电子产品可靠性设计分析方法
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热分析、热设计
热分析、热设计的概念
– 热分析：获得产品的温度分布 – 热设计：采取相应的温度控制措施，控制电子设备的温度
原因与目的
– 电子产品可靠性对温度是非常敏感 – 提高可靠性
热分析的内容与手段
– 温度 – 计算热测
继续
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PPL清单
优选清单格式
序号 元器件名称 精密金属模电 阻器 XX 型飞机电子元器件优选目录（1994） 型号 主要技术 结构外形 适用标准 生产厂家 参数 RJ25-1/2 阻 值 范 Φ 3.9 × RUO.467. 718 厂 围： 10.5 028JT 温 度 范 围： 54LS673 MIL-STD- MOTOROLA 883 适用类别 优选
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降额准则的制定与实施
降额准则的制定
– 在工程型号中制定降额准则，指导降额设计； – 参照GJB/Z-35制定降额准则 – 根据可靠性需求、以往的经验或相似型号的降额准则确定 • 元器件的种类及其在不同重要性要求下的降额等级； • 系统/分系统及其要求的降额等级； • 确定具体的参数应力； – 编制降额准则初稿； – 广泛征求意见，修改降额准则初稿； – 确定正式的“降额准则”；
国外电子元器件的质量等级
国外元器件的质量等级 元器件类别 集成电路 半导体分立器件 有可靠性指标的电容器 有可靠性指标的电阻器 有可靠性指标的射频模制线圈 有可靠性指标的继电器 质量等级 S,S-1,B,B-1,B-2,D,D-1 JANTXV,JANTX,JAN D,C,S,R,B,P,M,L S,R,P,M S,R,P,M R,P,M,L
降额准则说明
100 额 定 70 功 60 率 50 (%) 3级 2级 1级
0
-55
70 环境温度 TA
108 118 126
降额参数 电源电压容限 频 率 输出电压 最高结温
Ι级 ± 3% 0.80 0.80 85
降额等级 Π级 ± 5% 0.90 0.90 100
Ш级 0.95 0.95 115
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降额准则的制定与实施
可靠性设计准则的实施
– 将准则作为“总师”的规范文件下发执行； – 设计人员学习，熟悉准则； – 对照与自己设计部分相关的准则，进行设计，确定参数的应 力值； – 设计人员自查其设计对准则的“符合性”： • 不符合的条款，说明理由“为什么不符合”，并报上一级 设计主管； • 编制准则符合性报告； – 与可靠性预计相结合； – 组织专家评审，进行“符合性”检查； – 对“不符合”的条款，根据其对可靠性影响的程度，决策处 理。
热设计的方法
– 电路板布局 – 散热措施
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热分析、热设计—原因和目的
原因与目的
– 电子产品可靠性对温度是非常敏感，如图所示，但温度生高 时，器件故障率迅速增大；电路板变形 – 合理温度布局，控制温度，提高可靠性
0.30 故障率 0.20 故障数 0.15 微电子器件(CMOS器件) 微电子器件(双级数字电路) 晶体管(硅50%) 可变电阻 电阻 50 100 150 200
– 按国家标准（GB）、国家军用标准（GJB）、“七专”技术 条件（QZJ）、电子工业部标准（SJ）执行 – “七专”产品 • 推荐品种 • 保留品种 • 适用品种
国外电子元器件的优选
– 国外已形成了一系列的军用标准和规范 • 《国外元器件质量等级、命名标志及选购指南》 – 问题 • 忽视检测 • 概念模糊，选择不当：“军用温度范围”当“军品” • 要求不明，采购不当 返回 • 渠道混乱，受骗上当
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元器件的选择与控制
元器件的控制大纲 – 建立元器件控制机构 – 建立控制方案 • 控制策略：全面、重点，即广度与深度 • 控制元器件的名称与种类 • 规定选用的顺序 – 元器件优选清单(PPL) • QPL：Qualified Product List 经过质量鉴定合格的元器 件清单(合格元器件清单) • PPL：Preferred Parts List 优选元器件品清单 – 制定降额准则、热设计准则及其他使用指南 – 元器件筛选 – 对转承制方元器件选用要求及控制 – 对选用非优选元器件的控制程序
分频器
优选
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QPL清单
序 号 产品名 称 产品 型号 军用电子元器件合格产品目录（1995） 质量认证合 详细规 主要性 鉴 制造厂 格证书编号 范编号 能与认 定 名称 及确认 证范围 合 号 格 水 平 COC-P-006 GJB244/ 额定功 L 北京第 -94 2-87 耗： 二无线 阻值范 电器件 围： 厂 允许偏 差： 温度系 数： 生产线 名称及 合格证 书编号 鉴定实 验室名 称 对 应 企 业 型 号
