1、电子元器件的可靠性应用第2章 电子元器件的选用主讲：庄奕琪主讲：庄奕琪Copyright by Yiqi Zhuang 2005本章概要n元器件质量等级元器件质量等级n元器件选择要点元器件选择要点n元器件降额应用元器件降额应用Copyright by Yiqi Zhuang 2005n质量与可靠性标准质量与可靠性标准n国家标准GBn国家军用标准GJBn电子行业标准SJn七专技术条件QZT（专批、专技、专人、专机、专料、专检、专卡，QZJ8406）n质量与可靠性规范质量与可靠性规范n中国军用电子元器件合格产品目录（JQPL）n中国军用电子元器件合格制造厂一览表（JQML）n中国电子元器件质量认证
2、委员会认证合格产品（IECQ）n优选元器件清单（PPL，如美国军用电气、电子、机电元件清单MIL-STD-975M）n使用规范与用户手册2.1 元器件质量等级 国产元器件的质量规范Copyright by Yiqi Zhuang 2005n级（特军级）级（特军级）nA2级：单片0.1nA3级：单片0.25，混合0.5nB B级（普军级）级（普军级）nB1级：单片0.5，混合1.0nB2级：单片1.0，混合3.0nC C级（民用级）级（民用级）nC1级：单片4.0，混合8.0nC2级：单片14.0（塑料封装）2.1 元器件质量等级 国产集成电路质量等级Copyright by Yiqi Zhua
3、ng 2005使用时应依据 的顺序选用：I：列入军用电子元器件QPL、QML表的产品II：工程应用效果良好，近期有生产供货的产品III：近年按国家军用电子元器件新品研制计划完成的新品 2.1 元器件质量等级 国产元器件的优选等级Copyright by Yiqi Zhuang 2005n宇航级宇航级nS级：0.25nS-1：0.75n军用级军用级nB级：1.0nB-1级：2.0nB-2级：5.0n民用级民用级nD级：10.0nD-1级：20.0 工作温度范围工作温度范围军用：-55+125工业用：-40+85商业用：0+702.1 元器件质量等级 美国集成电路的质量等级Copyright by
4、 Yiqi Zhuang 2005n详细规范及符合的标准（国军标、国标、行标、企标）n质量等级（GJB/Z299B)与可靠性水平（失效率、寿命等）n认证情况（QPL、QML、PPL、IECQ）n成品率、工艺控制水平和批量生产情况（SPC）n采用的工艺和材料（最好能提供工艺控制数据和材料参数指标）n可靠性试验数据（加速与现场，环境与寿命，近期及以往）n使用手册与操作规范2.1 元器件质量等级 供货商应提供的可靠性信息Copyright by Yiqi Zhuang 2005n尽量选用标准和通用器件，慎重选用新品种和非标准器件n尽量压缩元器件的品种、规格及生产厂点n多选用集成电路，少选用分立器件n
5、不用无功能及质量检测手段的器件n注重器件制造技术的成熟性（长期、连续、稳定、大批量，成品率高）n考查生产厂家的工艺水平、质量控制能力和产品信誉n选用能提供完善的可靠性应用指南或规范的器件2.2 元器件选择要点 品种型号的选择原则Copyright by Yiqi Zhuang 2005以集成电路为例：n最小线条：0.350.250.180.13umn衬底材料：CMOSSOISiGeGaAsSiCn互连材料：CuAl（国外先进工艺）AlCu（国内现有工艺）n钝化材料：SiNPSG聚烯亚胺 无机有机n键合材料：AuAl(Si）n电路形式：数/模分离数/模合一RF/BB分离RF/BB合一2.2 元器
6、件选择要点 考察器件制造工艺水平键合材料与引线机械强度的关系Copyright by Yiqi Zhuang 2005n对于设备关键部位和国家重点工程所用的国外集成电路要通过MIL-STD883试验，分立半导体器件的质量要符合MIL-S-19500的要求n供货渠道可靠的品牌公司或国内代理商n在产品长期使用中质量稳定可靠的老供货商n能提供委托方的产品质量证明或试验检测报告的供货商n无不合格的性能指标参数n不是已停止生产或不再供货的产品2.2 元器件选择要点 国外元器件选用质量、成品率与可靠性n质量：出厂检验或老化筛选中发现的有缺陷器件数 成品率：批量器件中的合格器件数 可靠性：经历一年以上的上机
