元件工程及可靠性课件.ppt

1、元件工程及可靠性,质量管理部,主要内容：,基本概念,元件工程及可靠性,电子产品可靠性试验方法,电子产品可靠性设计方法,主要内容：,基本概念,元件工程及可靠性,电子产品可靠性试验方法,电子产品可靠性设计方法,a.可靠性定义,可靠性：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。,规定条件是指使用时的环境条件和工作条件。环境条件越恶劣，工作条件越不正常，可靠性越低。,b.“三个规定”的含义,规定时间内是指产品可以完成规定功能的工作时间内所预定的寿命。这里的“时间”是广义的概念，除时间外，还包括：里程、次数等。 可靠性是随时间的递减函数（不能理解为成反比）。,规定功能是指产品规格书中给出了正常工

2、作的性能指标。,可靠性,设计/制造/管理,设计/制造/管理与可靠性关系：,高可靠性的电子产品是设计出来的，是管理出来的，是制造出来的。,设计是可靠性的源头。,设计/测试,测试是验证产品的性能是否达到设计预期要求，并尽可能发现设计中隐藏的缺陷，从产品设计上对发现的缺陷进行纠正，从而满足和提高产品的可靠性。,设计/测试与可靠性关系：,高可靠性的电子产品是设计出来的，不是测试出来的。,测试的效果取决于预先制定的测试方法、测量设备精度和测试人员的经验。,Copyright Chint Group Corp.All Rights reserved,浴盆曲线,产品典型的故障率曲线,(t),使用寿命,规定的

3、故障率,维护后故障率下降,偶然故障期,t,耗损故障期,早 期 故障期,A,B,1、早期故障降至最低，产品耗损期到来之前，是产品的主要使用期。 2、故障率基本平稳，可近似看作一个常数。 3、由偶然因素引起的。 4、可以通过统计方法来预测。,1、产品使用很长时间以后。 2、故障迅速上升，直至极度。 3、主要由老化，废劳、磨损、腐蚀引起。 4、可通过试验数据分析确定耗损起始点，并通过预防维修延长产品的寿命。,1、产品使用初期，故障容易暴露出来。 2、故障率较高，且呈迅速下降趋势。 3、由设计和制造缺陷引起。如设计不当、材料缺陷、加工缺陷、安装调整不当等。 4、可以通过加强质量管理及采取环境应力筛选加

4、以减少。,高质量电子产品其故障率曲线在其寿命内基本是一条平稳的直线。 质量低劣产品要么存在大量早期故障要么很快进入耗损故障阶段。,产品的使用寿命与产品规定条件和规定的可接受故障有关。 规定的允许故障率越高，产品使用寿命越长，反之寿命越短。,Copyright Chint Group Corp.All Rights reserved,可靠性指标单位: FIT,5515 FIT (Failure in Time) Risk/likeliness of failures (no. of failures during 109 component hours),109 = 1.000.000.000

5、运转小时 l = 1 / MTBF = 1 / 18320小时 = 5515 FIT (40) 5515 FIT ( 40 ) 意味着: 如果 10,000 个产品运转 100,000 小时 在环境温度40 满功率负载运转的条件下 则 这整批产品将不超过5515 个产品在100,000 小时内会失效 或是 如果 13,700个产品运转 73,000小时 (20年;10小时/天） 在环境温度40 满功率负载运转的条件下 则 这整批产品将不超过5515 个产品在20年内会失效一次,产品的MTBF 预估,主要内容：,基本概念,元件工程及可靠性,电子产品可靠性试验方法,电子产品可靠性设计方法,可靠性设

6、计分析方法,可靠性常见的设计分析方法：,电子元器件的选择与使用(GJB3404-98，电子元器件选用管理要求；GJB 546A-96，电子元器件质量保证大纲 ) 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 ) 容差分析(GJB89-97，电路容差分析指南),可靠性设计分析方法,可靠性常见的设计分析方法：,电子元器件的选择与使用(GJB3404-98，电子元器件选用管理要求；GJB 546A-96，电子元器件质量保证大纲 ) 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

7、计手册 ) 容差分析(GJB89-97，电路容差分析指南),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 元器件的选择管理 目的 原则 管理 元器件的正确使用,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，不太关心其“品质和采购”； 元器件的采购缺乏“品质”概念，注重价格和渠道； 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。,电子元器件的选择与使用,目的 保证元器件的性能、质量

8、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。 选择的总原则 元器件的技术性能、品质等级、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。,电子元器件的选择与使用,管理 建立元器件控制机构； 建立控制方案； 制定优选选器件清单； 制定降额准则、热设计准则及其他使用指南； 元器件筛选； 对定制件供应商选用要求及控制； 对选用非优选元器件的控制程序。,电子元器件的选择与使用,元器件的正确使用,使用中存在