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元器件的正确使用
使用中存在的问题
– – – – – – – – – – 对元器件的性能掌握不够。 测试不当或测量仪器接地不当而烧毁电路。 调机不当，造成损伤 静电损伤值得注意 降额使用 热设计 抗辐射设计 防静电设计 操作过程中的问题 储存与保管的问题
年份 比例（%） 1989 61 使用失效的比例 1990 1991 40 56 1992 45 1993 46
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电子元器件的质量等级
质量等级：是指元器件装机使用之前，在制造、试验及筛 选过程中其质量的控制等级。 它对元器件的失效率有很大 的影响。 目前，预计国外、国内元器件失效率时，用质量系数πQ作 为不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。
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降额设计原则
降额设计原则
– 各类元器件均有一个最佳的降额范围，在此范围内应力变化 对其故障率影响较大。过度的降额也不可取，增加元器件的 数量；降额到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；过度 降额反而有害：大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系 数而且参数稳定性降低；继电器的线包电流不仅不能降低， 反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触； – 电应力降额容易，对温度降额，主要依靠热设计； – 降额提高可靠性，但要综合考虑可靠性、体积、重量和费用 等问题； – 根据设计、可靠性等的需要进行，一般参照GJB/Z-35《元器 件降额准则》。
降额等级
– Ι 级降额：最大适用于故障危及安全、导致任务失败 和造成重大 经济损失的情况； – Π级降额：适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用； – Ш级降额：适用于故障对任务完成影响很小和少量的维修。
降额设计原则 降额准则的制定与实施
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0.1 按 QZJ840614 ～ 840615 “七专” 技术条 件组织生产的Ⅰ，Ⅰ A 类产品 按 “七九○五” 七专 质量控制技术协议组 织生产的产品
0.25
B
B1 B2 C1
0.5 1.0 4.0 14.0
返回
C
C2
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为什么要控制电子元器件的 选择与正确使用
电子元器件是电子、电气系统的基础产品，是能够完成预定 功能而不能再分割的电路基本单元，其自身的可靠性是十分重 要的； 设计人员注重元器件的功能与性能，不关心其“质量等级”； 元器件的采购缺乏“质量等级”概念“，渠道不畅、不稳； 元器件的使用：近一半的元器件失效并非由于元器件本身的 固有可靠性不高，而是由于使用者对元器件选择不当或使用有 误。航天部半导体器件失效分析中心的统计数字：
元器件的选择与控制
目的
– – – – – 保证元器件的性能、质量等应满足产品要求； 保证畅通的采购渠道、稳定的货源； 减少品种； 降低采购费用； 正确的使用。
选择控制的总原则
– 元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足产品要求； – 优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠 道可靠的标准元器件； – 在产品设计时，应最大限度地压缩元器件的品种、规格及其生产 厂点； – 要严格控制新研元器件的使用。
电子产品可靠性设计分析方法
北京航空航天大学可靠性工程研究所 北京现代青亚科技有限公司
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电子产品可靠性设计分析方法
电子元器件的选择与使用(GJB546-88，电子元 器件可靠性保证大纲 ) 降额设计(GJB/Z35-93，元器件降额准则 ) 热分析热设计(GJBZ27-92，电子设备可靠性热 设计手册 ) 环境应力筛选(GJB1032-90，电子产品环境应力 筛选方法 )
措施
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元器件的正确使用
抗辐射设计
– 航天器中使用的元器件：外空间的各种辐射 – 核爆炸环境：高能中子和射线
防静电设计
– 制造过程(人的静电防护) – 储存 – 运输过程
操作过程中的问题
– 安装的机械损伤
储存与保管的问题
(
F / 1 0
6 h )
0.10 0.05 0
温度(℃)
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热分析、热设计—热分析的内容与手段
