GBZ35-93电子元器件降额的基本准则.doc

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中华人民共和国国家军用标准

元器件降额准则

GJB/Z35-93

Deratingcriteriaforelectrical,electronicandelectromechanicalparts

1范围

1.1主题内容

本标准规定了电子、电气和机电元器件（以下简称元器件）在不同应用情况下应降额的参数及其量值；同时提供了若干与降额使用有关的应用指南。

1.2适用范围

本标准适用于军用电子设备的设计。

其它电子设备亦可参照使用。

2引用文件

GJB450-88装备研制与生产的可靠性通用大纲

GJB451-90可靠性维修性术语

GJB/Z299A-91电子设备可靠性预计手册

3定义

除下列术语外，本标准所用的其他术语及其定义见GJB451。

3.1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。

3.2额定值rating

元器件允许的最大使用应力值。

3.3应力stress

影响元器件失效率的电、热、机械等负载。

3.4应力比stressratio

元器件工作应力与额定应力之比。

应力比又称降额因子。

4一般要求

4.1降额等级的划分

通常元器件有一个最佳降额范围。

在此范围内，元器件工作应力的降低对其失效率的下降有显著的改善，设备的设计易于实现，且不必在设备的重量、体积、成本方面付出大的代价。

应按设备可靠性要求、设计的成熟性、维修费用和难易程度、安全性要求，以及对设备重量和尺寸的限制因素，综合权衡确定其降额等级。

在最佳降额范围内推荐采用三个降额等级。

a.Ⅰ级降额

Ⅰ级降额是最大的降额，对元器件使用可靠性的改善最大。

超过它的更大降额，通常对元器件可靠性的提高有限，且可能使设备设计难以实现。

Ⅰ级降额适用于下述情况：

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，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；系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。

b.Ⅱ级降额

Ⅱ级降额是中等降额,对元器件使用可靠性有明显改善。

Ⅱ级降额在设计上较Ⅰ级降额易于实现。

Ⅱ级降额适用于下述情况：

设备的失效将可能引起装备与保障设备的损坏；有高可靠性要求，且采用了某些专门的设计；需支付较高的维修费用。

c.Ⅲ级降额

Ⅲ级降额是最小的降额，对元器件使用可靠性改善的相对效益最大，但可靠性改善的绝对效果不如Ⅰ级和Ⅱ级降额。

Ⅲ级降额在设计上最易实现。

Ⅲ级降额适用于下述情况：

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；对设备的尺寸、重量无大的限制。

4.2不同应用推荐的降额等级

根据4.1条的规定，对不同应用推荐的降额等级见表1。

表1不同应用的降额等级

应用范围

降额等级

最高

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

4.3降额的限度

降额可以有效地提高元器件的使用可靠性，但降额是有限度的。

通常，超过最佳范围的更大降额，元器件可靠性改善的相对效益下降，见附录A（参考件）。

而设备的重量、体积和成本却会有较快的增加。

有时过度的降额会使元器件的正常特性发生变化，甚至有可能找不到满足设备或电路功能要求的元器件；过度的降额还可能引入元器件新的失效机理，或导致元器件数量不必要的增加，结果反而会使设备的可靠性下降。

