元器件可靠性降额规范V10.docx
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元器件可靠性降额规范V10.docx
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元器件可靠性降额规范V10
港湾网络有限公司
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A0
元器件可靠性降额规范
2004-11-06发布2004-11-06实施
港湾网络有限公司
前言
本规范起草部门:
××××部
本规范起草人:
××××××部
××××××部
本规范审核人:
××××××部
本规范批准人:
××××××部
本规范修订记录:
修订版本
修订日期
修订内容
修改人
审核
1
目的
本规范旨在保证硬件开发中器件的工作应力都小于其额定应力,以保证单板的可靠性。
本规范规定了单板审查中器件工作应力可靠性审查的内容,包括各类器件的降额参数,降额要求,降额参数的具体测试、计算方法。
建议降额审查在“单板详细设计”阶段进行,保证器件使用符合降额规范的要求,在“单板硬件调试”或者中试状态对设计进行测试,验证降额指标是否实现。
降额审查的主要目标是分立器件的电、热特性以及集成电路的热特性。
2范围
本规范适用于公司所有单板的器件工作应力可靠性审查。
3定义
●降额
元器件使用中承受的应力低于其设计的额定值。
通常用应力比和环境温度(或结温)来表示。
●额定值
对某一特定参数而言,元器件设计允许承受的最大应力值,如温度、电压、电流等。
●应力
能影响元器件失效率的电、热、机械等负载。
●应力比
元器件工作应力与额定应力之比,又称降额因子。
●温度稳定
在实验室环境条件下,器件表面温度变化率不超过每小时2℃时认为器件已达到温度稳定,通常认为单板稳定工作0.5h以上就达到了温度稳定,可以进行测量。
对于结温等测试,可以按照这个标准认为温度已经稳定。
4一般要求
●降额等级的划分
通常元器件有一个最佳的降额范围,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,设计易于实施,且不必在产品的体积、重量、成本等方面付出大的代价。
对于通信产品,通常使用的是商业器件,但设备成本高,修理费用高,允许设备不能工作时间很短,而且产品对尺寸也有一定要求。
所以,对于通信产品的降额等级要求,选取高可靠性的等级。
●降额的限度
降额可以有效地提高元器件的可靠性,但降额是有限度的。
通常,超过最佳范围的更大降额,元器件可靠性增长的相对效益下降,而设备的体积、重量、成本却会有较快的增加。
有时候过度的降额会使元器件的正常特性发生变化,甚至可能找不到满足功能要求的元器件,过度的降额还可能引入新的失效机理或导致元器件数量不必要的增加,结果反而会使产品的可靠性下降。
●降额量值的调整
不应将本规范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。
本规范规定的降额值在设计上是可行性的,而且考虑了可靠性增长相吻合的设计限制。
在实际使用中由于条件的限制,运行降额值做一些变动,即某一降额参数可与另一参数彼此综合调整。
在某些情况下,超过本规范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做出。
5集成电路
●主要应力
对于商业应用,集成电路主要的降额参数为最高结温Tjmax。
其他还有:
扇出数、工作频率(%最大工作频率)、最高结温、耗散功率。
●降额原则
类型
降额参数
降额情况
数字电路
(MOS、双极型)
扇出数
工作频率(%最大工作频率)
最高结温Tjmax
80%
80%(双极型)
80%(MOS)
95℃
线性电路
(MOS、双极型)
耗散功率PD
最大结温Tjmax
75%
95℃
大规模集成电路
工作频率
结温
满足功能前提下尽量低
尽量低
对于集成电路工作时最高结温的降额要求,一般都要求:
Tj<0.6×(Tjmax-25℃)+20℃
通常Tjmax为150℃时,即要求Tj<95℃。
●应力分析
1)扇出数计算:
由于数字电路输出有高电平和低电平两种可能,因此要根据驱动器件输出高/低电平时的输出/输入电流以及负载在输入高/低电平时的输入/输出电流分别计算高电平的扇出数和低电平的扇出数,然后取两者中小的那一个。
