原创可靠性第007篇电子元器件降额

 2024-3-9 15:16  1108 7 7 分类: 模拟文集: 2 可靠性设计

[初次发表 24-03-09 最后编辑：24-08-21]

降额/Derating 是“留余地”的意思。电子元器件的降额是指以电子元器件规格书声称的额定值为上限，降低需求去用。换句话说，把电子元器件的主要性能参数的额定值乘以一个小于1的系数，按调整后的性能参数使用。

降额的实践显示，元器件寿命延长，失效率下降，同时抵抗过应力的能力提高了。

降额的理论依据是概率统计。我看过不同时期不同国家的文献，大都基于一个叫做“强度-应力干涉论/Load-Strength Interference Theory”的东西来说明。这个说法很容易理解：把一大批电子元器件的某一项参数用分布曲线/分布密度函数来表示，称为强度/Strength；把一大批产品（对电子元器件而言就是应用电路）对器件这项参数的需求用另一个分布曲线来表示，称为应力/Load。显然，当强度低于应力时，元器件就更容易失效。把两条曲线画在一起，就是下图的样子。

上面这张图显示，应力分布和强度分布各自有高的集中度，而又彼此分离、没有交集，这意味着良好的可靠性水平（在所关注的参数上）。

上图中，应力分布很集中而强度分布较分散，另外应力和强度有交集，这意味着存在可靠性风险，但总体上失效率低，属于可接受的可靠性水平（在所关注的参数上）。

这张图预示可靠性水平较低，不可接受。图中应力分布较分散而强度分布很集中，而且应力和强度有交集，这意味着在应力较大的情况下失效率会猛增。如果不能改变选型方案，那么设计时需要多搞样机，增加极限测试，测试费用会增加。另外，强度分布集中的元器件质量一致性必然也好，是“上等原料”，但是在应力分布分散的情况下，上等原料也得不到优质的品质，“一流的原料，三流的产品”。

利用统计分布的数学方法，可以试着定量化地描述上文所说的“集中”、“分离”。为此定义2个参数：

安全裕度/Safty Margin 应力粗糙度/Loading Roughness

安全裕度表示了应力递增方向上，概率分布函数彼此分离的程度。

应力粗糙度表示了应力分布函数的集中程度好坏。理想的应力分布，粗糙度是0，画出来是一条垂直于强度轴的直线。

降额是以产品的主要工况、典型工况和额定条件为基础的，并不是说在产品所有的测试条件、未预想到的使用（过应力）情况下，都要去满足降额要求。其实，降额本来就是健壮性（Robustness）和容差设计的物质基础，就是为了让产品能够承受一定的过应力的。

降额并不是僵硬的教条，它既有来自器件物理特性的例外，也有电子设计师主动调整的空间。

降额不但没好处反而还有害的例子有：

1. 小功率继电器、小功率开关的金属触点，额定电流不宜降额。金属触点表面因为空气中氧气、二氧化硫等物质的作用，会产生金属氧化物、金属硫化物，绝缘电阻较大。这些物质需要利用通流时的焦耳热来烧掉，保持触点性能。如果通流不足，就不足以去掉这些废物。

2. 聚苯乙烯、涤纶、云母和纸电容器，额定电压不宜降额。这类介质在低电压下反而会更容易失效。

关于塑封集成电路，以前认为其功率降额不宜过大。塑封集成电路并不是气密性的器件，需要适当发热来驱散封装材料吸附的湿气。如果发热量太低，那么器件就可能受潮。但是，随着集成电路行业的技术进步，尤其是塑封料（Compound）行业高度集中于日系企业（住友，日立化学），塑封集成电路的湿度敏感性已经降到非常低的水平，大部分都可以做到MSL 1级，可以长期暴露在环境中，不在需要防潮处理。

降额一般会区别产品分级定义，分级的考虑有可维修性、允许的故障间隔时间等。

和按标准分级降额相比，进一步减少降额甚至不降额，挑战更大。首先它需要数据支撑和敢于承担责任的团队，这些离不开大量的实验、数据分析的工作量以及管理者的理性。我工作的企业一直在开发内部的降额控制标准，实际上绝大多数企业都在这样做，一边参考那些适用于军工、宇航的降额标准，一边根据自家电子产品的质量目标做让步和裁剪，让自己的产品质量处在市场实际可接受的最低要求附近。这方面我最服气的是日本汽车行业，就是敢于用更薄的钢板，减轻车辆的重量，换取更低的能耗，既降低了售价，又降低了绝大多数车主的使用费用。当然，“常在河边走，哪有不湿鞋”，在质量底线上的反复试探，试错成本也是可观的，有时会让产品坠入万劫不复的境地。因此，不提倡底线思维，理想的方式是无限趋近底线而不交越。设计者本身也是消费者，己所不欲，勿施于人。

降额违反“物尽其用”的经济规律和自然法则，不过我认为这只是字面意义上的。如果把价值考量的视野从销售利润延申到产品保修期内的利润，在可靠性/Reliability、健壮性/Robustness、美誉度/Reputation 的话题下，那么降额设计的价值就出来了。井蛙不可语海，夏虫不可语冰，在唯成本论大行其道的阶段，深入理解降额，未来肯定用得到。

所有插图：ReliaSoft Co.

Ref:

Derating for Electronic Components.Reliability. Hotwire Issue 92 2008. webull.com.

庄奕琪. 电子设计可靠性工程. 西安电子科技大学出版社，2014

Fred Schenkelberg.The Basics of Derating Electronic Components. FMS Reliability. 2016

作者：电子知识打边炉，来源：面包板社区

链接： https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-4061550.html

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