4.4降额量值的调整

不应将本标准所推荐的降额量值绝对化。

降额是多方面因素综合分析的结果。

本标准规定的降额值考虑了设计的可行性和与可靠性要求相吻合的设计限制。

在实际使用中由于条件的限制，允许降额值作一些变动，即某降额参数可与另一参数彼此综合调整，但不应轻易改变降额等级（如从Ⅰ级降额变到Ⅱ级降额）。

某些情况下，超过本标准所提出的降额量值的选择可能是合理的，但也应在认真权衡的基础上作出。

还应指出，与本标准规定的降额量值间的小的偏差，通常对元器件预计的失效率不会有大的影响。

4.5确定降额量值的工作基础

降额量值的工作基础可分为以下三种情况，在应用中应予以注意：

a.对大量使用数据进行过分析，并对元器件应力与可靠性关系有很好的认识（表2中的A类）；

b.供分析的使用数据有限，或结构较复杂。

但对元器件的应力可靠性关系有一定的认识（表2中的B类）；

c.由于技术较新，或受到器件所在设备中组合方式的限制，至今尚无降额的应用数据

可供参考。

但研究了它们的结构和材料，作出降额的工程判断（表2中的C类）

表2降额量值确定的基础

降额工作基础分类

元器件类别

A

集成电路,半导体分立器件,电阻器,电位器,电容器

B

电感元件,继电器,开关,旋转电器,电连接器,线缆,灯泡,电路断路

器,保险丝

C

电真空器件,晶体,声表面波器件,激光器件,纤维光学器件

4.6元器件的质量水平

必须根据产品可靠性要求选用适合质量等级的元器件。

不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问题。

5详细要求

5.1集成电路降额准则

5.1.1概述

集成电路分模拟电路和数字电路两类。

根据其制造工艺的不同,可按双极型和MOS（CMOS）型，以及混合集成电路分类。

集成电路芯片的电路单元很小，在导体断面上的电流密度很大，因此在有源结点上可能有很高的温度。

高结温是对集成电路破坏性最大的应力。

集成电路降额的主要目的在于降低高温集中部分的温度，降低由于器件的缺陷而可能诱发失效的工作应力。

延长器件的工作寿命。

中、小规模集成电路降温的主要参数是电压、电流或功率，以及结温。

大规模集成电路主要是降低结温。

5.1.2应用指南

5.1.2.1所有为维持最低结温的措施都应考虑。

可采取以下措施：

a.器件应在尽可能小的实用功率下工作；

b.为减少瞬态电流冲击应采用去耦电路；

c.当工作频率接近器件的额定频率时，功耗将会迅速增加，因此器件的实际工作频率应低于器件的额定频率；

d.应实施最有效的热传递，保证与封装底座间的低热阻，避免选用高热阻底座的器件。

5.1.2.2双极型数字电路电源电压须稳定，其容差范围如下：

a.Ⅰ级降额：

±3％；

b.Ⅱ级降额：

±5％；

c.Ⅲ级降额：

按相关详细规范要求。

5.1.2.3主要参数的设计容差

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：

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+5nA

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）

数字电路：

输入反向漏电流：

+100％

扇出：

-20％

频率：

-10％

5.1.3降额准则

5.1.3.1模拟电路

模拟电路降额准则见表3。

其中：

a.电源电压从额定值降额；

b.输入电压从额定值降额；

c.输出电流从额定值降额；

d.功率从最大允许值降额；

e.结温降额给出了最高允许结温。

表3模拟电路降额准则

放大器

比较器

电压调整器

模拟开关

降额参数

降额等级

降额等级

降额等级

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

电源电压

0.70

0.80

0.80

0.70

0.80

0.80

0.70

0.80

0.80

0.70

0.80

0.85

输入电压

0.60

0.70

0.70

0.70

0.80

0.80

0.70

0.80

0.80

0.80

0.85

0.90

输入输出电压差

—

—

—

—

—

—

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

最高结温℃

80

95

105

80

95

105

80

95

105

80

95

105

注：

1）电源电压降额后不应小于推荐的正常工作电压。

2）输入电压在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。

5.1.3.2数字电路

5.1.3.2.1双极型数字电路

双极型数字电路降额准则见表4。

其中：

a.电源电压给出了额定值的容差（见5.1.2.2条）；

b.频率从额定值降额；

c.输出电流从额定值降额；

d.结温降额给出了最高允许结温。

表4双极型数字电路降额准则

降额参数

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

频率

0.80

0.90

0.90

输出电流

0.80

0.90

0.90

最高结温℃

85

100

115

注：

1）输出电流降额将使扇出减少，可能导致使用器件的数量增加，反而使设备的预计可靠性下降。

降额时应防止这种情况发生。

5.1.3.2.2MOS型数字电路

MOS型数字电路降额准则见表5。

其中：

a.电源电压从额定值降额；

b.输出电流从额定值降额；

c.频率从额定值降额；

d.结温降额给出了最高允许结温。

表5MOS型数字电路降额准则

降额参数

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

电源电压

0.70

0.80

0.80

输出电流

0.80

0.90

0.90

频率

0.80

0.80

0.9

最高结温℃

85

100

115

注：

1）电源电压降额后不应小于推荐的正常工作电压；输入电压在任何情况下不得超过电源电压。

2）仅适用于缓冲器和触发器，从的最大值降额；工作于粒子辐射环境的器件需要进一步降

额。

5.1.3.3混合集成电路

组成混合集成电路的器件均应按本标准有关规定实施降额。

混合集成电路基体上的互连线，根据采用工艺的不同，其功率密度及最高结温应满足表6的规定。

表6混合集成电路降额准则

降额参数

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

厚膜功率密率

7.5

薄膜功率密度

6

最高结温℃

85

100

115

5.1.3.4大规模集成电路

大规模集成电路由于其功能和结构的特点，内部参数通常允许的变化范围很小。

因此其降额应着重于改进封装散热方式，以降低器件的结温。

使用大规模集成电路时，在保证功能正常的前提下，应尽可能降低其输入电平、输出电流和工作频率。

5.1.4降额准则的应用

表3～6给出了各种集成电路的降额因子及允许的最高结温。

除另有说明外，一般仅需以电参数的额定值乘以相应的降额因子，即得到了降额后的电参数值。

得到降额参数值后，还需计算相应电参数降额后的结温，见附录C（参考件）。

如结温不能满足表中所示的最高结温降额要求，在可能的情况下电参数需进一步降额，以尽可能满足结温的降额要求。

线性集成电路及数字集成电路的降额计算示例见附录B（参考件）中B1条。

5.2晶体管降额准则

5.2.1概述

晶体管按结构可分为双极型晶体管、场效应晶体管、单结晶体管等类型；按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和微波晶体管；按耗散功率可分为小功率晶体管和大功率晶体管（简称功率晶体管）。

