元器件可靠性降额:电子设备稳定运行的基石

前言
在电子设备的设计与制造领域,确保元器件的可靠性是保障设备稳定、高效运行的关键。其中,元器件可靠性降额技术作为一项重要的工程手段,正日益受到广泛关注。今天,就让我们深入探讨这一技术,了解它如何为电子设备的可靠性保驾护航。
一、降额设计:原理与意义
降额设计,简单来说,就是使元器件在使用过程中承受的应力低于其额定应力。这里的应力涵盖了电应力、热应力、机械应力等多个方面。通过降低这些应力,能够有效延缓元器件参数的退化,降低失效率,从而显著提高设备的可靠性。以电子设备中的电阻器为例,若在设计时将其工作功率降额使用,当设备长时间运行导致温度升高时,电阻器因承受的功率较低,其温度上升幅度也会相应减小,从而减少了因过热导致的性能劣化和失效风险。据研究表明,在一定范围内,温度每降低10℃,元器件的失效率可降低约50%。这充分说明了降额设计在提高元器件可靠性方面的巨大潜力。

二、降额准则及等级:精准把控
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。

2、额定值rating元器件允许的最大使用应力值。

3、应力stress影响元器件失效率的电、热、机械等负载。

4、应力比stress ratio元器件工作应力与额定应力之比。应力比又称降额因子。

5、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。

为了更好地实施降额设计,行业内通常将降额分为三个等级:

  • Ⅰ级降额:这是最大程度的降额,对元器件可靠性的改善最为显著。适用于那些设备失效可能导致严重后果,如人员伤亡、重大财产损失的关键系统;或者对可靠性要求极高,且采用了新技术、新工艺的设计;又或者是设备失效后难以维修,以及对尺寸、重量有严格限制的场合。
  • Ⅱ级降额:属于中等程度的降额,能明显提升元器件的可靠性。在设计实现上,相对Ⅰ级降额更为容易。一般应用于设备失效会造成一定损失,但不至于产生严重后果,或者对可靠性有较高要求且采用了特定设计的情况。
  • Ⅲ级降额:是最小程度的降额,虽然对可靠性改善的绝对效果不如前两者,但在设计上最容易实现。常用于设备失效不会造成重大影响,采用成熟标准设计,且故障设备易于修复、对尺寸和重量无严格要求的场景。
三、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:降额的限度
降额可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,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。
在实际应用中,工程师需要根据设备的具体需求、成本限制、设计复杂度等多方面因素,综合权衡确定合适的降额等级。
四、降额设计的实施要点

1. 避免绝对化降额量值:标准推荐的降额量值并非一成不变,应根据产品的特殊需求和应用场景进行灵活调整。不同的电子设备在功能、使用环境、预期寿命等方面存在差异,因此降额量值也需“因材施教”。

2. 留意不可降额的元器件参数:部分元器件的某些参数一旦降额,可能会引发严重问题。例如,继电器的驱动线圈电流若降额,会使电磁力下降,导致触点吸合力度不足,抗振抗冲击性能变差;光学元器件降额则可能减弱发光强度,影响显示效果。

3. 警惕过度降额的负面影响:虽然降额能提高可靠性,但并非降得越多越好。过度降额可能导致设备成本大幅增加、体积和重量增大;还可能改变元器件的正常特性,引入新的失效机理;甚至可能因需要增加元器件数量和接点,反而降低了设备的整体可靠性。比如,为降低某元器件的应力而大幅降额,可能需要添加额外的电路来维持功能,这就增加了电路的复杂性和故障点。

元器件可靠性降额作为提升电子设备可靠性的重要手段,在现代电子工程中发挥着不可或缺的作用。通过合理的降额设计,我们能够在保障设备性能的前提下,有效降低成本、延长使用寿命、提高系统的稳定性和安全性。

 
随着电子技术的不断发展,对元器件可靠性的要求也将越来越高。未来,降额设计技术有望与人工智能、大数据等新兴技术相结合,实现更加智能化、精准化的降额策略制定。
总结
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