器件应力降额总规范艾默生讲义.docx
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器件应力降额总规范艾默生讲义
器件规范
规范编码:
版本:
V2.1
密级:
内部公开
EN研发部
执笔人:
物料品质部
修订:
2005年10月
器件应力降额总规范
艾默生网络能源有限公司
器件规范
规范编码:
版本:
V2.1
密级:
内部公开
EN研发部
执笔人:
物料品质部
修订:
2005年10月
修订信息表
版本
修订人
修订时间
修订内容
V2.0
刘海涛、刘善中、王树明、姚天宝、凌太华、朱勇、杨爱泉、朱吉新、胡全年、胡楠、黎晓东、艾项德、王文建、陈宪涛、陈亚秋、罗眉、易序馥
2002-11-30
1、产品保修期等级及1、II工作区定义;
2、器件应力考核点定义及考核系数调整;
3、增加“器件考核点的测试或计算”说明;
4、器件应力降额查检表修改和调整;
5、增加器件关键用法查检;
6、增加查检器件种类;
V2.1
刘海涛、刘善中、王树明、姚天宝、朱勇、杨爱泉、朱吉新、胡全年、胡楠、王文建、陈宪涛、陈亚秋、罗眉、易序馥
2005-10-30
1、新增“产品额定工作点”定义;
2、对7类器件在产品额定工作点下的关键应力降额系数进行了规定,这些器件包括:
MOSFET、IGBT、晶闸管、整流桥、功率二极
管、三极管、铝电解电容器;
3、除上述器件外,也对部分其它器件,如IC
器件、钽电解、保险管等的1、II区降额系数根
据实际使用情况作了适当的修订;
4、在保险管规范中,新增了“半导体保护用熔
断器”降额规定;
5、对应降额规范的修订,上述器件的“器件工作应力与降额查检表”作了相应的调整。
前言3
1目的3
2适用范围4
3关键词4
4弓丨用/参考标准或资料4
5规范内容4
5.0产品保修期等级、产品I、II工作区、产品额定工作点定义5
5.1功率MOSFET降额规范7
5.2IGBT降额规范14
5.3晶闸管降额规范19
5.4整流桥降额规范24
5.5功率二极管降额规范28
5.6信号二极管降额规范33
5.7稳压二极管降额规范36
5.8TVS器件降额规范39
5.9发光二极管、数码管降额规范44
5.10三极管降额规范46
5.11光耦降额规范51
5.12脉宽调制器降额规范54
5.13数字集成电路降额规范58
5.14运放比较器降额规范60
5.15电压调整器类降额规范62
5.16二次电源模块(BMP)降额规范65
5.17液晶显示模块降额规范68
5.18晶体谐振器降额规范71
5.19晶体振荡器降额规范74
5.20非固体铝电解电容降额规范77
5.21固体钽电解电容器降额规范90
5.22薄膜电容器降额规范94
5.23陶瓷电容器降额规范97
5.24固定金膜、厚膜、网络、线绕电阻器降额规范99
5.25电位器降额规范103
5.26陶瓷NTC热敏电阻器降额规范106
5.27高分子PTC热敏电阻器降额规范109
5.28电磁元件降额规范111
5.29霍尔传感器降额规范114
5.30温度继电器降额规范116
5.31电磁继电器降额规范118
5.32接触器降额规范124
5.33断路器降额规范127
5.34隔离器、刀开关和熔断器组合电器降额规范129
5.35电源小开关降额规范131
5.36信号小开关降额规范133
5.37保险管降额规范135
5.38电连接器降额规范138
5.39风扇降额规范140
5.40蜂鸣器降额规范142
5.41压敏电阻降额规范144
6附录148
6.1低压电器有关降额要求说明148
6.2偏离降额的处理流程150
6.3器件工作应力与降额查检表(V2.1)填写使用说明149
、八,、■
