器件应力降额及关键用法规范Word格式文档下载.doc
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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I、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。
V2.2
刘海涛、刘善中、王树明、姚天宝、罗眉、凌太华、朱勇、杨爱泉、朱吉新、胡全年、易序馥、胡楠、艾相德、陈景卫、王文建、陈宪涛、陈亚秋
2004-01-10
1、将原V2.1版本规范拆分为三个层次的内容，即：
规范、操作指导书、应力查检表；
这样便于操作指导书、应力查检表的不断优化和完善，而规范部分的内容保持相对稳定；
2、总规范中，各类器件分规范中关于I、II区定义取消，统一在总规范中进行定义；
各类器件分规范中增加器件简述，对器件功能和主要失效模式进行简要说明；
3、各类器件分规范中的器件应力测试、计算方法纳入操作指导书中进行说明。
4、增加“器件应力降额系数速查表”，方便开发人员快速查阅；
V2.3
刘海涛
2004-7-15
纠正器件降额系数速查表中的笔误。
王树明
2005-3-29
补充发光二极管规范中电流温度降额内容。
V2.4
曾广平、刘善中、罗眉、王文建、朱吉新
2007-9-17
修订光耦、脉宽调制器、电源管理器件、运放（比较器）、钽电解电容的结温降额考核点和降额因子。
曾广平、刘善中、罗眉、黎晓东、陈亚秋、朱勇、朱吉新等物料品质部器件工程师;
测试部及各产品线专家（评审）。
2008-7-15
1、在V2.4版本降额规范基础上，根据新的降额框架思路，升级拟制本规范，同时名称更改为《器件应力降额及关键用法规范V3.0》；
2、基于产品市场应用条件，对降额工作区域进行重新定义和划分；
3、不再区分A级和B级产品，采用统一的降额要求；
4、调整和优化各分规范的降额考核点和降额系数；
5、各分规范中增加关键用法的查检要求；
196
器件应力降额及关键用法规范（V3.0）
目录
第一部分总则 6
1前言 6
2目的 6
3适用范围 6
4关键词 7
5引用/参考标准或资料 7
6产品典型工作区、短时稳态工作区、极限瞬态工作区定义 8
7偏离降额的说明 11
第二部分应力降额及关键用法规范内容 12
第一章半导体分立器件 12
1.1功率MOSFET降额及关键用法规范 12
1.2IGBT降额及关键用法规范 16
1.3晶闸管降额及关键用法规范 22
1.4整流桥降额及关键用法规范 26
1.5功率二极管降额及关键用法规范 28
1.6信号二极管降额及关键用法规范 32
1.7稳压二极管降额及关键用法规范 35
1.8TVS器件降额及关键用法规范 38
1.9发光二极管、数码管降额及关键用法规范 41
1.10三极管降额及关键用法规范 44
1.11霍尔传感器降额及关键用法规范 48
第二章IC类器件 50
2.1数字集成电路降额与关键用法规范 50
2.2运放、比较器降额及关键用法规范 54
2.3光耦、SSR降额及关键用法规范 58
2.4电源管理器件降额及关键用法规范 65
第三章阻容类器件 70
3.1铝电解电容器降额及关键用法规范 71
3.2固体钽电解电容器降额及关键用法规范 78
3.3薄膜电容器降额及关键用法规范 81
3.4陶瓷电容器降额及关键用法规范 88
3.5固定金膜、厚膜、网络、线绕电阻器降额及关键用法规范 92
3.6电位器降额及关键用法规范 97
3.7NTC热敏电阻降额与关键用法规范 101
3.8PTC热敏电阻降额与关键用法规范 105
3.9压敏电阻降额及关键用法规范 108
第四章低压电器类器件 111
4.1接触器降额与关键用法规范 111
4.2低压断路器降额与关键用法规范 116
4.3刀开关降额与关键用法规范 122
4.4电源小开关降额及关键用法规范 125
4.5信号小开关降额及关键用法规范 127