7、时间后的失效器件数n一般而言，器件的质量与成品率越高，可靠性越好。但质量与成品率相同的器件，可靠性并非完全相同Copyright by Yiqi Zhuang 2005n塑料封装：成本低，气密性差，吸潮，承受功率小，易老化，不易散热n陶瓷封装：气密性好，耐高温，承受功率大，成本高n金属封装：气密性好，耐高温，承受功率较大，屏蔽效果好，成本高2.2 元器件选择要点 封装的选择:封装材料Copyright by Yiqi Zhuang 2005n有引脚元件：寄生电感1nH/mm/引脚（越短越好），寄生电容4pF/引脚n无引脚元件：寄生电感0.5nH/端口，寄生电容0.3pF/端口n表面贴装放射状引
8、脚轴面平行引脚2.2 元器件选择要点 封装的选择:管脚形式Copyright by Yiqi Zhuang 2005nSMT有利于可靠性的原因有利于可靠性的原因n引线极短：降低了分布电感和电容，提高了抗干扰能力n机械强度高：提高了电路抗振动和冲击的能力n装配一致性好：成品率高，参数离散性小2.2 元器件选择要点 封装的选择:表面贴装Copyright by Yiqi Zhuang 2005n引线涂覆形式的选择引线涂覆形式的选择n镀金：环境适应性好，易焊性佳，成本高n镀锡：易焊性好，环境适应性一般，成本中等n热焊料浸渍涂覆：质量最差n内部钝化材料的选择内部钝化材料的选择n芯片表面涂覆有机涂层或有
9、机薄膜：慎用n芯片表面淀积有无机材料薄膜：可用n内部气氛内部气氛n真空封装：抗辐照，对管壳密封性要求高n惰性气体封装：易形成污染及电离气体，有利于抵抗外界气氛侵入2.2 元器件选择要点 引线及钝化材料的选择Copyright by Yiqi Zhuang 2005n二极管与三极管二极管与三极管n慎用锗管（工作温度范围小）n慎用点接触器件（机械强度差）nVDMOS功率管优于双极功率管（安全工作区大，无二次击穿，功耗小，速度快）n电压、电流、功率留有足够的余量n集成稳压器集成稳压器n线性稳压器开关电源n线性稳压器带输出过流保护和芯片热保护n开关稳压器不带串联调整管2.2 元器件选择要点 晶体管与稳
10、压器的选择Copyright by Yiqi Zhuang 2005nCMOSNMOSTTLn能用低速的就不用高速的，高速器件只用在关键的地方n能用集成度高的就不用集成度低的n不同类型的同类电路（如CMOS和TTL逻辑电路）不宜混用，以防延迟时间不同造成干扰n输入抗干扰能力要强（带施密特触发器或线接收器）n输出驱动能力要强（带缓冲器或线驱动器）nMask ROMEPROMEEPROMFlash ROM2.2 元器件选择要点 数字集成电路的选择Copyright by Yiqi Zhuang 2005上升/下降时间为1ns的理想60MHz方波的频谱 在满足电路要求的前提下，采用尽可能低的时钟频率
11、2.2 元器件选择要点 时钟频率的选择Copyright by Yiqi Zhuang 2005n电源与地的引脚较近n多个电源及地线引脚n输出电压波动性小n电源瞬态电流低n开关速率可控nI/O端口与传输线匹配n差动信号传输n地线反射较低n对ESD及其它干扰现象的抗扰性好n输入电容小n输入级驱动能力不超过实际应用的要求2.2 元器件选择要点 电磁兼容性好的ICCopyright by Yiqi Zhuang 2005n 集成运算放大器集成运算放大器n 差模与输入极限电压尽量高n 带输入、输出、电源端保护电路n 转换速率够用即可n 数据采集电路数据采集电路n 优先选择CMOS开关n 数据采集系统中
