第6章 元器件降额设计(2015)
本章内容提要
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;§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:
§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、振动、碰撞和跌落;
冲击、
概述
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℃)
λb
0.1) 1-h /6-01(0.05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;
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
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
降额等级降额程度可靠性改善
I 级最大最大
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对设备有高可靠性要求
适用性
且采用新技术、新工艺
的设计由于费用和技术原因,
设备失效后无法或
不宜维修系统或设备的尺寸、重
量将有显著增加
设计实现难易增加的费用
较难较高
II 级中等适中
设备的失效将可能引起
装备与保障设施的
损坏有高可靠性要求且采用了某些专门的设
计需交付较高的维修费用系统或设备的尺寸、重
量增加不大
一般中等
系统或设备的尺寸、重量
增加不大
容易较低III 级最小较小
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
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
应用范围航天器与运载火箭
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
降额等级
最高I I I I I I II
最低I II III III III III 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
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;
§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、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
元器件类型
放大器比较器
模拟电路模拟开关
电压调整器
数字电路
双极型MOS 型
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☆
电源电压、输入电压、输入输出电压差、输出电流功率、最高结温☆
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☆
混合集成电路
双极型
存储器
MOS 型双极型
微处理器
MOS 型
大规模集成电路晶体管
普通微波
二极管
普通微波、基准
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
阴极射线管
电真空器件
微波管
声表面波器件
光源探测器
纤维光学器件
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
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;
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);
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
关键件、重要件是(√) 否(×)
对存在问题是否有改进措施是(√) 否(×)
序号元器件名称型号降额情况
123
金属膜电阻器RJ23运算放大器JF118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
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达到;
v 降额报告。
本章内容提要
降额设计示例
v 多项参数的降额考虑
§以电子开关为例
v 降额参数
§额定工作电压§触点电流§触点额定功率
电子开关降额准则
元器件种类
降额参数
降额等级
Ⅰ
ⅡⅢ
小功率负载(<不降额电阻负载
0.500.750.90连电容负载(电阻额定电
流的)
0.500.750.90续电感电感额定电流的0.500.750.90触负载电阻额定电流的
0.350.400.50开关
点电机电机额定电流的0.500.750.90电负载电阻额定电流的0.150.200.35流灯泡灯泡额定电流的0.50
0.750.90负载电阻额定电流的0.07-0.08
0.100.15触点额定电压0.400.500.70触点额定功率(用于舌簧或水银开关)
0.40
0.50
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。(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=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
触点功率为1.4×1.4×0.2=0.4W(与功率降额后的值相等)
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
模拟集成电路的降额准则
正电源电压V CC =+22V;×0.7=15.4(V)负电源电压V EE =-22V;
×0.7=15.4(V)
元器件种类
电源电压输入电压
放大器
输出电流功率最高结温(℃) 降额参数
Ⅰ0.700.600.700.7080
降额等级
Ⅱ0.800.700.800.7595
Ⅲ0.800.700.800.80105
输入差动电压V ID =±20V ;×0.6=12(V)输出短路电流I OS =20mA;×0.7=14(mA)最高结温T jmax =150℃;80℃总功率热阻
P tot =500mW。×0.7=350(mW)R=160℃/W;
电阻器降额设计示例
v 电阻器降额
说明
电阻器降额曲线电压
合成型电阻器功率
环境温度I II III0.750.500.750.600.750.70按元件负荷特性曲线降额
电容器降额设计示例
v 典型电容器的降额曲线I II III
钽电解直流工作电压
环境温度(℃) 0.50T AM -200.60T AM -200.70T AM -20
本章内容提要
降额设计的基本原则1
v 关键元器件应保证满足规定的降额因子。一般元器件的降额因子允许做适量调整。
§各类元器件均有一个最佳的降额范围(参见GJB/Z35);§在某规定值附近变动, 对设备可靠性的影响不会很大;§多项降额参数的降额时,尽可能符合关键降额参数的降额, 个别影响不大的参数应允许作适当的改变。
降额设计的基本原则2
v 对电子元器件进行降额应用时,不能将所承受的各种应力孤立看待,应进行综合权衡。§集成电路的电压、电流、功率与结温;
§开关的电流降额与功率降额;
§电阻器的功率与门限电压;
降额设计的基本原则3
v 有些元器件参数不能降额;
§如:继电器的线包电流不仅不能降低,之上,否则影响可靠的接触。反而应在额定值
降额设计的基本原则4
v 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;
§会使元器件的特性发生变化;
§导致元器件数量不必要的增加,设备重量、体积和成本增加;§无法找到合适的元器件;
v 实例
§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;
§某些电容,如独石电容器、聚苯乙烯电容器等在应力比接近0.1时,会导致元器件降额太大而产生低电平失效;
§小功率继电器的触点电应力降额过大,也会出现不正常。
降额设计的基本原则3
v 不应采用过度的降额来弥补选用低于要求质量等级的元器件;同样,也不能由于采用了高质量等级的元器件,而不进行降额设计。
§靠降额来提高质量等级偏低元器件的工作可靠性不可取; §靠降额来提高有严重缺陷元器件个体的工作可靠性不可取; §靠降额来弥补线路设计不当不可取;
§靠降额来弥补元器件选择不当不可取;
本章内容提要
降额设计中元器件结温的计算v 确定集成电路或晶体管工作时的实际结温的目的:
§在降额设计中判定是否满足降额等级的要求;
v 只能得到元器件允许的最大额定结温、最高工作环境温度或壳温
§通过热阻计算结温
•什么是热阻
§结温的近似计算
•什么是结温
通过热阻计算结温
v 半导体器件典型的功率负荷与温度(负荷特性)曲线如图
T S ——最大额定功率时允许的
最高环境温度(通常是25℃) ;
T (max) ——最高结温;
T A ——环境温度;
T C ——管壳温度。
通过热阻计算结温
v 小功率器件的结温等于环境温度加上热阻和器件功率耗散的乘积
T j = TA + RPj
T j ——结温,℃;
T A ——环境温度,℃;
R ——结与管壳间的热阻,℃/W;
P j ——平均耗散功率,W 。例∶计算二极管2DG711的热阻。从手册中可查到P j(max)=500mW;T j(max)=175℃;T S =25℃;经计算知R=(175-25)/0.5= 300℃/W。v 热阻值R=(Tj(max)-T S )/Pj(max)
T j(max)——器件的允许最大额定结温,℃;
T S ——最大额定功率的设计环境温度上限,通常为25℃;
P j(max)——器件的最大额定功率,W 。
热阻值是恒定的。
通过热阻计算结温
v 功率器件的结温等于管壳温度加上热阻与器件耗散功率之积
T j = TC + RPj
T j ——结温,℃;
T C ——管壳温度,℃;
R ——结与管壳间的热阻,℃/W。
结温的近似计算
v 晶体管和二极管
§小功率:晶体管T j =TA +30
二极管T j =TA +20
§中功率:晶体管T j =TC +30
二极管T j =TC +20
v 集成电路
§集成电路门数不大于30个或晶体管数不大于120个(不包括存储器) ∶
T j =TA +10
§集成电路门数大于30个或晶体管数大于120个,以及所有存储器∶
T j =TA +25
v 低功耗TTL 及MOS 电路∶
§
§门数不大于30个或晶体管数不大于120个;T j =TA +5
门数大于30个或晶体管数大于120个;
T j =TA +13
课堂作业
v 降额设计包括哪些过程?
v 从手册中查到装有引线的某器件P j(max)=700mW,T j(max)=150℃,T S =25℃,计算其热阻。