4.6熔断器降额及关键用法规范 129
4.7电连接器降额及关键用法规范 133
4.8风扇降额及关键用法规范 136
4.9温度继电器降额及关键用法规范 139
4.10电磁继电器降额及关键用法规范 140
第五章电磁元件 145
5.1电磁元件降额规范 145
第六章其它 148
6.1电源模块降额及关键用法规范 148
6.2液晶显示模块降额及关键用法规范 151
6.3晶体谐振器降额与关键用法规范 154
6.4晶体振荡器降额与关键用法规范 157
6.5蜂鸣器降额及关键用法规范 160
第三部分附录1：
器件降额系数速查总表 163
第四部分附录2：
关键用法速查总表 175
第一部分总则
1前言
《器件应力降额及关键用法规范》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。
通过对应用于产品中的器件应力（电应力、热应力）的降额系数的规定，以及设计上关键用法的查检，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的目的，从而提高产品可靠性水平。
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。
本规范由艾默生网络能源有限公司中试物料品质部拟制，研发管理办发布实施，适用于本公司产品的设计、开发及相关活动。
本规范是在《器件应力降额总规范》V2.4基础上，根据新的降额框架思路拟制，并更名为《器件应力降额及关键用法规范》。
在推荐使用本规范的同时，原降额框架下的《器件应力降额总规范》及其可能的升级版本仍可使用。
2目的
规范器件应力降额标准和关键设计用法，保证产品应用可靠性。
3适用范围
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。
除非产品规格书中对器件可靠性、寿命等有特殊指定的要求，否则器件降额均依据此规范进行。
对于某些暂时不具备使用本规范的条件的产品，可以仍然沿用原来的《器件应力降额总规范》。
4关键词
应力降额，冗余设计，可靠性，关键用法；
Derating,DesignMargin,Reliablity，keyusage；
5引用/参考标准或资料
《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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6产品典型工作区、短时稳态工作区、极限瞬态工作区定义
示意图如下：
A.典型工作区（简称“A区”）
是指我司产品规格书中所规定范围内，且在市场上最可能遭遇到的典型工作条件。
某一工作条件由多个情况的组合而成，例如工作环境温度、电网输入电压、输出负载等。
如果某工作条件在市场上发生的概率在10％~100％之间，则应作为产品的典型工作区。
例如，就工作的时间而言，当在该条件下的工作时间累计在10％～100％时（一年中工作在该条件下的时间累计起来为36～365天之间），应作为典型工作区。
建议在产品设计时，依据已有的经验或根据调研，来评估市场可能发生的工作条件，并确定产品的典型工作条件，若产品开发设计时不能确定产品在市场上可能遭遇到的典型工作条件，则以标称工作范围的最大值代替。
例如：
若无法确定市场产品可能遭遇到的典型工作电压，则以产品产品规格书里面的最高工作电压作为典型工作电压。
如果产品在典型工作条件下的降额裕量不够，会直接导致市场产品的高失效率，因此在该条件下的降额要求最严格。
B.短时稳态工作区（简称“B区”）
是指我司产品规格书中所规定范围内，且在市场上可能遭遇到的最恶劣的并持续较长时间的工作条件。
如果某工作条件在市场上发生的概率在1％～10％，则应作为产品的短时稳态工作区。
例如，就工作时间而言，当在该条件下的工作时间累计比例在1％～10％时（一年中工作在该条件下的时间累计起来在3.6天～36天之间），则应作为短时稳态工作区。