所有晶体管的降额参数是基本相同的，它们是电压、电流和功率。

但对MOS型场效应晶体管、功率晶体管和微波晶体管的降额又有特殊的要求。

高温是对晶体管破坏性最强的应力，因此晶体管的功耗和结温须进行降额；电压击穿是导致晶体管失效的另一主要因素，所以其电压须降额。

功率晶体管有二次击穿的现象，因此要对它的安全工作区进行降额。

5.2.2应用指南

5.2.2.1功率晶体管在遭受由于多次开关过程所致的温度变化冲击后会产生“热疲劳”失效。

使用时要根据功率晶体管的相关详细规范要求限制壳温的最大变化值。

5.2.2.2预计的瞬间电压峰值和工作电压峰值之和不得超过降额电压的限定值。

5.2.2.3为保证电路长期可靠的工作，设计应允许晶体管主要参数的设计容差为：

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％

5.2.3降额准则

5.2.3.1晶体管反向电压、电流、功耗的降额

晶体管反向电压、电流、功耗的降额准则见表7。

其中：

a.反向电压从额定反向电压降额；

b.电流从额定值降额；

c.功率从额定功率降额。

表7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

0.60

0.70

0.80

反向电压

0.50

0.60

0.70

电流

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。

5.2.3.2晶体管最高结温的降额。

晶体管最高结温的降额。

根据晶体管相关详细规范给出的最高结温而定，降额后的最高结温见表8。

表8晶体管最高结温降额准则°C

最高结温

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

200

115

140

160

175

100

125

145

不大于150

—65

—40

—20

5.2.3.3功率晶体管安全工作区的降额

功率晶体管安全工作区的降额见表9。

表9晶体管安全工作区降额准则

降额参数

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

集电极-发射极电压

0.70

0.80

0.90

集电极最大允许电流

0.60

0.70

0.80

5.2.3.4微波晶体管的降额

由于分布参数的影响，微波晶体管不能按独立变量来考虑降额，但应按表8的规定进行结温降额。

5.2.4降额准则的应用

表7、表8给出了晶体管的降额因子及允许的最高结温。

以参数的最大允许值乘以表7的降额因子即得到了降额后允许的电压、电流和功率。

得到这些参数后，还需计算结温，见附录C（参考件）。

如结温不能满足最高结温的降额要求，在可能的情况下需将参数进一步降额，以尽可能满足结温降额要求。

为了防止二次击穿，对功率晶体管还应进行安全工作区降额。

根据晶体管最大安全工作区的特性曲线及表9的降额因子，可用作图法求得功率晶体管降额后的安全工作区。

晶体管的降额准则应用示例见附录B（参考件）中B2条。

5.3二极管降额准则

5.3.1概述

二极管按功能可分为普通、开关、稳压等类型二极管；按工作频率可分为低频、高频和微波二极管；按耗散功率（或电流）可分为小功率（小电流）和大功率（大电流）二极管。

所有二极管需要降额的参数是基本相同的。

高温是对二极管破坏性最强的应力，所力对二极管的功率和结温必须进行降额；电压击穿是导致二极管失效的另一主要因素，所以二极管的电压也需降额。

5.3.2应用指南

5.3.2.1为保证电路长期可靠的工作，设计应允许二极管主要参数的设计容差为：

正向电压：

±10％

稳定电压：

±2％（适用于稳压二极管）

反向漏电流：

＋200％

恢复和开关时间：

＋20％

5.3.3降额准则

5.3.3.1二极管反向电压、电流、功率的降额

二极管反向电压、电流、功率的降额准则见表10。

其中：

a.反向电压从反向峰值工作电压降额；

b.电流从最大正向平均电流降额；

c.功率从最大允许功率降额。

表10二极管反向电压、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管和基准管。

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。

5.3.3.2二极管最高结温的降额

二极管最高结温的降额，根据二极管相关详细规范给出的最高结温而定，降额后的最高结温见表11。

表11二极管最高结温降额准则

最高结温（）

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