刖言
本规范由艾默生网络能源有限公司研发部发布实施,适用于本公司的产品设计开发及相关活
动。
本规范为《器件应力降额总规范》V2.1版,该版本自发布之日起,其前一版本(V2.0版)
作废;
《器件应力降额总规范》V2.1版主要对V2.0版的以下内容进行了修改:
1、在V2.0版规范I、II工作区定义的基础上,增加了产品“额定工作点”的定义,使规范更全面地覆盖产品应用实际情况;
2、对7类器件在产品额定工作点下的关键应力降额系数进行了规定,这些器件包括:
MOSFE、TIGBT、晶闸管、整流桥、功率二极管、三极管、铝电解电容器;
3、上述器件和部分其它器件(如钽电解、保险管等)的I、II区降额系数根据实际使用情况作了适当的修订,兼顾可靠性与成本,使之更趋合理;
4、在保险管规范中,增加了“半导体保护用熔断器”降额规定;
5、对应降额规范的修订,上述器件的“器件工作应力与降额查检表”作了相应的调整。
本规范由本公司各产品设计开发部门遵照执行;
本规范拟制部门:
中试物料品质试验部;
本规范拟制人:
刘海涛、刘善中、王树明、姚天宝、朱勇、杨爱泉、朱吉新、胡全年、胡
楠、王文建、陈宪涛、陈亚秋、罗眉、易序馥、凌太华、艾相德、黎晓东
本规范批准人:
研发管理办;返回目录
1目的
《器件应力降额总规范》是本公司产品可靠性设计所必须依据的重要的基础规范之一。
通过对器件应力(电应力、热应力)的降额标准的规定和在产品中的实际应用,从而达到降低器件失效率、提高器件使用寿命、增强对供方来料质量的适应性,以及对产品设计容差的适应性,进而最终达到提高产品可靠性水平的目的。
适当的器件应力降额不仅可以提高产品的可靠性,同时还
有助于使产品寿命周期费用最低。
2适用范围
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本规范适用于艾默生网络能源有限公司所有新产品的设计、开发,以及在产产品的优化。
3关键词
降额,冗余设计,可靠性,额定工作点;
4引用/参考标准或资料
Derating,DesignMargin,Reliablity,RatedPoint;
《华为电气器件降额规范》V2.0;
《GJB/Z35-93元器件降额准则》;
《军用电子元器件应用可靠性》;
《元器件生产厂家技术资料和手册》
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5规范内容
5.0产品保修期等级、产品I、II工作区、产品额定工
作点定义
5.0.1产品保修期等级的定义
A级:
保修期为2〜3年。
B级:
保修期为1〜2年。
5.0.2关于I、II工作区、产品额定工作点的定义
产品I工作区:
当电源类产品在正常工作时,应满足产品手册规定的如下条件:
(a)按产品手册规定进行装配。
(b)输出电压在产品手册规定变化范围内,输出功率在额定最小值到最大值间。
(c)输入在产品手册规定的电压和频率范围内。
(d)各种环境条件如温度和湿度等,在产品手册规定的范围内。
下图为电源的输入输出示意图,图中的阴影部分,即为电源的“稳态”工作区(包含极限工
作条件),我们将该区称之为电源的I工作区。
电源在此区域任何点要求能够长时间工作,因此在
此区域下,器件的降额使用要求也比较严格。
(可以这样理解:
I区里面的任何点对应的均是器
在I区中,针对某项应力(如电压)来说,存在某一点(区域),在该点(区域)上器件所
承受的此项应力最大,我们将此点(区域)的情况称为该项应力的I工作区最坏情况。
产品额定工作点:
是指我司产品规格书中所规定的产品标称典型工作条件的组合(主要是输入电压、负载、工
作环境温度等)。
若产品规格书未指明典型工作条件,则以标称工作范围的最大值代替。