扇出数的降额在此基础上降额。
扇出数的计算主要是考虑集成电路输出端电流的驱动能力。
2)工作频率:
在设计中需要考虑根据电路的工作频率来选用合适的器件,测试工作频率可使用频率计。
3)耗散功率
耗散功率的计算、测试都比较困难,通常可以不单独考虑,主要通过结温降额来保证。
4)最高结温:
测试仪器:
多点热电偶温度仪
元器件表面温度的测点布置方法:
●扁平封装的集成芯片表面温度的测点应布置在发热平面的几何中心。
●装有散热器的元件应将测点布置在散热器基板上部对应于元器件发热中心的位置,不能布置在翘片上。
●其他元器件表面温度测点的位置,应视其热点情况而定。
温度值到温度判定参数值推算方法:
对于器件实际能测得到的测点温度仅可能是器件壳体表面温度或器件上散热器基板上部的温度。
很多情况下无法直接测到降额参数描述的器件温度判定参数。
因此为了进行有效的热设计温度测试通过判断,必须明确测点温度值到温度判定参数值的推算方法。
Ⅰ、由器件壳温测点温度推算其结温
推算公式如下;
器件结温:
Tj=Pc×θjc+TA短期工作+ΔTc
式中:
Pc--通过器件封装外壳散去的热耗(W)。
根据热设计经验,推荐按通过单板PCB传导的热量占总功耗的比例按60%计算,因此Pc=40%×器件功耗。
θjc--器件结到器件壳体的热阻(℃/W);
TA短期工作--为器件在市场运行时短期工作的最高环境温度,通常的产品规格中均有说明;
△Tc--器件壳体表面温升,可通过实验室环境测试获得,△Tc=Tc-TA实验室;
Tc--实验室条件下,器件壳体表面温度,即测点温度;
TA实验室环境温度;
例:
某室类型产品要求在45℃环境温度下能正常工作,单板上某塑封装器件功耗为2W,θjc值为15℃/W,常温下测得壳体表面温升△Tc为28℃,则推算45℃环境温度时该器件的工作结温为:
Tj=15×2×40%+45+28=85℃
Ⅱ、散热器基板上部测点温度推算器件的结温
由于散热器底部固定面到基板上部的热阻非常小(0.01℃/W左右),因此可以认为散热器底部固定面温度等于此时的测点温度。
器件结温:
Tj=P×(θjc+θcs)+TA短期工作+ΔTs
式中:
P—器件功耗值(取此值的原因是:
对于加散热器的器件,通过PCB传导的热量占的比例较小);
θjc--器件结到器件壳体的热阻(℃/W);
θcs—为器件表面与散热器固定面间的接触热阻(℃/W),此热阻值与固定方式相关;
TA短期工作--为器件在市场运行时短期工作的最高环境温度,通常的产品规格中均有说明。
△Ts—散热器基板温升,可通过实验室环境测试获得,△Ts=Ts-TA实验室;
Ts--实验室条件下,散热器基板温度,即此时的测点温度;
TA实验室环境温度;
例:
某产品要求在40℃环境温度下能正常工作,采用完全自然对流散热,某器件功耗为3.5W,外壳上表面与散热器的接触面积为30mm×30mm,θjc值为16℃/W,采用LOCTITEOUTPUT315胶固定散热器,该胶的导热系数为0.808W/m.℃,形成的胶层为1.27×10-4米,计算得接触热阻为0.175℃/W。
常温下测得散热器基板上部测点温升为14℃,则40℃环境温度时:
Ts=40℃+14℃=54℃
Tj=3.5×(16+0.175)+54=110.6℃
注:
一般来讲,器件功耗大部分以热量形式耗散,所以在温度计算时,直接取功耗。
●检查内容
器件
位号
器件
编码
器件
名称
最大
扇出
数
实际
扇出
数
额定
工作
频率
工作
频率
允许
最高
结温
长期
工作
结温
额定
功耗
耗散
功率
扇出
数降
额
频率
降额
功率
降额
结温
降额
是否
合理
-
-
-
查手
册,
并计
算
实测
查手
册
实测
查手
册
实测
查手
测
实测
实际
扇出
数/
最大
扇出
数
工作
频率
/额
定功
耗
耗散
功率
/额
定功
率
参见
公式
是/
否
6三极管
含双极型晶体管、场效应晶体管、单结型晶体管等。
●主要应力
耗散功率,电压,电流,结温,击穿电压。
●降额原则
类型
降额参数
降额情况
双极型三极管
耗散功率Pd
最大电压Vce
击穿电压V(BR)
最大结温Tj
最大电流ICmax
90%
80%
70%
Tjmax-40℃
70%
场效应三极管
耗散功率Pd
击穿电压V(BR)