200

115

140

160

175

100

125

145

不大于150

—60

—40

—20

5.3.3.3微波二极管降额

微波二极管降额的限制与微波晶体管相同，见5.2.3.4条。

5.3.5降额准则的应用

表10、表11给出了的二极管的降额因子及允许的最高结温。

以参数的最大允许值乘以表10的降额因子即得到了降额后允许的电压、电流和功率。

得到这些参数后，还需计算结温，见附录C（参考件）。

如结温不能满足最高结温降额要求，在可能的情况下需将参数进一步降额，以尽可能满足结温降额要求。

二极管的降额准则应用示例见附录B（参考件）中B3条。

5.4可控硅降额准则

5.4.1概述

可控硅又称闸流管,是以硅单晶为主要材料制成的包括三个P-N结的双稳态半导体器件。

高温是对可控硅破坏性最强的应力，所以对可控硅的额定平均通态电流和结温必须进行降额；电压击穿是导致可控硅失效的另一主要因素，所以可控硅的电压也需降额。

5.4.2应用指南

5.4.2.1不允许控制极─阳极间电位低于额定值。

5.4.2.2超过正向最大电压或反向阻断电压，可使器件突发不应有的导通。

应保证“断态”电压与瞬态电压最大值之和不超过额定的阻断电压。

5.4.2.3为保证电路长期可靠的工作，设计应允许可控硅主要参数的设计参数容差为：

控制极正向电压降：

±10％

漏电流：

＋200％

开关时间：

＋20％

5.4.3降额准则

可控硅电压、电流和最高结温的降额准则见表12和表13。

其中：

a.电压从额定值降额；

b.电流从额定平均通态电流降额；

c.最高结温降额根据可控硅相关详细规范给出的最高结温而定。

表12可控硅电压、电流降额准则

降额参数

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

电压

0.60

0.70

0.80

电流

0.50

0.65

0.80

表13可控硅最高结温降额准则℃

最高结温（）

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

200

115

140

160

175

100

125

145

不大于150

—60

—40

—20

5.4.4降额准则的应用

表12、表13给出了可控硅的降额因子及允许的最高结温。

以参数的最大允许值乘以表12降额的因子即得到了降额后允许的电压、电流值。

得到这些参数值后，还需计算结温，见附录C（参考件）。

如结温不能满足最高结温的降额要求，在可能的情况下需将参数进一步降额，以尽可能满足结温降额要求。

可控硅降额准则应用示例见附录B（参考件）中B4条。

5.5半导体光电器件降额准则

5.5.1概述

半导体光电器件主要有三类：

发光、光敏器件或两者的组合。

发光类器件主要有发光二极管、发光数码管；光敏类器件有光敏二极管、光敏三极管；常有的光电组合器件是光电耦合器，它由发光二极管和光敏三极管组成。

高结温和结点高电压是半导体光电器件主要的破坏性应力，结温受结点电流或功率的影响，所以对半导体光电器件的结温、电流或功率均需进行降额。

5.5.2应用指南

5.5.2.1发光二极管驱动电路必须限制电流，通常用一个串联的电阻来实现。

5.5.2.2一般不应采用经半波或全波整流的交流正弦波电流作为发光二极管的驱动电流。

如果确要使用，则不允许其电流峰值超过发光二极管的最大直流允许值。

5.5.2.3在整个寿命期内，驱动电路应允许光电耦合器电流传输比在降低15％的情况下仍能正常工作.

5.5.3降额准则

半导体光电器件电压、电流和最高结温降额准则见表14和表15。

其中：

a.电压从额定值降额；

b.电流从额定值降额；

c.最高结温降额根据光电器件相关详细规范给出的最高结温而定。

表14光电器件电压、电流降额准则

降额参数

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

电压

0.60

0.70

0.80

电流

0.50

0.65

0.80

表15光电器件最高结温降额准则°C

最高结温（）

降额等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

200

115

140

160

175

100

125

145

不大于150

—60

—40

—20

5.5.4降额准则的应用

表14、表15给出了光电器件的降额因子及允许的最高结温。

以参数的最大允许值乘以表14的降额因子即得到了降额后允许的电压、电流值。

得到这些