9、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，特别是半导体器件 措施 降额设计 热设计 防静电设计 操作过程中的问题 储存与保管的问题,电子元器件的选择与使用,可靠性设计分析方法,可靠性常见的设计分析方法：,电子元器件的选择与使用(GJB3404-98，电子元器件选用管理要求；GJB 546A-96，电子元器件质量保证大纲 ) 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 ) 容差分析(GJB89-97，电路容差分析指南),降额设计,降额设计：,基本概念,降额设计

10、具体要求,应力测量,降额设计基本原则,降额设计,主要是指电子设备中的元器件在正常运行时所承受的应力（包括电、热和机械应力）低于其设计的额定值，以达到延缓器参数的退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。,降额设计中认为元器件本身是可靠的，元器件在额定应力下，一般情况下应能正常工作的，然而在额定值下工作的元器件，其失效率往往比较大。,降额设计定义：,降额设计目的就是通过限制元器件所承受的应力，将元器件在低于其额定应力值下使用，达到降低元器件自身的失效率，提高系统可靠性。,降额主要因素：电应力和温度。,降额设计目的：,降额设计的关键：降额的程度与效果,降额设计,降额设计的工作：,确定降额参数 选定

11、降额因子,确定降额参数：,元器件降额的对象主要是元器件的电应力参数和温度应力参数，称为 降额参数。,降额参数是由元器件的工作失效模型确定的。不同类型的元器件降额参数，不仅内容不同，其参数的数量也不一致，一般为37项。,电应力：电压、电流； 温度应力：环境温度Ta、壳温Tc、结温Tj。,例如 电阻：电压、功耗、温度； MOSFET：Vgs、Vds、Id、Tj、dv/dt。,降额设计,一般来讲，元器件的降额应符合各项降额参数的降额量的要求，在不能同时满足时，应尽量保证对失效率下降起关键影响的元器件参数的降额值。,降额设计,确定降额因子：,降额因子又称为应力比，指元器件工作应力与额定应力之比，即,降

12、额因子的选取有一个最佳范围，一般应力比为0.50.9。在这个范围内，元器件失效率下降很多，但是应力比一旦小于0.5，元器件失效率的下降很小。,降额设计,降额设计,降额设计：,基本概念,降额设计具体要求,应力测量,降额设计基本原则,降额设计基本原则,基本原则：,1、元器件降额可按GJB/Z 35-93元器件降额准则的要求进行；,2、元器件的降额量允许做适量调整，但对关键元器件应保证规定的降额量值；,3、各类电子元器件都有最佳的降额范围，在此范围内工作应力的变化对其失效率有明显的影响，在设计上较容易实现，且不会在设备体积、重量方面付出过大代价；,降额设计基本原则,4、降额到一定程度后可靠性的提高是

13、很微小的，过度降额会在设备的重量、体积、成本方面付出大的代价。对提高设备的可靠性并无太大益处，有时反而有害。,5、不应采用过度的降额来弥补选用低于要求品质等级的元器件，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。,降额设计,降额设计：,基本概念,降额设计具体要求,应力测量,降额设计基本原则,降额设计具体要求,薄膜型电阻器Film Resistors:,薄膜型电阻器，主要由金属氧化膜电阻器和金属膜电阻器。,高频特性好 电流噪声和非线性较小 阻值范围宽 温度系数小 性能稳定,特点：,降额参数：电压、功耗和温度。,电阻的可靠性主要取决于电阻的“热点温度”，即环境温度和自身功耗温升之和。

14、,降额设计具体要求,薄膜型电阻降额要求：,降额设计具体要求,电阻应用指南：,1、膜型电阻器在高频工作情况下，阻值会下降； 2、金属膜电阻器在低气压条件下工作时，工作电压需要进一步降额； 3、为保证电路长期工作的可靠性，设计应允许膜型电阻器有一定的阻值容差：金属膜电阻器为2%，金属氧化膜电阻器为4%； 4、不要使用大于1Mohm的碳膜电阻，因为长期稳定性差； 5、尽量不要将矩形的SMT电阻用在ESD保护电路，因为矩形的尖角容易放电； 6、在电压、电流采样时，若使用SMT电阻，尽量使用尺寸在1206以上封装的电阻；,降额设计具体要求,7、在脉冲应用场合，对单个脉冲的功率限制取决于脉冲的形状，同时脉

