器件应力降额总规范艾默生Word文档下载推荐.docx

1、本规范为器件应力降额总规范V2.1版，该版本自发布之日起，其前一版本（V2.0版）作废；器件应力降额总规范V2.1版主要对V2.0版的以下内容进行了修改：1、在V2.0版规范I、II工作区定义的基础上，增加了产品“额定工作点”的定义，使规范更全面地覆盖产品应用实际情况；2、对7类器件在产品额定工作点下的关键应力降额系数进行了规定，这些器件包括：3、上述器件和部分其它器件（如钽电解、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，兼顾可靠性与成本，使之更趋合理；4、在保险管规范中，增加了“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

2、了相应的调整。本规范由本公司各产品设计开发部门遵照执行；本规范拟制部门：中试物料品质试验部；本规范拟制人：刘海涛、刘善中、王树明、姚天宝、朱勇、杨爱泉、朱吉新、胡全年、胡楠、王文建、陈宪涛、陈亚秋、罗眉、易序馥、凌太华、艾相德、黎晓东本规范批准人：研发管理办； 1目的器件应力降额总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。通过对器件应力（电应力、热应力）的降额标准的规定和在产品中的实际应用，从而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，进而最终达到提高产品可靠性水平的目的。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

3、于使产品寿命周期费用最低。2 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。3 关键词降额，冗余设计，可靠性，额定工作点；Derating , Design Margin, Reliablity，Rated Point；4 引用/参考标准或资料华为电气器件降额规范V2.0；GJB / Z 35-93 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；5 规范内容5.0 产品保修期等级、产品I、II工作区、产品额定工作点定义5.0.1 产品保修期等级的定义A级：保修期为23年。B级：保修期为12年。5.0.2 关于I、II工作区、产品

4、额定工作点的定义产品I工作区：当电源类产品在正常工作时，应满足产品手册规定的如下条件：（a）按产品手册规定进行装配。（b）输出电压在产品手册规定变化范围内，输出功率在额定最小值到最大值间。（c）输入在产品手册规定的电压和频率范围内。（d）各种环境条件如温度和湿度等，在产品手册规定的范围内。下图为电源的输入输出示意图，图中的阴影部分，即为电源的“稳态”工作区（包含极限工作条件），我们将该区称之为电源的I工作区。电源在此区域任何点要求能够长时间工作，因此在此区域下，器件的降额使用要求也比较严格。 （可以这样理解：I 区里面的任何点对应的均是器件可能遭受到的长时间工作的点。）在I区中，针对某项应力（

5、如电压）来说，存在某一点（区域） ，在该点（区域）上器件所承受的此项应力最大，我们将此点（区域）的情况称为该项应力的I工作区最坏情况。产品额定工作点： 是指我司产品规格书中所规定的产品标称典型工作条件的组合（主要是输入电压、负载、工作环境温度等）。 若产品规格书未指明典型工作条件，则以标称工作范围的最大值代替。 产品额定工作点属于产品的I工作区，产品额定工作点基本上代表了产品在市场上的典型运行情况，因此在产品额定工作点下，对于某些器件来讲，为了保证其低失效率，在该点下的降额比“I工作区最坏情况”的降额要求更加严格。产品II工作区：如图中阴影之外的部分均表示电源工作在II 工作区（“暂态”工作区

6、），II工作区是产品短时间过渡工作的区域，例如开机启动、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）、输入跳变等。电源风扇停转之后，如有器件仍在工作，则也必须对器件应力考核点加以考虑测试（尤其是发热元件可能出现的最高温度），该情况亦规定为电源工作在II区。（可以这样理解：II区虽然是电源工作时也将碰到的情况，但II区里面的点对应的则是器件短暂时间工作的点。同样在II 区中，针对某项应力来说，器件可能遭受到的最坏情况我们称为该项应力的II工作区最坏情况。由于电源工作在II 区的时间一般来说很短，因此在此情况下器件的降额百分比不如 I 区严格。

7、但必须注意，实际情况中 II 区的器件应力往往比 I 区大得多，如果实际设计时疏忽了此区域的降额，则很有可能导致损坏（例如在开机、输出短路等情况下的损坏，等等）。II工作区最坏情况代表器件在II 区最恶劣的情况，它往往是多种条件的组合，例如功率管最高的结温可能发生在“最低压输入；最高工作环境温度；满载输出到短路的瞬间”等多种条件组合。因此在实际的测试过程中这种最恶劣的点往往需要依靠我们耐心地寻找以及依靠经验的积累。另：在具体的设计应用时，器件的应力应该满足本规范所规定的降额百分比，若因某些特殊原因超过降额规定时，则必须严格按照本降额总规范中第43节的偏离降额的处理流程来进行操作。5.1功率MO