建议在产品设计时依据已有的经验或根据调研来评估市场可能发生的工作条件并确定产品的短时稳态工作条件，若不能确定，则以加严原则进行处理，以标称工作范围的极限值作为产品的短时稳态工作条件。
最低工作电压/最高环境温度/输出满载的组合工作条件。
相对于产品典型工作区，产品短时稳态工作区发生的概率明显较低，因此其降额要求相对宽松一些，但由于其工作条件相对恶劣，同样应该严格满足其降额，否则也会导致产品的高失效率。
C.极限瞬态工作区（简称“C区”）
是指我司产品规格书中所规定范围内，且在市场上可能遭遇到的短暂的（持续时间非常短）的工作条件。
开机启动、输入欠压、OCP过流保护、OVP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、电源所允许的短时过载等。
如果某工作条件在市场上发生的概率低于1％，则应作为产品的暂态（瞬态）极限工作条件。
例如，就工作时间而言，当在该条件下的工作时间累计比例低于1％（一年中工作在该条件下的时间累计起来小于3.6天），则应作为暂态（瞬态）极限工作条件。
相对于产品的短时稳态工作区，产品的暂态（瞬态）极限工作区发生的概率更低，因此其降额要求也更宽松（不得超过器件允许的极限值），但产品在暂态或瞬态的极限工作条件下，器件所遭受的应力可能要大很多，器件很容易遭受到过应力而失效，因此在产品设计和测试过程中，必须耐心地寻找这些可能发生的最坏应力（可以依靠经验的不断积累）并满足相应的降额要求。
各产品线应该考虑本产品线以往的市场应用经验，或对产品的市场工作条件进行详细调查后对本产品线通用的典型工作区、短时稳态工作区、瞬态（暂态）工作区的进行具体划分，测试部根据产品线通用的典型工作区、短时稳态工作区、瞬态（暂态）工作区对器件应力进行测试查检。
对于本产品线市场应用条件特殊的新开发产品，如果本产品线通用的产品工作区域不合适，必须在产品规格书里定义本产品特殊的典型工作区、短时稳态工作区、瞬态极限工作区。
测试部依据产品规格书定义的特殊的产品区域进行相应的器件白盒应力测试。
7偏离降额的说明
只有在某些特殊的情况下，允许产品设计时其器件偏离本降额规定使用，但前提是必须保证产品的可靠性，并且必须按照严格的流程并出具相关的偏离降额分析报告。
第二部分应力降额及关键用法规范内容
第一章半导体分立器件
1.1功率MOSFET降额及关键用法规范
器件应力考核点：
漏源电压Vds，栅源电压Vgs，漏极电流Id，体二极管电流Is，结温Tj
1.1.1器件简述
功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是一种单极性的电压控制器件，不但有自关断能力，而且有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等有点。
1.1.2器件常见失效模式及降额点选取说明
功率MOSFET在使用过程中超过安全工作区的过电应力失效主要有：
栅极过电压失效：
因为栅极氧化层是由极薄的SiO2层构成，即使加上很低的电压也会产生很高的电场，如果超过其允许场强或者持续的高场强使得其内部缺陷被激发，SiO2层便会发生永久性击穿失效。
漏极过电压失效：
当漏源电压超过PN结反向耐压，或者持续的高电压使得其潜在缺陷被激发，便会发生漏极击穿短路，当短路的能量足够大时便发生不可逆击穿而失效。
过热失效：
当散热设计不足时，会使得芯片温度过高（稳态结温和瞬态结温），器件性能迅速下降，便很容易引起热奔，烧毁芯片失效。
过流失效：
同样，当漏极电流过大（稳态电流和瞬态电流），也会使得芯片温度过高而致失效。
综合上述情况，因此选取漏源电压Vds、栅源电压Vgs、结温Tj、体二极管电流Is、漏极电流Id及雪崩能量作为功率MOSFET的降额考核点。
1.1.3器件应力限制
1.1.3.1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的平台电压和尖峰电压必须满足下表：