15、冲的峰值电压必须不能超过电阻的最高使用电压。,降额设计具体要求,降额设计具体要求,线绕电阻器：,线绕电阻器，可分为精密型和功率型。,可靠性高 稳定性好 无非线性 温度和电压系数小,特点：,降额参数：功率、电压和环境温度。,线绕电阻降额要求：,应用指南：,1、不采用绕线直径小于0.025mm的电阻器； 2、功率型线绕电阻器可以短时间经受比其额定功率和电压高得多的脉冲，但使用中应作相应的降额； 3、为保证电路长期工作的可靠性，设计应允许线绕电阻器有一定的阻值容差：精密型线绕电阻器为0.4%，功率型线绕电阻器为1.5%,热敏电阻：,热敏电阻，分为正温度系数的热敏电阻PTC和负温度系数的热敏电阻NTC

16、。,降额参数，额定功率和环境温度。,降额设计具体要求,电容：,主要降额参数：电压和环境温度。,电压影响电容器寿命，越接近额定电压时影响越大； 降额的电压值=直流电压+交流峰值电压，电压与寿命有5次幂关系，即电压减小一半，寿命可增至32倍。,环境温度影响电容器的使用寿命、电容量、绝缘电阻、介电强度和器件的密封等； 电容器温度=环境温度+交流负载引起外壳温升，在一定的温度范围内，电容器温度降低10（薄膜电容为5 ），寿命增加1倍。,降额设计具体要求,多层陶瓷电容Multi Layer Ceramic Capacitors(MLCC):,应用场合：,需要滤波/退偶小信号电路 半导体RC缓冲电路 安规

17、电容，如Y电容,封装类型：贴片SMT和插件Through-hole。,降额设计具体要求,X7R dielectric having a capacitance variation of 15% over the 55 C to +125 C； X5R dielectric having a capacitance variation of 20% over the 55 C to +85 C； NPO( COG )dielectric giving a capacitance variation of 0 to 30ppm/ over the 55 C to +125 C ； Z5U diel

18、ectric having a capacitance variation of +22% to 56% over the 0C to 85C temperature range。,MLCC分类：,降额设计具体要求,MLCC降额要求：,降额设计具体要求,应用指南：,1、当工作电压升高时，MLCC容值会减小； 2、MLCC受机械应力作用易断裂，在机械应力较大场合（如长而窄的PCB板），建议选用Through-hole类型电容； 3、SMT MLCC应远离插拔连接器或多引脚长连接器，至少5.08mm； 4、MLCC距PCB板需拧螺丝的定位孔宽度至少5.08mm，且螺钉的扭矩限制在27Nm以内； 5

19、、在CPS产品中，停止使用1206或1210封装标准型SMT MLCC，必要时选用Soft-terminal MLCC，禁止使用1812封装及以上的电容。 6、MLCC耐热性较差，焊接温度过高可能损伤密封或使电极与引出线连接变差；温度突变也可能使密封与介质破损，因此，手工焊接时需要对电容进行预处理。,降额设计具体要求,铝电解电容：,铝电解电容常见失效模式： 极性接反，电容爆裂 电解液的蒸发：高工作环境温度、过工作电压和过纹波电流加速电解液蒸发,降额设计具体要求,铝电解电容降额要求：,降额设计具体要求,应用指南：,1、铝电解电容不能承受低温和低气压，且只限于近地面使用； 2、使用中铝电解电容的直

20、流电压与交流峰值电压之和不得超过降额后的直流工作电压，且交流峰值电压应小于直流电压分量； 3、电路设计是尽可能降低电容的纹波电流，条件允许情况时，用多个小容值电容并联; 4、16mm以上的铝电解电容，若从0.5M以上高度跌落至坚硬平面（如地面），建议将其报废,降额设计具体要求,薄膜电容：,与铝电解电容相比，DC-Link薄膜电容具有以下优点： 寿命长 工作电压高 耐纹波电流能力大 无极性 低ESR,降额设计具体要求,薄膜电容降额要求：,降额设计具体要求,应用指南：,1、安规电容降额时，无需考虑纹波电流降额； 2、电压不应过度降额，否则影响电容可靠性； 3、为保证电路长期可靠的工作，设计应允许容

21、值有2%的容差和50%的绝缘电阻降低。 4、薄膜电容的耐热性较差，仅金属聚酯Metalized polyester膜电容器工作温度可高于85，此外，金属聚丙烯Metalized polypropylene膜电容器会因自身发热使壳温上升15 。,降额设计具体要求,、薄膜电容器的使用寿命和可靠性已知是对电压和温度变化非常敏感，这是由于薄膜电容采用更高的活化能离子传导,对于氧化铝的电解电容器这仅是0.85 eV，但对薄膜电容它的高得多,大约两倍（1.7 eV），这意味着,薄膜电容器在施加电压或绝对温度时寿命变动的百分比是电解电容器约有的一半，使用寿命是每5变化一倍率，但电解电容器每10变化一倍； 、