产品额定工作点属于产品的I工作区,产品额定工作点基本上代表了产品在市场上的典型运
行情况,因此在产品额定工作点下,对于某些器件来讲,为了保证其低失效率,在该点下的降额
比“I工作区最坏情况”的降额要求更加严格。
产品II工作区:
如图中阴影之外的部分均表示电源工作在II工作区(“暂态”工作区),II工作区是产品短
时间过渡工作的区域,例如开机启动、输入欠压、0C过流保护、0V过压保护、电源负载跳变
(如空载到满载,空载到短路,半载到满载等等)、输入跳变等。
电源风扇停转之后,如有器件仍在工作,则也必须对器件应力考核点加以考虑测试(尤其是
发热元件可能出现的最高温度),该情况亦规定为电源工作在II区。
(可以这样理解:
II区虽然是电源工作时也将碰到的情况,但II区里面的点对应的则是器件
短暂时间工作的点。
)
同样在II区中,针对某项应力来说,器件可能遭受到的最坏情况我们称为该项应力的II工作
区最坏情况。
由于电源工作在II区的时间一般来说很短,因此在此情况下器件的降额百分比不如I区严
格。
但必须注意,实际情况中II区的器件应力往往比I区大得多,如果实际设计时疏忽了此区
域的降额,则很有可能导致损坏(例如在开机、输出短路等情况下的损坏,等等)。
II工作区最坏情况代表器件在II区最恶劣的情况,它往往是多种条件的组合,例如功率管最
高的结温可能发生在“最低压输入;最高工作环境温度;满载输出到短路的瞬间”等多种条件组合。
因此在实际的测试过程中这种最恶劣的点往往需要依靠我们耐心地寻找以及依靠经验的积累。
另:
在具体的设计应用时,器件的应力应该满足本规范所规定的降额百分比,若因某些特殊
原因超过降额规定时,则必须严格按照本降额总规范中第43节的《偏离降额的处理流程》来进行
操作。
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5.1功率MOSFE降额规范
5.1.1产品保修期等级及产品I、II工作区、产品额定工作点简要说明
产品保修期等级:
分为AB两个等级,A级指保修期为2〜3年,B级指保修期为1〜2年。
I、II工作区:
产品的I工作区指产品“正常”工作区域,即产品手册所规定的输入/输出(环
境温度/电压/电流/功率等)所允许变化的区域,是器件长期工作的区域。
该区中的存在某一点
(或区域),对应器件某项参数的最大应力,称为I区该项应力的最坏情况;II工作区指产品“异
常”工作区域,即在开/关机、输入过/欠压保护、输出过压/过流保护、输入/负载跳变、风扇故障停转等“异常”工作情况器件短时间工作区域。
在该区域中的某一点对应器件某项参数的最大应力,称为II区该项应力最坏情况。
产品额定工作点是指我司产品规格书中所规定的产品标称典型工作条件的组合(主要是输入电压、负载、工作环境温度等)。
若产品规格书未指明典型工作条件,则以标称工作范围的最大值代替。
详细情况可以参见本降额总规范第5.0节《产品保修期等级与产品I、II工作区、产品额定工
作点的定义》。
5.1.2器件应力限制
5.1.2.1漏源电压Vds(平台电压和尖峰电压)
在最坏的情况下,漏源电压Vds的平台电压部分必须满足下表:
应力考核点
产品工作区域
器件规格
B级产品
A级产品
Vds平台电压
产品额定工作
占
八、、
额定值小于等于
500V的MOSFET
v80%额定击穿电压
V75%额定击穿电压
额定值大于500V的
MOSFET
V75%额定击穿电压
V70%额定击穿电压
I工作区最坏情况注1
额定值小于等于
500V的MOSFET
v90%额定击穿电压
V85%额定击穿电压
额定值大于500V的
MOSFET
V85%额定击穿电压
v80%额定击穿电压