热分析的内容
– 结点温度：元器件PN结温度，一般是元件的最高温度； – 壳温度：元器件的壳的外表面的温度； – 电路板温度：连续的二维温度分布，各点的温度是厚度方向的平 均值； – 电路板温度梯度：沿着长度方向的温度变化率，也是二维的；
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电子元器件的选择与使用
为什么要控制选择与正确使用电子元器件 电子元器件的质量等级
元器件的选择控制 – 目的 – 原则 – 管理 元器件的正确使用
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有可靠 性指标 的金属 膜固定 电阻器
Leabharlann Baidu
RJK5 3
有可靠 性指标 的金属 膜固定 电阻器 生产线 COC-L001-94
中国电 子产品 可靠性 与环境 试验研 究所质 检中心
返回
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元器件的选择与控制
国产电子元器件的优选顺序
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电子元器件的质量等级
国内元器件的质量等级
半导体集成电路质量系数等级
质量等级 A1 A2 A A3 质量要求说明 执行 GJB597-88 《微电路总规范》 且经军 用电子元器件质量认证合格的 S 级产品 执行 GJB597-88， 且经军用电子元器件质 量认证合格的 B 级产品 执行 GJB4589.1-84《半导体集成电路总 规范》 且经中国电子元器件质量认证委员 ， 会认证合格的Ⅱ类产品； 执行 SJ331-83 《半 导体集成电路总技术条件》的Ⅰ类产品 按 GBJ597-88 的筛选要求进行筛选的 B2 质量等级的产品，执行 SJ331-83 的Ⅱ类产 品 执行 SJ331-83 的Ⅲ类产品 执行 SJ331-83 的Ⅳ类产品 低档产品或用有机材料（如环氧树脂等） 封装的产品 质量要求补充说明 πQ
– 存储环境
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降额设计
降额设计概念与目的
– 降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当降低于 元器件或设备的额定值； – 降低基本故障率、提高使用可靠性的目的（例子：陶瓷电源）；
– 降额主要因素：电应力和温度 – 降额设计的关键：降额的程度与效果；
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热分析、热设计
热分析、热设计的概念
– 热分析：获得产品的温度分布 – 热设计：采取相应的温度控制措施，控制电子设备的温度
原因与目的
– 电子产品可靠性对温度是非常敏感 – 提高可靠性
热分析的内容与手段
– 温度 – 计算热测
继续
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PPL清单
优选清单格式
序号 元器件名称 精密金属模电 阻器 XX 型飞机电子元器件优选目录（1994） 型号 主要技术 结构外形 适用标准 生产厂家 参数 RJ25-1/2 阻 值 范 Φ 3.9 × RUO.467. 718 厂 围： 10.5 028JT 温 度 范 围： 54LS673 MIL-STD- MOTOROLA 883 适用类别 优选
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降额准则的制定与实施
降额准则的制定
– 在工程型号中制定降额准则，指导降额设计； – 参照GJB/Z-35制定降额准则 – 根据可靠性需求、以往的经验或相似型号的降额准则确定 • 元器件的种类及其在不同重要性要求下的降额等级； • 系统/分系统及其要求的降额等级； • 确定具体的参数应力； – 编制降额准则初稿； – 广泛征求意见，修改降额准则初稿； – 确定正式的“降额准则”；
国外电子元器件的质量等级
国外元器件的质量等级 元器件类别 集成电路 半导体分立器件 有可靠性指标的电容器 有可靠性指标的电阻器 有可靠性指标的射频模制线圈 有可靠性指标的继电器 质量等级 S,S-1,B,B-1,B-2,D,D-1 JANTXV,JANTX,JAN D,C,S,R,B,P,M,L S,R,P,M S,R,P,M R,P,M,L
降额准则说明
100 额 定 70 功 60 率 50 (%) 3级 2级 1级
0
-55
70 环境温度 TA
108 118 126
降额参数 电源电压容限 频 率 输出电压 最高结温
Ι级 ± 3% 0.80 0.80 85
降额等级 Π级 ± 5% 0.90 0.90 100
Ш级 0.95 0.95 115
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降额准则的制定与实施
可靠性设计准则的实施