最大结温Tj
最大电流Imax
90%
60%
Tjmax-40℃
70%
●应力分析
三极管参数说明:
V(BR)cbo指发射极开路时,集电极和基极间的反向击穿电压。
V(BR)ceo指基极开路时,集电极和发射极间的反向击穿电压,V(BR)ceo V(BR)ebo指集电极开路时,发射极和基极间的反向击穿电压,普通晶体管V(BR)ebo比较小,只有几伏。 PCM集电结最大允许耗散功率。 晶体管工作时,集电结要承受较高的电压并流过较大电流,在集电结上要消耗一定的功率,从而导致集电结发热、结温升高。 当结温过高时,管子的性能下降,甚至烧坏管子,PCM就是集电结因受热而引起管子参数变化不超过规定值时,集电结耗散的最大功率。 Iceo指基极开路时,集电极和发射极间的电流,称为集电极穿透电流。 Vces指三极管饱和导通时,C、E间的电压,称为饱和压降。 通常把Vce=Vbe(即集电结零偏)时称为临界饱和,当Vce 1)电压降额: 对应小信号、线性应用、静态或低频使用等场合,如果不存在因感性负载或三极管瞬时开关所造成的尖峰电压,可以通过计算得到三极管的最高可能工作电压(即最坏情况)作为降额依据,当计算结果满足降额要求时,一般可以不再进行测试;当三极管工作在开关状态、负载呈感性或高频使用时,可能存在瞬时尖峰电压,需要用示波器测量三极管的实际电压作为计算依据。 参见下表: 降额参数 应用场合 计算或测试方法 应用举例 集射电压Vce 漏源电压Vds 线性放大(含小信号放大、功率放大)非感性负 载 按放大电路的供电电压计算降额 音/视频放大 线性稳压调整 输入缓启动及限流保护 按输入电源电压的最大值计算降额 线性稳压电路调整管 单板-48V输入缓启动 电路用VMOS管 小信号开关且为非感性 负载 按电路供电电压计算降额 板间串口电路用三极 管 电压Vce、Vcb、Vec 漏电电压Vds 感性负载 功率开关 开关电源调整 用示波器有源探头测试 控制继电器/交流接触 器用的三极管开关 开关电源的调整管 2)功率降额: 当三极管工作于线性区域、低频工作、纯阻负载时,功耗一般可通过电压/电流计算得到,当计算结果满足降额要求时,一般可以不再进行测试;当工作于开关状态、高频工作或负载呈明显容性或感性时,因存在电压/电流尖峰、开关损耗,计算难度和误差相对较大,需要通过测试结温来保证,或者简单处理,在环境温度最高的前提下,要求壳温小于最大结温50度。 参见下表: 应用场合 计算或测试方法 应用举例 低频开关-电平 驱动 导通时: PC1=VCES·IC 截至时: PC2=VCE·ICEO 取其中较大者计算降额(场效应管类似) 驱动继电器、LED 低频开关-脉冲 驱动 PC=VCES·IC·D+VCE·ICEO·(1-D) 其中D为开关导通占空比 (场效应管类似) 脉冲信号发生器的输出 驱动管 线性稳压调整 按PC=(Vinmax-Voutmin)·Ioutmax计算降额 线性稳压电路调整管 输入缓启动及限 流保护 按负载短路时三极管通过的电流乘以输入电压计算 降额 单板-48V输入缓启动电路用 MOS管 其他 通过测试结温(通道温度)来计算 射频功放 开关电源的调整管 3)最大结温降额: 仪器: 多点热电偶温度仪 在器件工作达到热平衡时,用点温计测量其最热处的壳温(可以用其中一点监测环境温度,从而能够消除测试准确度不够所带来的误差)。 对于带散热片的三极管,推荐测试其壳温。 即三极管散热片与外加绝缘片界面处(对绝缘封装的三极管则是与散热器界面处)的最高温度,理论上的测量点在散热片正中(有孔的部分除外)。 实际操作上此点不易测量,可考虑在散热器上打一小孔,灌满导热硅脂,然后用单点点温计测量其温度值(对贴片三极管,测量露出的散热片部分即可;对实在无法打孔的散热器也可测量器件边缘与绝缘膜处的温度,但应注意这种测量误差很大,尽量不用)。 对于不带散热器的三极管,将测温探头粘在器件塑壳上,直接测量其温度值,即为壳温。 对控制电路用的小信号三极管特别是贴片三极管(无散热片),可以不用逐个测量其壳温。 可根据器件分布,划分出区域,每个区域测量一个最热点壳温即可。 由壳温测点温度推算其结温,推算公式如下: 结温: Tj=Pc×θjc+TA短期工作+△Tc 在有θjc的条件下,一般不要使用θja或者θca来计算结温,因为θja、θca都和通风、散热、走线等外部因素相关。 