8、SFET降额规范器件应力考核点：漏源电压Vds，栅源电压Vgs，漏极电流Id；结温Tj5.1.1 产品保修期等级及产品I、II工作区、产品额定工作点简要说明产品保修期等级：分为A、B两个等级，A级指保修期为23年，B级指保修期为12年。I、II工作区：产品的I工作区指产品“正常”工作区域，即产品手册所规定的输入/输出（环境温度/电压/电流/功率等）所允许变化的区域，是器件长期工作的区域。该区中的存在某一点（或区域），对应器件某项参数的最大应力，称为I区该项应力的最坏情况；II工作区指产品“异常”工作区域，即在开/关机、输入过/欠压保护、输出过压/过流保护、输入/负载跳变、风扇故障停转等“异常”

9、工作情况器件短时间工作区域。在该区域中的某一点对应器件某项参数的最大应力，称为II区该项应力最坏情况。产品额定工作点是指我司产品规格书中所规定的产品标称典型工作条件的组合（主要是输入电压、负载、工作环境温度等）。若产品规格书未指明典型工作条件，则以标称工作范围的最大值代替。详细情况可以参见本降额总规范第5.0节产品保修期等级与产品I、II工作区、产品额定工作点的定义。5.1.2 器件应力限制5.1.2.1 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的平台电压部分必须满足下表：应力考核点产品工作区域器件规格B级产品A级产品Vds平台电压产品额定工作点额定值小于等于500V

10、的MOSFET80%额定击穿电压75%额定击穿电压额定值大于500V的MOSFET70%额定击穿电压I工作区最坏情况注190%额定击穿电压85%额定击穿电压在最坏的情况下，漏源电压的尖峰电压高度必须满足下表：Vds尖峰电压产品额定工作点注195%额定击穿电压I工作区最坏情况注2100%额定击穿电压II工作区最坏情况注2满足功率MOSFET雪崩降额规定注2注1：对于额定工作点和I工作区，电压尖峰底部的时间宽度必须小于工作周期的1/50,当不满足此条件时，那么对于尖峰中大于工作周期1/50宽度的部分必须按平台降额的要求进行考核。对于II工作区（瞬态情况）电压尖峰宽度不作此要求，只要求电压最大值（不

11、论平台和尖峰）不超过额定电压即可。注2：对于II工作区（瞬态情况），对于当电压尖峰超过额定击穿电压时，可以参照本节附录功率MOSFET雪崩降额规定处理，如果满足该规范，就不再通过偏离降额的处理流程进行处理。5.1.2.2 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：栅源电压VgsI工作区最坏情况（含产品额定工作点）II工作区最坏情况在保证Vgs降额的同时，还应尽量避免栅极电压波形出现振荡和毛刺，如果设计中无法避免时，必须仔细检查这种振荡和毛刺是否会引起MOSFET误导通（通过对比检查Vds和Id波形）。另外，要求采取相应的措施，保证开机时栅极电位没有“悬浮起来

12、不为零”。（例如，在GS间并联一个10K以上的电阻可以有效防止栅极电位因静电等原因而悬浮。5.1.2.3 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80最高允许结温70最高允许结温85最高允许结温75最高允许结温最高瞬态结温95最高允许结温注：I区中最高稳态结温Tj通常发生在最高环境温度和最大负载条件下。II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。5.1.2.4 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60%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

13、值70%额定峰值电流Idm随着壳温升高，MOSFET的额定电流将下降，厂家资料通常给出了Tc25下的额定电流值以及额定电流IdTc的变化关系曲线。5.1.3 降额考核点的测试或估算5.1.3.1 漏源电压Vds在实际测量时，可以采用100MHz存贮示波器测试结果作为是否超出降额规定的判定数据。但需要注意的是，必须要尽其所能地寻找到真正最坏的应力条件。例如，在“正常”的I工作区中，最高Vds平台电压，通常出现在输入电压最高或其他条件组合的时候。在“异常”工作区II中，最恶劣的Vds尖峰电压，可能发生在短路瞬间，也可能发生在开机瞬间，或者发生在负载跳变等其他时刻。5.1.3.2 栅源电压的测量同上