12、应选“先断后通”型，以防各信号源相互短路n 放大器增益控制则应选择“先通后断”型，以防运放瞬时短路n 带输入过载保护n 采样采样/保存电路保存电路n 信号变化速率较高：选孔径时间较少的品种n 保存时间较长：选保持状态漏电小的品种n 采样频率较高：选捕获时间足够小的品种n 精度要求较高：选电荷转移足够小的品种2.2 元器件选择要点 模拟集成电路的选择Copyright by Yiqi Zhuang 2005n 金属膜RJ：环境温度范围宽（55125），噪声小，精度高n 碳膜RT：环境温度范围小（金属膜线绕 干扰性：线绕金属膜碳膜2.2 元器件选择要点 电阻器的选择Copyright by Yiq
13、i Zhuang 2005n 失效率：涤纶聚苯乙烯玻璃釉瓷片密封纸介金属化纸介固体钽电解液体钽电解液体钽电解铝电解n 带负荷能力：无机介质高分子有机介质电解2.2 元器件选择要点 电容器的选择瓷介电容器的选择类型COG、NPOX7RY5V、Z5U温度系数（额定工作范围）070%容量随工作电压的变化（最大值）03070介电常数（相对值）1010020004000500025000Copyright by Yiqi Zhuang 2005n定义定义n极限参数n器件使用时的工作条件及环境条件的最大允许值n功能约束可靠性约束n分类分类n电流最大额定值：极限电流n电压最大额定值：击穿电压n温度最大额定值
14、：最高允许结温(塑料封装125150，金属封装150200，化合物器件150175），最低允许结温（0-55）n功率最大额定值：取决于最高允许结温和热阻n注意注意n工作额定值与最大额定值之间应留有充分的余量n用户不要直接测试最大额定值n多个参数不要同时接近最大额定值2.3 元器件降额使用 微电子器件的最大额定值Copyright by Yiqi Zhuang 2005单稳态多谐振荡器单稳态多谐振荡器2.3 元器件降额使用 实例：最大额定值选用不当Copyright by Yiqi Zhuang 2005n原理原理n工作温度每上升10，器件的退化速率增加1倍n使用功率降低到额定功率的1/2，器件
15、失效率降低为额定失效率的1/4n方法方法n工作应力额定应力n线路设计（电降额）结构设计（热降额）n作用作用n延长寿命n提高抵抗过应力的安全余量2.3 元器件降额使用 微电子器件的降额使用Copyright by Yiqi Zhuang 2005n合理选择降额等级合理选择降额等级n合理选择降额参数合理选择降额参数n提高寿命：最高允许结温n抵抗浪涌应力：电压，电流n抵抗热应力：温度范围，最高允许结温，电流n抵抗潮湿应力：温度范围降额等级可靠性改善程度应用场合典型应用场合设备可维修性设计难度I级最大设备失效将导致人员伤亡或装备与保障设施的严重破坏地面设备无法维修或不宜维修最大II级较大设备失效将导致
16、装备与保障设施的破坏航空设备维修费用较高较大III级中等设备失效不会导致人员伤亡或装备与保障设施的破坏宇航及导弹系统可迅速、经济地维修较小2.3 元器件降额使用 降额应合理(1)Copyright by Yiqi Zhuang 2005n 合理选择降额因子合理选择降额因子n 降额因子一般为0.7-0.8，不宜0.5n 降额过度的后果n 增加了整机的成本、体积和重量n 增加了设计难度n 减少了电路的动态范围n 引入 新的失效机理n 降额过度的实例n 功率双极晶体管：电流降额过度使hFE显著下降n 塑料封装器件：功率降额过度使湿气的影响上升n电子管：灯丝电压降额过度使阴极表面杂质吸附严重n遵循标准遵循标准GJB/Z35元器件降额准则2.3 元器件降额使用 降额应合理(2)Copyright by Yiqi Zhuang 2005n功耗降额功耗降额 选用耗散功率大的器件（分立器件）n电流电压降额电流电压降额 通过电流、电压降额来实现结温降额（小功率器件）n热阻降额热阻降额 改善散热条件，必要时采用风冷或水冷（功率器件）n负载降额负载降额 减少输出或输入载荷（VLSI）n频率降额频率降额 降低时钟频率（微处理器）2.3 元器件降额使用 降低结温的途径