器件手册中的θja按照JEDEC规定器件工作于1立方英尺的静止空气中的条件下测量得到的。 式中: Pc--通过器件封装外壳散去的热耗(W)。 根据热设计经验,推荐按通过单板PCB传导的热量占总功耗的比例按60%计算,因此当器件没有装散热片时,Pc=40%×器件功耗;当器件安装了散热片时,Pc=器件功耗; θjc--器件结到器件壳体的热阻(℃/W); TA短期工作--为器件在市场运行时短期工作的最高环境温度,通常的产品规格中均有说明。 △Tc--器件壳体表面温升,可通过实验室环境测试获得,△Tc=Tc-TA实验室 Tc—实验室条件下,器件壳体表面温度,即测点温度; TA实验室—实验室环境温度 ●检查内容 器件 位号 器件 编码 器件 名称 额定工 作电压 实际最高可 能工作电压 允许最 高结温 最高 结温 耗散 功率 耗散 功率 电压 降额 结温 降额 功率 降额 是否 合理 - - - 查手册 实测 查手册 实测并 计算 实测并 计算 查手 册 实际 最高 可能工作电压/额 定工 作电 压 参见 公式 耗散 功率 /额 定功 率 是/ 否 7二极管 含小信号/开关、整流管/桥、微波管、瞬态电压抑制二极管、稳压管等。 ●主要应力 正向电流,反向电压,最高结温,耗散功率,平均电流。 ●降额原则 对于二极管,应力审查最重要的参数为最高结温和反向电压,对于器件工作时最高结温的降额要求,通常都要求: Tj 对于整流二极管,特别应关注二极管的峰值正向电流(浪涌电流)也应满足降额要求。 类型 降额参数 降额情况 一般功能二极管 /开关二极管/微波二极管 正向电流If 反向电压Vr 最高结温Tj 65% 70% Tjmax-50℃ Tjmax-50℃ 整流二极管 正向电流If 浪涌电流 反向电压Vr 最高结温Tj 65% 60% 70% Tjmax-50℃ 瞬态电压抑制二极管 耗散功率Pd 平均电流Io 最高结温Tj 90% 90% Tjmax-50℃ 稳压二极管 耗散功率Pd 最高结温Tj 90% Tjmax-50℃ ●应力分析 二极管参数说明: If指二极管长期工作时所允许通过的最大正向平均电流,也称最大整流电流.实际使用时,二极管的平均电流不能超过此值。 Ifrm指二极管允许通过的重复峰值正向电流。 Ifsm指二极管允许通过的非重复峰值正向电流。 一般Ifsm>Ifrm>If。 Vrm指二极管在使用时所允许加的最大反向电压,也称反向峰值电压。 超过此值容易发生反向击穿或反向电流过大。 通常取反向击穿电压V(BR)的一半作为Vrm。 Pz指稳压二极管的额定功耗,它是由管子温升所限定的参数,与PN结所用的材料、结构及工艺有关。 使用时不允许超过此值。 Iz稳定电流,指稳压二极管正常工作时的参考电流。 电流小于此值时,稳压效果变差,大于此值时,稳压效果好。 稳定电压的最大值Izmax有一个限制,即Izmax=Pz/Vz(Vz为稳定电压)。 由于稳压二极管的两个参数Izmax与Pz是相互关联的,因此可选择其中一个参数考虑降额即可。 1)反向电压: 用示波器测量二极管的实际反向电压Vr(峰值)作为计算依据。 在Vrm的基础上进行降额。 注: 重点关注电源用整流二极管,一般5V以下电路中使用的二极管,其反向工作电压远小于器件允许的最大反向工作电压,可不考虑。 2)正向电流: 主要考核平均正向电流If。 用示波器测量二极管的电流波形,取平均值; 对电源整流二极管可以用万用表测量负载电流或直接通过计算得到负载的最大电流,再推算出二极管的正向平均电流(半滤整流电路中按负载电流、全滤和桥式整流电路中按负载电流的一半计算),也可以测量回路中某个电阻两端的电压来换算; 对于脉冲工作情况还应测量重复/非重复峰值正向电流,整流二极管一般还应考核上电时的浪涌电流是否符合要求。 测试方法是: 用示波器观察刚开机时的电流波形,测量出最大值,记为Ifsm,在Ifsm的基础上进行降额。 3)耗散功率: 一般小信号二极管、低频小功率整流二极管(1A以下),只要电流降额满足要求,通常可不考虑; 开关电源使用的高频整流二极管及较大功率的二极管可通过结温降额来保证。 稳压二极管的耗散功率Pd可直接通过Izmax·Vz计算得到,在Pz的基础上进行降额。 Izmax为最大工作电流,通过计算得到,计算: Izmax=(Vimax-Vzmin)/R-Ilmin。 