14、可以采用100MHz存贮示波器的测试结果作为判定数据。5.1.3.3 器件壳温Tc的测量与结温Tj的估算可以采用点温计测试器件的壳温，要注意必须测试该器件在最坏情况下的壳温。例如当整机工作在最高的环境温度下，同时又处于满载输出、整机机壳密封时，该器件的壳温可能为最高。壳温测试点原则上必须是器件本身壳体的散热片上对应内部芯片中部的点，在实际测试过程中如果器件散热片紧贴外部散热器而无法进行测试时，也可以测试器件壳体上离散热片最近点的温度来近似作为器件壳温。如果器件本身外部壳体无散热片，则以器件外部壳体上最热点作为器件的壳温。结温的估算公式为：Tj = Tc + P*Rthjc （P为MOSFET的

15、功耗，Rthjc为MOSFET结到壳的热阻。5.1.3.4 漏极电流的测量采用电流枪串入电路中进行直接测试。必要时可以加长电路引线以保证电流枪的串入。但引线应该尽可能地短。在某些情况下，为了方便，也可以测试MOSFET附近回路元件的应力参数（如电流互感器、电流取样电阻等），来近似计算流过MOSFET的漏极电流。5.1.4 器件应力降额检查表及详细填写要求见下面所附文件：5.1.5 附录：功率MOSFET雪崩降额规定1.目的因为当MOSFET的D、S端被电压尖峰雪崩击穿后，MOSFET有可能不受到损坏。本规范的目的在于：规定我司产品中MOSFET可以被雪崩击穿程度的界限，以便于产品测试过程中进行

16、操作控制。2.适用范围 适用于公司内所有电源产品。3.引用/参考标准或资料 电力半导体器件应用指南-IR （西安电子技术研究所编译） HEXFET III: A NEW Generation of Power MOSFETs-International Rectifier Application Note AN966 CoolMOS-the ultimate power MOSFET-Infineon IR、IXYS、FSC、Toshiba、 ST等厂家产品手册 产品保修期等级与I、II工作区、额定工作点的定义-Avansys ：元器件降额规范4.内容4.1 MOSFET在产品额定工作点以及产

17、品I工作区的雪崩降额： 在该种情况下，不允许MOSFET出现雪崩击穿状态。即在产品上不允许出现MOSFET长期的、周期性的电压尖峰超过器件额定电压值的使用情况。4.2 MOSFET在产品II工作区的雪崩降额： 由于在II工作区都是一种时间很短的状态（如开关机；输入、负载跳变等），产品实际运行发生该情况的几率很小，同时即使发生了，时间也非常短暂，加上器件本身具有一定的耐雪崩能力，因此，在该情况，可以允许MOSFET发生一定的电压尖峰超标（雪崩击穿），但必须满足下列条件：4.2.1 除二次电源外其他电源产品的MOSFET在II工作区的雪崩降额： 一旦MOSFET发生电压尖峰超标（雪崩击穿），则必须

18、要求实际计算雪崩能量（1/2击穿电压雪崩电流雪崩时间）小于厂家器件资料对应温度下的雪崩额定值参数，同时必须进行以下实验，即在48小时内，在模块可能出现的最坏工作条件下（如模块最高工作温度、电压最高、尖峰宽度最大等情况），不少于2Pcs样机的MOSFET承受 6000次以上的相同的雪崩击穿冲击（例如负载跳变冲击），各样机仍然符合测试要求，各MOSFET仍然保持完好。达到此条件，方可认为合格。4.2.2 二次电源产品MOSFET在II工作区的雪崩降额： 因为目前我司的二次电源在工作时，其输入电压比较稳定，同时依据目前市场上二次模块的实际运行情况，适当放宽二次电源模块II工作区下的雪崩降额。 当产品

19、在II工作区MOSFET电压尖峰超标（雪崩击穿），同时又满足下列条件时，可以直接通过。 在这种超标虽然发生在产品规定输入电压范围内，但不能发生在标准输入Vin10%以内。例如，当输入电压为53V10%以内时，不允许发生雪崩击穿。 发生电压尖峰超标（雪崩击穿）时，MOSFET的器件外壳最热点温度不能超过105（包含可能出现的最恶劣条件）。 发生电压尖峰超标（雪崩击穿）时，MOSFET电压尖峰对应的起始雪崩电流不能超过器件额定值ID。 超过Vds额定值部分其波头的最大宽度不能超过100nS。 如果在该短暂时间内有连续多个波头Vds超标，则波头数目不能超过30个。 当产品在II工作区MOSFET电压