– 将准则作为“总师”的规范文件下发执行； – 设计人员学习，熟悉准则； – 对照与自己设计部分相关的准则，进行设计，确定参数的应 力值； – 设计人员自查其设计对准则的“符合性”： • 不符合的条款，说明理由“为什么不符合”，并报上一级 设计主管； • 编制准则符合性报告； – 与可靠性预计相结合； – 组织专家评审，进行“符合性”检查； – 对“不符合”的条款，根据其对可靠性影响的程度，决策处 理。
热设计的方法
– 电路板布局 – 散热措施
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热分析、热设计—原因和目的
原因与目的
– 电子产品可靠性对温度是非常敏感，如图所示，但温度生高 时，器件故障率迅速增大；电路板变形 – 合理温度布局，控制温度，提高可靠性
0.30 故障率 0.20 故障数 0.15 微电子器件(CMOS器件) 微电子器件(双级数字电路) 晶体管(硅50%) 可变电阻 电阻 50 100 150 200
– 按国家标准（GB）、国家军用标准（GJB）、“七专”技术 条件（QZJ）、电子工业部标准（SJ）执行 – “七专”产品 • 推荐品种 • 保留品种 • 适用品种
国外电子元器件的优选
– 国外已形成了一系列的军用标准和规范 • 《国外元器件质量等级、命名标志及选购指南》 – 问题 • 忽视检测 • 概念模糊，选择不当：“军用温度范围”当“军品” • 要求不明，采购不当 返回 • 渠道混乱，受骗上当
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元器件的选择与控制
元器件的控制大纲 – 建立元器件控制机构 – 建立控制方案 • 控制策略：全面、重点，即广度与深度 • 控制元器件的名称与种类 • 规定选用的顺序 – 元器件优选清单(PPL) • QPL：Qualified Product List 经过质量鉴定合格的元器 件清单(合格元器件清单) • PPL：Preferred Parts List 优选元器件品清单 – 制定降额准则、热设计准则及其他使用指南 – 元器件筛选 – 对转承制方元器件选用要求及控制 – 对选用非优选元器件的控制程序
分频器
优选
世纪培训网(www.123px.com) 国内 最全的管理培训信息和资源中心
QPL清单
序 号 产品名 称 产品 型号 军用电子元器件合格产品目录（1995） 质量认证合 详细规 主要性 鉴 制造厂 格证书编号 范编号 能与认 定 名称 及确认 证范围 合 号 格 水 平 COC-P-006 GJB244/ 额定功 L 北京第 -94 2-87 耗： 二无线 阻值范 电器件 围： 厂 允许偏 差： 温度系 数： 生产线 名称及 合格证 书编号 鉴定实 验室名 称 对 应 企 业 型 号
世纪培训网(www.123px.com) 国内 最全的管理培训信息和资源中心
元器件的正确使用
使用中存在的问题
– – – – – – – – – – 对元器件的性能掌握不够。 测试不当或测量仪器接地不当而烧毁电路。 调机不当，造成损伤 静电损伤值得注意 降额使用 热设计 抗辐射设计 防静电设计 操作过程中的问题 储存与保管的问题
年份 比例（%） 1989 61 使用失效的比例 1990 1991 40 56 1992 45 1993 46
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电子元器件的质量等级
质量等级：是指元器件装机使用之前，在制造、试验及筛 选过程中其质量的控制等级。 它对元器件的失效率有很大 的影响。 目前，预计国外、国内元器件失效率时，用质量系数πQ作 为不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。
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降额设计原则
降额设计原则
– 各类元器件均有一个最佳的降额范围，在此范围内应力变化 对其故障率影响较大。过度的降额也不可取，增加元器件的 数量；降额到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；过度 降额反而有害：大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系 数而且参数稳定性降低；继电器的线包电流不仅不能降低， 反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触； – 电应力降额容易，对温度降额，主要依靠热设计； – 降额提高可靠性，但要综合考虑可靠性、体积、重量和费用 等问题； – 根据设计、可靠性等的需要进行，一般参照GJB/Z-35《元器 件降额准则》。
降额等级
– Ι 级降额：最大适用于故障危及安全、导致任务失败 和造成重大 经济损失的情况； – Π级降额：适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用； – Ш级降额：适用于故障对任务完成影响很小和少量的维修。
降额设计原则 降额准则的制定与实施
世纪培训网(www.123px.com) 国内 最全的管理培训信息和资源中心
0.1 按 QZJ840614 ～ 840615 “七专” 技术条 件组织生产的Ⅰ，Ⅰ A 类产品 按 “七九○五” 七专 质量控制技术协议组 织生产的产品