22、同系列的薄膜电容器容值愈大，其ESR愈大，而耐纹波电流能力愈弱,降额设计具体要求,磁性元件：,磁性元件，主要包括电感和变压器。,主要降额参数：温度。,磁性元件中，线对线之间的最大电压尽量不要超出下表规定值：,半导体功率元器件：,失效原因：,结温过高； 工作电压超过元件额定击穿电压。,主要参数：电压、电流和结温。,降额设计具体要求,双极性晶体管（NPN/PNP）降额要求：,降额设计具体要求,应用指南：,1、高频应用场合，瞬间电压峰值和稳态工作电压值之和不得超过降额电压的限定值； 2、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： 直流增益：20% 漏电流：+20% 开关时间：+2

23、0% 保护压降Vce(sat): 20%,降额设计具体要求,MOSFET降额要求:,降额设计具体要求,WORST CASE ：,最大输入电压、输出负载和最恶劣工作环境条件下运行,正常和非正常的单一事件瞬态过程,降额设计具体要求,正常瞬态包括但不限于固定范围内的负载循环和开关机瞬间； 非正常瞬态包括但限于输出短路和输入跳变。,应用指南：,1、在小信号应用场合，设计MOSFET驱动电路时，需要特别关注Vgsth； 2、MOSFET并联应用时，需要为每个MOSFET提供单独的门极驱动电阻； 3、在任何情况下，VDS两端的电压峰值不能超过最大额定的降额值; 4、COL MOS的VDS随温度下降而降低的

24、，以产品允许的最低温确定的VDS开始降额。,降额设计具体要求,降额设计具体要求,Power IGBT降额要求：,降额设计具体要求,Small Signal Diode 降额要求：,降额设计具体要求,Power Rectifier Diodes 降额要求：,降额要求：,Zener Diode 齐纳二极管：,主要降额参数:结温,降额设计具体要求,集成IC：,降额方法：,电源电压从额定值降额 输入电压从额定值降额 输出电流从额定值降额 功率从最大允许值降额 结温给出了最高允许结温,集成IC降额要求：,参考GJBZ 35-93元器件降额准则。,降额设计,降额设计：,基本概念,降额设计具体要求,应力测量

25、,降额设计基本原则,应力测量,电压应力：,2W的高压功率电阻和热敏电阻 电解电容、薄膜电容 塑封二极管以及额定电流大于1A的其他二极管 MOSFET、IGBT和双极性三极管,电路中需检查的元件：,测试条件：,输入电压：高压 输出负载：最大负载/轻载 or 空载 工作状态：稳态状态和瞬间状态,应力测量,瞬间状态包括： 重复开关机（AC ON/OFF） 某组输出短路后，再重复开关机（应对每一组输出都分别短路，然后找出最差的状况） 开机后，重复短路某一组输出（应对每一组输出都分别短路，然后找出最差的状况）,电流应力：,需要检查的元件：,双极性晶体管 电解电容、DC-LINK薄膜电容 齐纳二极管 光耦

26、 二极管、MOSFET、IGBT和双极性三极管,应力测量,测试条件：,输入电压：低压 输出负载：最大负载,测量方法：,应力测量,温度应力：,需要检查的元件：,产品中包含的所有元器件,测量条件：,规格书中规定最大or 最小输入、最大输出和最高环境温度,应力测量,测量温度点选取,应力测量,应力测量,可靠性设计分析方法,可靠性常见的设计分析方法：,电子元器件的选择与使用(GJB3404-98，电子元器件选用管理要求；GJB 546A-96，电子元器件质量保证大纲 ) 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 ) 容差分析(GJB8

27、9-97，电路容差分析指南),热分析热设计,原因与目的 电子产品可靠性对温度是非常敏感，如图所示，但温度升高时，器件故障率迅速增大；电路板变形，绝缘性能退化 合理温度布局，控制温度，提高可靠性,热分析热设计,热分析 热分析：获得产品的温度分布,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。 热分析手段 计算：解析法（传热方程的解析解）和数值法（利用计算机求解温度分布，如BETAsoft-Board软件）； 热测设备测量,热分析热设计,热设计 热设计：采取相应的温度控制措施，控制电子设备的温度,热设计的内容,电路板布局 在满足约束条件下，合理元器件布局，将