5-可靠性设计-降额设计

1 概述
施加在电子元器件上的电应力，热应力大小直接影响电子元 器件的失效率高低。 爱林（Erying）模型，用来描述承受两种不同应力的寿命模 型，其中一种应力为温度。其一般形式为
寿命 τ=A/SnB exp(Ea/kT)
许多物理现象和化学反应过程，除了温度有关外，还与很多 非温度应力如电压、湿度、机械应力等密切相关，这时，需要 用Eyring模型。它是一种反应速度论模型，它描述了温度、电 压等多种应力和寿命之间的关系。
1.0
2.14×10-1 2.9×10-2 8.26×10-3 1.76×10-3 2.4×10-4
1.0
3.44×10-1 8.68×10-2 3.16×10-2 1.24×10-2 3.15×10-3
CA固定钽电容器
1.0
1.5×10-1 6.9×10-3 2.3×10-3 1.38×10-3
-
2.3 半导体光电器件
•高结温和结点高电压是影响可靠性最重要应力，结温受结点电 流或功率的影响。 •应对其结温、电压、电流进行降额。 •如同上述器件一样，如不满足结温降额要求，可对其电压、电 流进一步降额。
2 主要电子元器件降额应力选取
2.4 集成电路
•在集成电路芯片导体断面上的电流密度很大，致使结温很高，加 速了金属迁移过程及化学反应。 •其降额应从降低结温方面考虑。诸如减少实用功率、瞬态电流， 工作频率应低于额定频率，同时应考虑实施有效的热传递。 •对于线性电路主要降低电源电压（容差）、频率、输出电流、结 温。 •对于大规模集成电路，由于内部参数通常允许的变化范围很小， 应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。
1 概述
降额是有限度的。 超过最佳范围的更大降额，可靠性改善的相对效益下降。而 设备的重量、体积和成本会较快增加。 过度降额会使元器件的正常特性发生变化。 过度降额还可能引入新的失效机理，反而使设备的可靠性下 降。 不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问题。
2 主要电子元器件降额应力选取
0.6～0.7 0.9
0.5～0.6 0.70
样品外观
芯片全貌
电压击穿点
－感性负载反压引起击 穿失效 －器件耐压40V不足
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2 主要电子元器件降额应力选取
2.2 二极管
•不论是通用、开关、稳压或低频、高频或小功率和大功率二极 管，温度仍然是影响其可靠性最重要的应力。 •对所有二极管的功耗和结温必须进行降额。 •应对其反向电压、正向电流、功耗及结温进行降额。 •同晶体管一样，如不满足结温降额要求，应对反向电压、正向 电流及功耗进一步进行降额。 •对工作电压也要进行降额以防止电压击穿。
最高结温 ℃ 80 95 105 0 95 105 80
注：1）电源电压降额后不应小于推荐的正常工作电压。 2）输入电压任何情况下不得超过电源电压。 3）电压调整器的输入电压在一般情况下即为电源电压。
95 105 80 95 105
为保证设备长期可靠的工作，设计应允许集成电路参数容差为：
模拟电路：
2.7 电感元件 •电感元件包括各种线圈和变压器，影响电感元件可靠性的主要应 力是它的热点温度。 •热点温度额定值与线圈的绝缘性能、工作电流、瞬态初始电流及 介质耐压有关。 •由于导线电阻及磁芯磁阻等原因，元件在工作时会发热，线圈中 的过电流或不适当的工作频率均可能使元件过热，引起线圈绝缘老 化，造成短路或开路失效。 •对电感元件主要是降低额定热点温度、工作电流、瞬态电压/电流、 介质耐压。对于扼流圈还要降低额定电压。
可靠性设计－－降额设计
张晓明
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内容提要
1。概述 2。主要电子元器件降额应力选取 3。降额设计应注意的问题 4。降额设计准则
1 概述
定义 降额(derating)：元器件使用中承受的应力低于其额定值，以达 到延缓其参数退化，提高使用可靠性的目的，通常用应力比和 环境温度来表示。 额定值(rating)：元器件规格书允许的最大使用应力值。 应力(stress)：影响元器件失效率的电、热、机械等负载。 应力比(stress ratio)：元器件工作应力与额定应力之比。应力 比又称降额因子。
电压增益：－25％（运算放大器）
－20％（其他）
输入失调电压：＋50％（低失调器件可达300％）
输入失调电流：＋50％或＋50nA
输入偏置电压：±1mV（运算放大器和比较器）
输出电压： ±0.25％（电压调整器）
负载调整率： ±0.20％（电压调整器）
电流放大系数： ±15％（适用于已经筛选的晶体管）
±30％ （适用于未经筛选的晶体管）
漏电流：＋200％
开关时间：＋20％
饱和压降：＋15％
光耦：电流传输比5年下降50%