0.25
B
B1 B2 C1
0.5 1.0 4.0 14.0
返回
C
C2
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为什么要控制电子元器件的 选择与正确使用
电子元器件是电子、电气系统的基础产品，是能够完成预定 功能而不能再分割的电路基本单元，其自身的可靠性是十分重 要的； 设计人员注重元器件的功能与性能，不关心其“质量等级”； 元器件的采购缺乏“质量等级”概念“，渠道不畅、不稳； 元器件的使用：近一半的元器件失效并非由于元器件本身的 固有可靠性不高，而是由于使用者对元器件选择不当或使用有 误。航天部半导体器件失效分析中心的统计数字：
元器件的选择与控制
目的
– – – – – 保证元器件的性能、质量等应满足产品要求； 保证畅通的采购渠道、稳定的货源； 减少品种； 降低采购费用； 正确的使用。
选择控制的总原则
– 元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足产品要求； – 优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠 道可靠的标准元器件； – 在产品设计时，应最大限度地压缩元器件的品种、规格及其生产 厂点； – 要严格控制新研元器件的使用。
电子产品可靠性设计分析方法
北京航空航天大学可靠性工程研究所 北京现代青亚科技有限公司
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电子产品可靠性设计分析方法
电子元器件的选择与使用(GJB546-88，电子元 器件可靠性保证大纲 ) 降额设计(GJB/Z35-93，元器件降额准则 ) 热分析热设计(GJBZ27-92，电子设备可靠性热 设计手册 ) 环境应力筛选(GJB1032-90，电子产品环境应力 筛选方法 )
措施
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元器件的正确使用
抗辐射设计
– 航天器中使用的元器件：外空间的各种辐射 – 核爆炸环境：高能中子和射线
防静电设计
– 制造过程(人的静电防护) – 储存 – 运输过程
操作过程中的问题
– 安装的机械损伤
储存与保管的问题
(
F / 1 0
6 h )
0.10 0.05 0
温度(℃)
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热分析、热设计—热分析的内容与手段
热分析的内容
– 结点温度：元器件PN结温度，一般是元件的最高温度； – 壳温度：元器件的壳的外表面的温度； – 电路板温度：连续的二维温度分布，各点的温度是厚度方向的平 均值； – 电路板温度梯度：沿着长度方向的温度变化率，也是二维的；
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电子元器件的选择与使用
为什么要控制选择与正确使用电子元器件 电子元器件的质量等级
元器件的选择控制 – 目的 – 原则 – 管理 元器件的正确使用
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有可靠 性指标 的金属 膜固定 电阻器
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RJK5 3
有可靠 性指标 的金属 膜固定 电阻器 生产线 COC-L001-94
中国电 子产品 可靠性 与环境 试验研 究所质 检中心
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元器件的选择与控制
国产电子元器件的优选顺序
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电子元器件的质量等级
国内元器件的质量等级
半导体集成电路质量系数等级
质量等级 A1 A2 A A3 质量要求说明 执行 GJB597-88 《微电路总规范》 且经军 用电子元器件质量认证合格的 S 级产品 执行 GJB597-88， 且经军用电子元器件质 量认证合格的 B 级产品 执行 GJB4589.1-84《半导体集成电路总 规范》 且经中国电子元器件质量认证委员 ， 会认证合格的Ⅱ类产品； 执行 SJ331-83 《半 导体集成电路总技术条件》的Ⅰ类产品 按 GBJ597-88 的筛选要求进行筛选的 B2 质量等级的产品，执行 SJ331-83 的Ⅱ类产 品 执行 SJ331-83 的Ⅲ类产品 执行 SJ331-83 的Ⅳ类产品 低档产品或用有机材料（如环氧树脂等） 封装的产品 质量要求补充说明 πQ
– 存储环境
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降额设计
降额设计概念与目的
– 降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当降低于 元器件或设备的额定值； – 降低基本故障率、提高使用可靠性的目的（例子：陶瓷电源）；
– 降额主要因素：电应力和温度 – 降额设计的关键：降额的程度与效果；