20、尖峰超标（雪崩击穿）不满足中的各条件时，则必须要求实际计算雪崩能量（1/2雪崩时间）小于厂家器件资料对应温度下的雪崩额定值参数，同时必须在24小时内，在模块可能出现的最坏工作条件下（如模块最高工作温度、电压最高、尖峰宽度最大等情况），不少于5Pcs模块的MOSFET连续承受3000次以上的相同的雪崩击穿冲击（例如负载跳变冲击），各模块仍然符合测试要求，各MOSFET仍然保持完好。5.说明 本规定的解释权为物料品质试验部。该规范将由物料品质试验部根据对MOSFET研究的不断深入，电源在市场上的实际运行情况，以及依据MOSFET本身技术的不断发展而进行及时更新。5.2 IGBT降额规范正向电压VC

21、E，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。5.2.1 产品保修期等级及产品I、II工作区、产品额定工作点简要说明5.2.2 器件应力限制 5.2.2.1 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。取最大峰值电压值计算降额，最坏情况下，允许电压降额系数为：产品工作区最高正向（C-E）峰值电压VCE80%额定电压75%额定电压工作区最坏情况90%额定电压85%额定电压工作区最坏情况100%额定电压最高反向（E-C）峰值电压VEC、工作区最坏情况 注：产品过载工作时的电压应力按

22、工作区最坏情况要求进行考核。5.2.2.2 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：、工作频率小于10KHz，、电流波形的峰值大于对应温度下的平均电流额定值，电流峰值高出平均值部分的宽度大于0.1mS。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IC60%同等壳温额定值50%同等壳温额定值80%同等壳温额定值70%同等壳温额定值最大脉冲电流ICM90%同等壳温额定值产品过载工作时的电流应力按工作区最坏情况要求进行考核。5.2.2.3 结温TJ 一般情况可以只考核最高稳

23、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：、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；、电流容量400A以上的IGBT模块。最高稳态结温Tj80%最高允许结温70%最高允许结温85%最高允许结温75%最高允许结温最高瞬态结温Tj95%最高允许结温产品过载工作时的温度应力按工作区最坏情况要求进行考核。5.2.2.4 栅极电压VGE 这里所指的栅极电压是实际加到IGBT栅极与发射极两端的电压，分正偏压和负偏压两项。最高栅极正偏压VGE最高栅极负偏压-VGE85%最大额定值 最大额定值5.2.3 降额考核点的测试或计算5.2.3.1 正向电压VCE和反向

24、电压VEC测算使用带宽等于或大于100MHz数字示波器并选择全带宽通道（避免频带衰减造成的误差）测量器件在各工作条件下所实际承受的正反向电压波形（当项目组自测波形与测试部测试有异时以两者最大值为准），取实测电压的最高峰值进行电压降额计算。反向电压的测试只在不带反并二极管应用中有要求。5.2.3.2 集电极平均电流IC、集电极脉冲电流ICM测算IGBT工作时的平均电流IC和脉冲电流ICM均采用电流枪和带宽等于或大于100MHz数字示波器进行测试，测试时示波器选择全带宽状态、以保证测试精度。平均电流IC的意义是对一个周期内的电流取平均值，它的实际值与工作温度、波形、频率、占空比等因素相关，因此必须

25、是在测试的基础上通过计算得出。对应温度下的平均电流额定值可查阅厂家数据表得出，也可采用计算方法得出。脉冲电流ICM实际值也由测试波形计算得出，方法是对高出对应温度下的平均电流值部分取0.1mS宽度以内（这一段应包含最大峰值部分）的平均值作为脉冲电流实际值。对应壳温和脉宽条件下的脉冲电流额定值可根据厂家数据表给出的特定壳温（一般给出室温和高温两个值）下的额定值并结合脉冲电流与脉冲宽度关系曲线采用线性方法求出。IGBT并联应用时尽管采取了均流措施，但其平均电流和峰值电流的额定值均应进行一定的降额，推荐计算方法为： 电流额定值降额系数= （n-1）（1-x）/n（1+x） +1/n100% 上式中n为并联器件个数，x为经验数据（600V器件取0.1、10001200V器件取0.13，1500V以上器件取0.15）。5.2.3.3 结温TJ测算测量器件