4)最高结温: 仪器: 多点热电偶温度仪 在器件工作达到热平衡时,用点温计测量其最热处的壳温(可以用其中一点监测环境温度,从而能够消除测试准确度不够所带来的误差)。 对于带散热片的二极管,推荐测试其壳温。 即二极管散热片与外加绝缘片界面处(对绝缘封装的二极管则是与散热器界面处)的最高温度,理论上的测量点在散热片正中(有孔的部分除外)。 实际操作上此点不易测量,可考虑在散热器上打一小孔,灌满导热硅脂,然后用单点点温计测量其温度值(对贴片二极管,测量露出的散热片部分即可;对实在无法打孔的散热器也可测量器件边缘与绝缘膜处的温度,但应注意这种测量误差很大,尽量不用)。 对于不带散热器的二极管,将测温探头粘在器件塑壳上,直接测量其温度值,即为壳温。 对控制电路用的小信号二极管特别是贴片二极管(无散热片),可以不用逐个测量其壳温,可根据器件分布,划分出区域,每个区域测量一个最热点壳温即可。 由壳温测点温度推算其结温,推算公式如下: 结温: Tj=Pc×θjc+TA短期工作+△Tc 式中: Pc--通过器件封装外壳散去的热耗(W)。 根据热设计经验,推荐按通过单板PCB传导的热量占总功耗的比例按60%计算,因此当器件没有装散热片时,Pc=40%×器件功耗;当器件安装了散热片时,Pc=器件功耗; θjc--器件结到器件壳体的热阻(℃/W); TA短期工作--为器件在市场运行时短期工作的最高环境温度,通常的产品技术标准中均有说明(如邮电部相关规范)规定。 △Tc--器件壳体表面温升,可通过实验室环境测试获得,△Tc=Tc-TA实验室 Tc—实验室条件下,器件壳体表面温度,即测点温度; TA实验室--实验室环境温度 ●检查内容 器件位号 - 器件编码 - 器件名称 - 最大反向电压 查手册 实际最大反向电压 实测 最大正向平均电流 查手册 实际平均正向电流 实测 重复峰值正向电流 查手册 实际重复峰值正向电流 实测 非重复峰值正向电流 查手册 实际浪涌电流 实测 额定功耗 查手册 耗散功率 实测 允许最高结温 查手册 长期工作结温 实测并计算 结温降额 参见公式 反向电压降额 实际最大反向电压/最大反向电压 电流降额 实际重复峰值正向电流/重复峰值正向电流 功率降额 耗散功率/额定功率 浪涌电流降额 实际浪涌电流/非重复峰值正向电流 是否合理 是/否 8电阻 ●主要应力 功率、最大工作温度。 ●降额原则 类型 降额参数 降额情况 片状薄膜电阻器 功率 最大工作温度 50% Tmax-40℃ 薄膜电阻器 功率 最大工作温度 电压(脉冲状态) 50% Tmax-40℃ 70% 薄膜电阻器(功率型) 功率 最大工作温度 50% Tmax-25℃ 电阻网络 功率 最大工作温度 50% Tmax-27℃ 对于电位器,应注意大多数的应用情况是只有部分电阻体流过电流,在此情况下必须按照承受电流流过电阻值来计算功率,此功率值必须满足50%的降额要求。 ●应力分析 1)电压 电阻的工作电压参数有两个: 额定电压和极限电压。 最高工作电压取额定电压与极限电压的小值,电压降额是针对最高工作电压来进行。 对于线绕电阻是避免线圈间短路的产生,对于其它电阻是防止产生极间飞弧现象。 电阻器厂家技术手册中列出最高使用电压(MAXWORKINGVOLTAGE),是指极限电压。 举例说明如何确定最高使用电压。 如AVX公司的某系列贴片电阻中一个0603、1/8W、1M欧的电阻,按照额定功率和阻值计算(P=U2/R,U1=(0.125*106)0.5=353V,查阅厂家手册,对于该系列0603、1/8W的电阻,其最大工作电压(MaxWorkingVoltage)为: U2=50V。 二者取其小,则最高使用电压为50V(因为超过50V时,虽然从散热的角度可以忍受,但可能会在膜层的刻槽间发生飞弧击穿而损坏)。 降额后不超过35V。 在48V电源中使用贴片电阻时要注意不要使用尺寸太小的。 (修改插装电阻举例为贴片电阻举例) 对用于非脉冲状态下电阻电压的测试,可采用万用表或者示波器测试。 对于用于脉冲状态下电阻电压的测试,因为涉及到脉冲占空比,用万用表测试不正确,则必须采用示波器(≥20MHz)进行测试。 对于有一端接地的电阻,可以使用普通探头进行测试(电压超过普通探头范围时,要使用高压探头)。 将探头的地接到被测电阻的地端,探头接到电阻的另一
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