最小 较小 设备的失效不会造成人员 和设施的伤亡和破坏
设备采用成熟的标准设计 故障设备可迅速、经济地
加以修复
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
模拟电路降额设计示例
v 对某型国产运算放大器进行I级降额设计。 v 从数据手册上查得该型号运算放大器的额定值
正电源电压 VCC=+22V； ×0.7=15.4(V） 负电源电压 VEE=-22V； ×0.7=15.4(V） 输入差动电压VID=±20V；×0.6=12(V） 输出短路电流IOS=20mA；×0.7=14(mA） 最高结温 Tjmax=150℃；80℃ 总功率 Ptot=500mW。×0.7=350(mW） 热阻 R=160℃/W；
微波 普通 微波、基准
频率、输出电流、最高结温☆、电源电压 电源电压、输出电流、频率、最高结温☆、电源电压
厚、薄膜功率密度、最高结温☆
频率、输出电流、最高结温☆、电源电压
频率、输出电流、扇出、最高结温☆、电源电压
最高结温☆ 反向电压、电流、功率、最高结温☆、功率管安全工作区的电压和电
流 最高结温☆ 电压(不包含稳压管)、电流、功率、最高结温☆ 最高结温☆
元器件类型
放大器
模拟电路
比较器 模拟开关
主要降额参数和关键降额参数 电源电压、输入电压、输出电流、功率、最高结温☆
电压调整器 电源电压、输入电压、输入输出电压差、输出电流功率、最高结温☆
数字电路
双极型 MOS型
混合集成电路
存储器
双极型 MOS型
微处理器
双极型 MOS型
大规模集成电路
晶体管 二极管
普通
=0.45W>0.4W； 问题是：不满足功率降额的要求； ü 触点流过的电流影响开关的接触可靠性，触点电流是主要降
额参数； ü 保证触点电流的降额，其它参数合理变动； （4）为了满足触点功率的降额，也可将触点电流作进一步的
降额使用； 触点工作电流：2×0.7=1.4A<1.5A， 触点功率为1.4×1.4×0.2=0.4W(与功率降额后的值相等)
属的电路板或部件； § 简要说明未能满足降额要求的元器件的原因，建议采取的措施。
降额设计情况表
序号 元器件名称
关键件、重要件 型号 是(√)否(×)
降额情况
对存在问题是否 有改进措施 是(√)否(×)
1 金属膜电阻器 RJ23
×
2
运算放大器 JF118
×
3 非固体钽电容器 CA35-10
×
┇
┇
┇
满足 满足 II级降额后直流工作电 压小于电路9V要求
降额等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
不降额
0.50
0.75
0.90
0.50
0.75
0.90
0.50
0.75
0.90
开关
触 负载 电阻额定电流的 点 电机 电机额定电流的
0.35 0.50
0.40 0.75
0.50 0.90
电 负载 电阻额定电流的 流 灯泡 灯泡额定电流的
0.15 0.50
0.20 0.75
0.35 0.90
§ 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;
概述
v 元器件工作时承受的电/热应力 λb 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 0.1 电应力的变化（工作温度为40℃）
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
到降额要求。
降额设计报告
v 报告中应列出产品名称、所属系统以及产品内部 组成;
v 产品规定的降额等级，如未规定，则应说明产品 降额等级的确定过程;
v 产品降额设计情况表； v 小结中应至少包括下列内容：
§ 产品中元器件降额等级符合情况； § 产品中关键、重要元器件降额情况； § 单独列出未能达到规定降额要求的元器件目录，并指明该元器件所
负载 电阻额定电流的 0.07-0.08
触 点额定电 压 触点额定功率 （用于舌簧或水银开关）
0.40 0.40
0.10 0.50 0.50
0.15 0.70 0.70
降额设计示例
v 上述表格中的航空开关，触点导通电流(阻性)为2A，额定工 作电压为60V，导通电阻为0.2Ω，用于航空电源电压为直流 28V，采用II级降额。
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。
③确定降额参数
v 对元器件失效率有影响的主要降额参数和关键降额参数
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；
③确定降额参数
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；
应用范围
最高
降额等级
最低
航天器与运载火箭
I
I
战略导弹
I
II
战术导弹系统
I
III
飞机与舰船系统
I
III
通信电子系统
I
III
武器与车辆系统
I
III
地面保障设备
II
III
§ 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
环境
地面 飞行 空间 导弹发射
降额等级
III II I I
③确定降额参数
（1）电压降额 降额后实际工作电压:60×0.5=30V>28V,满足要求；
（2）触点电流降额 降额后的工作电流：2×0.75=1.5A；
（3）触点功率降额 触点额定功率=触点额定工作电流的平方×触点导通电阻
=2×2×0.2=0.8W； 降额后的工作功率为0.8×0.5=0.4W；
降额设计示例
校核一下： 电流降额后，触点的实际工作功率为1.5A×1.5A×0.2 Ω
电压、电流☆ 工作温度☆、负载、低温极限
工作电压☆、工作电流☆ 电流☆、环境温度 电流☆
最低温度、最高温度☆ 温度☆
温度、输出功率☆、反射功率、占空比 输入功率☆
输出功率、电流☆、结温 反向压降☆、结温
环境温度☆、张力、弯曲半径 环境温度☆
④确定降额因子
v 降额因子(S)
§ 表征了元器件降额的程度； § 元器件实际承受的应力（工作应力）与额定应力之比；
③确定降额参数
可控硅
半导体光电器件
电阻器
热敏电阻器
电位器
电容器
电感元件
继电器
开关
电连接器
导线与电缆
旋转电器
灯泡
电路断路器
保险丝
晶体
电真空器件
阴极射线管 微波管
声表面波器件
光源
纤维光学器件
探测器 光纤与光缆
光纤连接器
电压、电流、最高结温☆ 电压、电流、最高结温☆ 电压、功率☆、环境温度
功率☆、环境温度 电压、功率☆、环境温度 直流工作电压☆、环境温度 热点温度☆、电流、瞬态电压/电流、介质耐压、扼流圈电压 触点电流☆、触点功率、温度、振动、工作寿命 触点电流☆、触点电压、功率 工作电压、工作电流☆、接插件最高温度
§ 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。
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
元器件降额设计
北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院
付桂翠 fuguicui@buaa.edu.cn
2015年10月27日
本章内容提要
1 概述 2 降额设计的工作过程 3 降额设计示例 4 降额设计的基本原则 5 元器件结温的计算
概述
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；