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据有关资料统计，由元器件导致的质量问题居高不下，其中绝大部分是因使用不当造成的元器件失效，提高元器件的使用可靠性成为提升系统/设备可靠性的重要手段，而元器件降额设计是提高使用可靠性的重要方法。 各种元器件都有其设计的额定值（如电容的耐压、电阻的功率等），所谓额定值是指元器件长期运行允许承受的最大应力值，是由元器件本身的材质决定的，基于安全考虑，元器件实际运行承受的应力要小于额定值，这就是降额设计。降额设计可使元器件的可靠性增长，延长器件的寿命，并使电子产品质量受益。根据国家和行业有关标准，电子元器件的降额系数一般可在0.5～0.9之间。 一、降额设计要求 国外降额设计的参考标准包括美国罗姆航空发展中心的《元器件可靠性降额准则》，欧空局《电子元件降额要求和应用准则》等，而国内降额设计参考的标准主要是国家军用标准GJB/Z 35《元器件降额准则》。 那是不是所有的元器件都需要降额设计呢？ GJB/Z 35是指导性技术文件标准，主要是为研制、生产、使用和技术管理提供有关资料和指导的，一般不作为强制性要求。 那什么情况下才需要执行该标准，开展元器件降额设计呢？ 根据GJB 450A-2004《装备可靠性工作通用要求》的工作项目101，订购方（一般专指军方）应根据装备的任务需求和使用要求提出装备的可靠性要求，包括定量要求和定性要求，而定性要求包括采用成熟技术、简化、冗余和模块化等设计要求、有关元器件使用、降额和热设计方面的要求等。 理解一下，只有订购方在可靠性定性要求中提出按照GJB/Z 35《元器件降额准则》进行元器件降额设计和使用时，才需要按照GJB/Z 35《元器件降额准则》进行降额设计和使用（这是从满足要求角度理解的，不排除为了提高使用可靠性企业自觉使用降额设计的情况）。 二、降额设计分类 元器件都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，GJB/Z 35《元器件降额准则》推荐了三个降额等级。 1）I级降额：最大降额，对元器件使用可靠性的改善最大。超过它的更大降额，通常对元器件可靠性的提高有限，且可能使设备设计难以实现。适用情况包括：设备的失效将导致人员伤亡、装备与保障设施的严重破坏；对设备有高可靠性要求，且采用新技术、新工艺的设计；由于费用和技术原因，设备失效后无法或不宜维修；系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。 2）II级降额：中等降额，对元器件使用可靠性有明显改善，在设计上较I级降额易于实现。适用情况包括：设备的失效将可能引起装备与保障设施的损坏；有高可靠性要求，且采用了某些专门的设计；需支付较高的维修费用。 3）III级降额：最小降额，对元器件使用可靠性改善的相对效益最大，但可靠性改善的绝对效果不如I级和II级降额，在设计上最易于实现。适用情况包括：设备的失效不会造成人员伤亡和设施破坏；设备采用成熟的标准设计；故障设备可迅速、经济地加以修复；对设备的尺寸、重量无大的限制。 GJB/Z 35《元器件降额准则》推荐了不同应用的降额等级，具体如下表。  从表中可以看出，不同应用的降额等级是一个范围，要根据不同应用中各分系统/设备的重要程度决定具体的降额等级。 三、常用设计参数 GJB/Z 35《元器件降额准则》依据元器件类型、结构的特点，给出了常用元器件降额设计的参数（如下表）。  以MOS型数字电路为例，说明元器件的降额设计准则。  从表3可以看出，MOS型数字电路的降额参数包括电源电压、输出电流、功率和最高结温，采用I级降额时，电源电压不高于额定电源电压的0.7，输出电流不高于额定输出电流的0.8，频率不高于额定功率的0.8，最高结温不高于85°C；采用II级降额时，电源电压不高于额定电源电压的0.8，输出电流不高于额定输出电流的0.9，频率不高于额定功率的0.8，最高结温不高于100°C，依次类推。 四、降额设计工作 一个典型的降额设计工作程序包括： 1）根据系统的不同应用场景和元器件的重要性，参照GJB/Z 35《元器件降额准则》确定降额等级。 2）确定需降额的工作应力（即需要降额的参数）和降额因子。 3）根据元器件承受的应力，除以降额因子，得到元器件降额后应承受的应力。 4）选择额定应力接近但略高于此应力的元器件。 现有的GJB/Z 35《元器件降额准则》适用于陆、海、空、航天装备及地面辅助设备用元器件，规定了不同类型元器件的降额准则。与国外同类标准相比，GJB/Z 35规定的降额因子偏小，比较保守，所以要求不能轻易改变降额等级（如从Ⅰ级降到Ⅱ级）。 在进行元器件降额设计时，应遵循以下几个基本原则： 1）必须根据产品可靠性要求选用适合质量等级的元器件，不应采用过度的降额来弥补选用低于质量等级要求的元器件，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。 2）对元器件进行降额设计时，不能将所承受的各种应力孤立看待，应进行综合权衡。 3）关键元器件应保证满足规定的降额因子，一般元器件的降额因子允许做适量的调整。 4）并非所有的参数都能降额，应结合元器件自身特点综合考虑。 五、最后的话 元器件降额设计和使用可以有效提高元器件的使用可靠性，但降额是有限度的，超过了最佳范围的更大降额，使用可靠性改善的效益下降，但设备重量、体积和成本却会迅速增加。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。 当元器件的失效率高，不能满足使用的高可靠性要求时，切忌以降额使用来补偿。质量水平较低的元器件，因其固有质量低劣，即便大幅度地降额使用，仍然有着较多的失效，导致大量的维修更换，更不合算。尤其是对重要用途的产品，如航天、航空、航海、空间应用、军事应用等领域更会带来灾难性的严重后果。 |
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