在最坏的情况下,漏源电压的尖峰电压高度必须满足下表:
应力考核点
产品工作区域
B级产品
A级产品
Vds尖峰电压
产品额定工作点任1
V95%额定击穿电压
v90%额定击穿电压
注O
I工作区最坏情况2
v100%额定击穿电压
v95%额定击穿电压
注O
II工作区最坏情况2
注°
满足《功率MOSFET雪崩降额规定》2
注1:
对于额定工作点和I工作区,电压尖峰底部的时间宽度必须小于工作周期的1/50,当不满
足此条件时,那么对于尖峰中大于工作周期1/50宽度的部分必须按平台降额的要求进行考核。
对
于II工作区(瞬态情况)电压尖峰宽度不作此要求,只要求电压最大值(不论平台和尖峰)不超过额定电压即可。
注2:
对于II工作区(瞬态情况),对于当电压尖峰超过额定击穿电压时,可以参照本节附录《功率MOSFE雪崩降额规定》处理,如果满足该规范,就不再通过《偏离降额的处理流程》进行处理。
5.1.2.2栅源电压Vgs
在最坏的情况下,栅源电压Vgs(包含负栅源负偏压)必须满足下表:
应力考核点
产品工作区域
B级产品
A级产品
栅源电压Vgs
I工作区最坏情况(含产品额定工作点)
V85%额定击穿电压
II工作区最坏情况
v100%额定击穿电压
在保证Vgs降额的同时,还应尽量避免栅极电压波形出现振荡和毛刺,如果设计中无法避免
时,必须仔细检查这种振荡和毛刺是否会引起MOSFE误导通(通过对比检查Vds和Id波形)。
另外,要求采取相应的措施,保证开机时栅极电位没有“悬浮起来不为零”。
(例如,在GS
间并联一个10KQ以上的电阻可以有效防止栅极电位因静电等原因而悬浮。
)
5.1.2.3结温Tj
在最坏的情况下,MOSFE最高结温Tj必须满足下表:
应力考核点
产品工作区域
B级产品
A级产品
最冋稳态纟口温
产品额定工作点
v80%最高允许结温
v70%最高允许结温
I工作区最坏情况
v85%最高允许结温
v75%最高允许结温
最咼瞬态结温
II工作区最坏情况
v95%最高允许结温
注:
I区中最高稳态结温Tj通常发生在最高环境温度和最大负载条件下。
II区中最高瞬态结温
Tj通常发生在开机、短路瞬时大电流尖峰等异常情况下。
5.1.2.4漏极电流Id
在最坏的情况下,漏极电流Id必须满足下表:
应力考核点
产品工作区域
B级产品
A级产品
漏极电流均方根有效值
产品额定工作点
V70%相应壳温下的额定电流值
V60%相应壳温下的额定电流值
I工作区最坏情况
V80%相应壳温下的额定电流值
V70%相应壳温下的额定电流值
漏极瞬态电流最大值
II工作区最坏情况
V70%额定峰值电流Idm
注:
随着壳温升高,MOSFE的额定电流将下降,厂家资料通常给出了Tc=25C下的额定电流
值以及额定电流Id〜Tc的变化关系曲线。
5.1.3降额考核点的测试或估算
5.1.3.1漏源电压Vds
在实际测量时,可以采用100MHz存贮示波器测试结果作为是否超出降额规定的判定数据。
但需要注意的是,必须要尽其所能地寻找到真正最坏的应力条件。
例如,在“正常”的I工作
区中,最高Vds平台电压,通常出现在输入电压最高或其他条件组合的时候。
在“异常”工作区II
中,最恶劣的Vds尖峰电压,可能发生在短路瞬间,也可能发生在开机瞬间,或者发生在负载跳变等其他时刻。
5.1.3.2栅源电压的测量
同上可以采用100MHz存贮示波器的测试结果作为判定数据。
5.1.3.3器件壳温Tc的测量与结温Tj的估算
可以采用点温计测试器件的壳温,要注意必须测试该器件在最坏情况下的壳温。
例如当整机工作在最高的环境温度下,同时又处于满载输出、整机机壳密圭寸时,该器件的壳温可能为最高。