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运算放大器降额准则应用示例
从数据手册上查得某型号运算放大器的额定值如下：
•
正电源电压 Vcc＝+22V；负电源电压 VEE＝－22V
•
输入差动电压 VID＝± 20V；输出短路电流 IOS＝
输入输出电压差 3） － － － － － － 0.70 0.80 0.85 － － －
输出电流
0.70 0.80 0.80 0.70 0.80 0.80 0.70 0.75 0.80 0.75 0.80 0.85
功率
0.70 0.75 0.80 0.70 0.75 0.80 0.70 0.75 0.80 0.70 0.75 0.80
20mA
•
最高结温
Tjm＝150℃
•
总功率
Ptot＝500mW；热阻θJC＝160℃ /W
•
在70 ℃以上，按－6.25mW/ ℃降额
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根据I级降额为例计算得出：
正电源电压 15.4V
Vcc＝+15.4V；负电源电压 VEE＝－
输入差动电压 VID＝ ±12V； 输出短路电流 IOS＝14mA
晶体管最高结温降额准则
最高结温 Tjm
200 175 不大于 150
Ⅰ 115 100 Tjm－65
降额等级 Ⅱ 140 125
Tjm－40
Ⅲ 160 145 Tjm－20 11/39
马达关时，产生大于100V 反向电压，该电压通过管子 S－G及S－D，引起SG或SD 击穿而失效
产品外观
马达产生的 反向电压
电感元件降额准则
降额参数 Ⅰ
热点温度℃ 工作电流
TH1S－(40~25) 0.6～0.7
瞬态电压/电流
0.9
介质耐压
0.5～0.6
电
压 2）
0.70
注：1）THS 为额定热点温度 2）只适用于扼流圈
降额等级 Ⅱ
THS－（25～10） 0.6～0.7 0.9 0.5～0.6 0.70
Ⅲ THS－（15～0）
二极管反向电压、电流、功率降额准则
降额参数
降额等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
反向电压
0.60
0.70
0.80
电流
0.50
0.65
0.80
功率
0.50
0.65
0.80
注：1）反向电压降额不适用于稳压和基准管。 2）瞬态峰值浪涌电压和瞬态峰值浪涌电流也应按本表进行降额。 3）本表不适用于基准管，只作结温降额。
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2 主要电子元器件降额应力选取
总功率
Ptot＝350mW；最高结温 Tjm＝80℃
根据“输入电压在任何情况下不得超过电源电压”的原则，
输入差动电压VID应 不大于±15V。Ⅱ级和Ⅲ级降额的计算可依此类推。
为了使结温和功率同时满足要求，放大器必须根据不同的
降额等级工作在降额曲线的范围内。
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2 主要电子元器件降额应力选取
2.5 电阻器
2 主要电子元器件降额应力选取
2.6 电容器（电解电容器）
•电解电容器降额的主要参数是电压和环境温度。 •铝电解容器不能在低温和低气压下正常工作。 •使用中电解电容器的直流电压与交流电压之和不得超过降额后的直 流电压。有极性电容器交流峰值电压应小于直流工作电压。 •固体钽电容器在电路设计中应有不小于每伏3欧姆的等效串联阻抗。 •电路设计应允许固体钽电容器有±10%的电容容差和100%的漏电 增量，非固体钽电容器有±15%电容容差和50%的漏电增量， 100% 的损耗系数增加。
使用电压与额定电压的比值
产品类型
1VH
0.8 VH 0.6 VH 0.5 VH 0.4 VH 0.3 VH
CJ10金属化纸电容器
1.0
2.93×10-1 6×10-2 2.19×10-2 6.34×10-3 1.32×10-3
CL12涤纶电容器
CH40纸膜复合电容 器
CY云母电容器
1.0
4.98×10-1 2×10-1 1.15×10-1 5.7×10-2 2.32×10-2
2.1 晶体管
•温度是影响晶体管可靠性最重要的应力，因此晶体管的功耗和 结温须降额，为防止电压击穿，应对其电压进行降额。 •应对晶体管反向电压、电流、功耗及结温进行降额，通过热阻 和降额后的功耗计算结温，如果不满足结温降额要求，应进一步 降额。 •功率晶体管有二次击穿现象，应按照安全工作区进行降额。
晶体管反向电压、电流、功率降额准则
降额参数
降额等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
反向电压 1）
0.60 0.502）
0.70 0.602）
0.80 0.702）
电流 2）
0.60
0.70
0.80
功率
0.50
0.65
0.75
注：1）直流、交流和瞬态电压或电流的最坏组合不得大于降额后的极限值（包括感性负载）。 2）适用于功率 MOSFET 的栅一源电压降额。