应力考核点
产品工作区
器件规格
降额要求
Vds平台电压
A.典型工作区
额定值小于等于500V的MOSFET
＜80%额定击穿电压
额定值大于500V的MOSFET
＜75%额定击穿电压
B.短时稳态工作区
＜90%额定击穿电压
＜85%额定击穿电压
Vds尖峰电压
＜95%额定击穿电压
＜100%额定击穿电压
C.极限瞬态工作区
符合雪崩降额要求
说明：
对于典型工作区和短时稳态工作区，电压尖峰底部的时间宽度必须小于1us和小于工作周期的1/50,当不满足此条件时，那么对于尖峰中大于此时间宽度（以1us和工作周期的1/50中较小者为准）的部分必须按平台降额的要求进行考核。
对于极限瞬态工作区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。
对于瞬态工作区，对于当电压尖峰超过额定击穿电压时，可以参照《功率MOSFET降额操作指导书》处理。
1.1.3.2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：
产品工作区域
降额要求
栅源电压Vgs
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，如果设计中无法避免时，必须仔细检查这种振荡是否会引起MOSFET误导通和误关断（通过对比检查Vds和Id波形）。
另外，要求采取相应的措施，保证在各种情况下（加工过程中和在整机中）MOSFET栅极不悬浮，防止静电电位过高导致损坏。
（例如，在GS间并联一个10KΩ以上的电阻可以有效防止栅极电位因静电等原因而悬浮。
）
1.1.3.3结温Tj
在最坏的情况下，MOSFET最高结温Tj必须满足下表：
最高稳态结温
＜75％最高允许结温
＜90％最高允许结温
最高瞬态结温
＜最高允许结温－5℃
最高稳态结温Tj是指器件在典型工作区和短时稳态工作区中，长期工作时的最高结温，最高瞬态结温是指在稳态结温上叠加瞬态温升，瞬态工作区中最高瞬态结温Tj通常发生在开机、短路瞬时大电流尖峰等异常情况下。
1.1.3.4漏极电流Id
在最坏的情况下，漏极电流Id必须满足下表：
漏极电流均方根有效值
＜70%相应壳温下的额定电流值
＜80%相应壳温下的额定电流值
漏极瞬态电流最大值
＜70%相应壳温下的额定峰值电流值
注：
相应壳温下的额定电流和峰值电流，是根据实际工作时的壳温，通过计算和查表的方法得出的值。
具体计算方法，参考MOSFET降额操作指导。
1.1.4关键用法说明
序号
关键用法名称
要求内容
查检结果列表
A
栅极驱动波形
尽量避免栅极驱动波形出现尖峰及振荡。
当无法避免时，必须保证尖峰及振荡不会超出栅极最大耐压，不会引起MOSFET误导通和误关断。
符合
不符合
B
栅极悬浮
在生产过程和应用中防止栅极悬浮，造成静电损坏或误开通，栅源间需要采取措施（例如并联一至少10KΩ以上电阻，大小以不影响器件正常工作为宜）。
C
并联均流
MOSFET多管并联使用时，必须使用同一厂家的同一型号，设计上应注意电流和器件结温的均衡，MOSFET虽然有自动均流特性，但考虑到参数的离散性和散热环境差异，也不能简单地进行电流叠加，还需在原来降额的基础上再进行降额。
注意此时实测电流应力应该填写为并联部分总电流。
并联使用时电流额定值应先乘一降额系数，降额系数分别为：
90％（双管并联）和80％（三管及多管并联）。
不涉及
D
体二极管电流
如果MOSFET工作时，出现反向的体二极管电流，则体二极管电流降额应符合功率二极管的电流降额规定。
1.2IGBT降额及关键用法规范
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。
1.2.1器件简述
IGBT是IsolatedGateBipolarTransistor的缩写，中文名绝缘门极双极晶体管。