壳温测试点原则上必须是器件本身壳体的散热片上对应内部芯片中部的点,在实际测试过程中如果器件散热片紧贴外部散热器而无法进行测试时,也可以测试器件壳体上离散热片最近点的温度来近似作为器件壳温。
如果器件本身外部壳体无散热片,则以器件外部壳体上最热点作为器件的壳温。
结温的估算公式为:
Tj=Tc+P*Rthjc(P为MOSFET的功耗,Rthjc为MOSFET结到壳的热
阻。
)
5.1.3.4漏极电流的测量
采用电流枪串入电路中进行直接测试。
必要时可以加长电路引线以保证电流枪的串入。
但引
线应该尽可能地短。
在某些情况下,为了方便,也可以测试MOSFET附近回路元件的应力参数(如电流互感器、
电流取样电阻等),来近似计算流过MOSFET的漏极电流。
5.1.4器件应力降额检查表及详细填写要求
见下面所附文件:
01功率K細HT丄惟
应力与陽離推楡表*注冃口m
5.1.5附录:
《功率MOSFET雪崩降额规定》
1.目的
因为当MOSFET的D、S端被电压尖峰雪崩击穿后,MOSFET有可能不受到损坏。
本规范的目
的在于:
规定我司产品中MOSFET可以被雪崩击穿程度的界限,以便于产品测试过程中进行操作控制。
2.适用范围
适用于公司内所有电源产品。
3.引用/参考标准或资料
《电力半导体器件应用指南》——IR(西安电子技术研究所编译)
《HEXFETIII:
ANEWGenerationofPowerMOSFETsInternational
RectifierApplicationNoteAN966》
《CoolMOS--theultimatepowerMOSFET》Infineon
《IR、IXYS、FSC、Toshiba、ST等厂家产品手册》
《产品保修期等级与I、II工作区、额定工作点的定义》Avansys:
《元器件降额规
范》
4.内容
4.1MOSFET在产品额定工作点以及产品I工作区的雪崩降额:
在该种情况下,不允许MOSFET出现雪崩击穿状态。
即在产品上不允许出现MOSFET长
期的、周期性的电压尖峰超过器件额定电压值的使用情况。
4.2MOSFET在产品II工作区的雪崩降额:
由于在II工作区都是一种时间很短的状态(如开关机;输入、负载跳变等),产品实际运行
发生该情况的几率很小,同时即使发生了,时间也非常短暂,加上器件本身具有一定的耐雪崩能力,因此,在该情况,可以允许MOSFET发生一定的电压尖峰超标(雪崩击穿),但必须满足
下列条件:
4.2.1除二次电源外其他电源产品的MOSFET在II工作区的雪崩降额:
一旦MOSFET发生电压尖峰超标(雪崩击穿),则必须要求实际计算雪崩能量(1/2X击穿
电压X雪崩电流X雪崩时间)小于厂家器件资料对应温度下的雪崩额定值参数,同时必须进行以下实验,即在48小时内,在模块可能出现的最坏工作条件下(如模块最高工作温度、电压最高、尖峰宽度最大等情况),不少于2Pcs样机的MOSFET承受6000次以上的相同的雪崩击穿冲击(例如负载跳变冲击),各样机仍然符合测试要求,各MOSFET仍然保持完好。
达到此条
件,方可认为合格。
4.2.2二次电源产品MOSFET在II工作区的雪崩降额:
因为目前我司的二次电源在工作时,其输入电压比较稳定,同时依据目前市场上二次模块的实际运行情况,适当放宽二次电源模块II工作区下的雪崩降额。
⑴当产品在II工作区MOSFET电压尖峰超标(雪崩击穿),同时又满足下列条件时,可以直接通过。
♦在这种超标虽然发生在产品规定输入电压范围内,但不能发生在标准输入Vin±10%以
内。
例如,当输入电压为53V±10%以内时,不允许发生雪崩击穿。
♦发生电压尖峰超标(雪崩击穿)时,MOSFET的器件外壳最热点温度不能超过105C(包
含可能出现的最恶劣条件)。