IGBT是一以功率MOSFET和GTR复合而成的达林顿结构，器件制造者们对它的普遍理解是“折衷了MOSFET和GTR的优点、但带有与生俱来的不足”——继承了MOSFET的输入阻抗高、热稳定性好、安全工作区大和GTR的通态电压低、耐压高等多项优点，但开关速度不及MOSFET（由于基区存储电荷产生的自恢复存在拖尾电流问题）。
IGBT是频率介于30KHz以内的中大功率应用的首选器件。
IGBT的分类一般按其主晶体管的纵向参数设计思想进行：
有穿通型（PT）、非穿通型（NPT）、软穿通型（SPT）三类。
600V（含以下）超高频IGBT主要以PT型技术为主，其余则以NPT技术和SPT技术为主。
另一种分类方法是按栅极结构来划分：
有平面栅结构和沟槽栅（Trench）结构，目前我们公司选用的IGBT主要是平面栅IGBT。
尽管分类不同，但各类IGBT降额应用的要求基本是一致的。
1.2.2器件常见失效模式及降额点选取说明
确保IGBT有效工作的条件有二：
确保主晶体管的安全工作区（即SOA、见下图示）适当降额；
栅极无过电压。
下面将对SOA的讨论分解为对结温（等效对应SOA的功率线）、电压（对应SOA的电压线）和电流（对应SOA的电流线）的讨论。
就应用方面的应力而言，引起IGBT失效的常见原因主要有芯片过温、集电极过电压、集电极过电流、栅极过电压以及由热循环引起的焊接界面热疲劳失效等，其中过电流（含IC、ICM）和热疲劳原因本质上仍属于温度应力范畴。
和其它任何功率半导体器件一样，IGBT工作的应用可靠性极大程度上依赖于对结温TJ的控制，其失效率随结温的递增几乎呈指数递增的关系。
因此、过温失效是IGBT的最重要失效模式。
器件制造商推荐的IGBT结温TJ上限值为125℃。
为了获得尽可能低的通态压降，IGBT选用的硅单晶电阻率及设计的芯片基区宽度都是被控制在尽可能小的范围，这决定了IGBT的集电极额定击穿电压并不像工频器件那样可有较大的余量，因此当IGBT承受的电压超过其额定值时极有可能造成永久性损坏——电压击穿失效。
另外，当IGBT关断过高的脉冲集电极电流ICM时同样可能产生较高的集电极电压VCE而产生电压击穿失效。
多数器件制造商推荐的IGBT工作电压VCE的上限值为80％额定电压。
IGBT的栅极和MOSFET一样多属于MOS（金属-氧化物-半导体）结构，当栅极引入过电压时可导致栅氧层的缺陷产生或直接击穿而使IGBT失效——栅极过电压失效。
另外，当IGBT栅极引入高电压时，集电极电流会跟随变大，关断这个电流而产生的集电极过电压（VCE）有可能使集电极产生击穿——栅极过电压引起的集电极过电压失效。
基于上述原因，我们选取正向电压VCE，反向电压VEC（见后述说明），集电极平均电流IC，集电极脉冲电流ICM，结温TJ以及栅极电压VGE作为IGBT的降额考核点。
1.2.3器件应力限制
1.2.3.1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。
正向电压VCE分为平台电压和尖峰电压两个部分考核，降额要求如下：
最高正向VCE平台电压
＜80%额定电压
＜85%额定电压
＜95%额定电压
最高正向VCE尖峰电压【注1】
＜100%额定电压
最高反向峰值电压VEC
＜90%额定电压
注1：
1.2.3.2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5uS。
在换算成同一壳温条件进行比较时，允许的电流降额系数为：
最大平均电流IC
＜60%同等壳温额定值
＜80%同等壳温额定值
最大脉冲电流ICM
C.极限瞬态工作区
＜90%同等壳温额定值
1.2.3.3结温TJ
一般情况可以只考核最高稳态结温降额，以下两种情况下建议追加对最高瞬态结温降额的考核：
①、测试中发现有瞬时（0.1mS以上）功率过载（超过最大耗散功率）出现；
②、电流容量400A以上的IGBT模块。
对于模块内的二极管（反并联二极管或者前向阻断二极管等）
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