♦发生电压尖峰超标(雪崩击穿)时,MOSFET电压尖峰对应的起始雪崩电流不能超过器件额定值Id。
♦超过Vds额定值部分其波头的最大宽度不能超过100nS。
♦如果在该短暂时间内有连续多个波头Vds超标,则波头数目不能超过30个。
⑵当产品在II工作区MOSFET电压尖峰超标(雪崩击穿)不满足⑴中的各条件时,则必须要求实际计算雪崩能量(1/2X击穿电压X雪崩电流X雪崩时间)小于厂家器件资料对应温度下
的雪崩额定值参数,同时必须在24小时内,在模块可能出现的最坏工作条件下(如模块最高工
作温度、电压最高、尖峰宽度最大等情况),不少于5Pcs模块的MOSFET连续承受3000次以
上的相同的雪崩击穿冲击(例如负载跳变冲击),各模块仍然符合测试要求,各MOSFET仍然
保持完好。
达到此条件,方可认为合格。
5.说明
本规定的解释权为物料品质试验部。
该规范将由物料品质试验部根据对MOSFET研究的
不断深入,电源在市场上的实际运行情况,以及依据MOSFET本身技术的不断发展而进行及时
更新。
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5.2IGBT降额规范
器件应力考核点:
正向电压Vce,反向电压VEC,集电极平均电流Ic,
集电极脉冲电流ICM,结温TJ,栅极电压VGE。
5.2.1产品保修期等级及产品I、II工作区、产品额定工作点简要说明
产品保修期等级:
分为AB两个等级,A级指保修期为2〜3年,B级指保修期为1〜2年。
I、II工作区:
产品的I工作区指产品“正常”工作区域,即产品手册所规定的输入/输出(环
境温度/电压/电流/功率等)所允许变化的区域,是器件长期工作的区域。
该区中的存在某一点
(或区域),对应器件某项参数的最大应力,称为I区该项应力的最坏情况;II工作区指产品“异
常”工作区域,即在开/关机、输入过/欠压保护、输出过压/过流保护、输入/负载跳变、风扇故障停转等“异常”工作情况器件短时间工作区域。
在该区域中的某一点对应器件某项参数的最大应力,称为II区该项应力最坏情况。
产品额定工作点是指我司产品规格书中所规定的产品标称典型工作条件的组合(主要是输入
电压、负载、工作环境温度等)。
若产品规格书未指明典型工作条件,则以标称工作范围的最大
值代替。
详细情况可以参见本降额总规范第5.0节《产品保修期等级与产品I、II工作区、产品额定工
作点的定义》。
5.2.2器件应力限制
5.2.2.1正向电压VCe和反向电压Vec
IGBT工作时主要承受正向电压VCE,在不带反并二极管应用时应考核反向电压VEC的降
额。
取最大峰值电压值计算降额,最坏情况下,允许电压降额系数为:
应力考核点
产品工作区
B级产品
A级产品
最咼止向(C-E)峰值电压Vce
产品额定工作点
v80%额定电压
V75%额定电压
I工作区最坏情况
v90%额定电压
V85%额定电压
n工作区最坏情况
v100%额定电压
最高反向(E-C)峰值电压Vec
i、n工作区最坏情况
v90%额定电压
注:
产品过载工作时的电压应力按I工作区最坏情况要求进行考核。
5.2.2.2集电极平均电流Ic、集电极脉冲电流Icm
集电极电流的降额考核分平均电流和脉冲电流两项,但脉冲电流的考核只在电流波形同时
满足以下三条件时有考核要求:
①、工作频率小于10KHZ,②、电流波形的峰值大于对应温度
下的平均电流额定值,③电流峰值高出平均值部分的宽度大于O.lmS。
在换算成同一壳温条件
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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