電子元器件的選用

電子元器件的選用第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一電子元器件的選用1可靠性與失效1電子元器件的選用3電子元器件失效機理2第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2.1可靠性與失效可靠性：廣義的可靠性是指產品在其整個壽命周期內完成規(guī)定功能的能力，包括狹義的可靠性和維修性。狹義的可靠性是指產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。即：在規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的可能性或概率，它包括以下4層含義：第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一1產品的可靠性是與“規(guī)定的條件”分不開的。2產品的可靠性是與“規(guī)定的時間”密切相關的。3產品的可靠性是與“規(guī)定的功能”密切關系的。4產品的可靠性從數學觀點就是表示一種概率。第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一有關失效的基本概念（1）失效：產品喪失規(guī)定的功能。（2）失效機理：引起失效的物理、化學變化的內在原因。（3）誤用失效：不按規(guī)定條件使用的產品引起的失效。（4）本質失效：由于產品本身固有弱點而引起的失效。（5）完全失效：產品完全喪失規(guī)定功能的失效。（6）部分失效：產品沒有完全喪失規(guī)定的功能的失效。（7）間隙失效：產品失效后，不經修復而在規(guī)定的時間內能自行恢復功能的失效。第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子元器件失效機理電子元器件的失效主要是在產品的制造、試驗、運輸、存儲和使用等過程中發(fā)生的，與原材料、設計、制造、使用密切相關。電子元器件的種類很多，相應的失效模式和機理也很多。

失效模式是指失效的外在直觀表現形式和過程規(guī)律，通常指測試或觀察到的失效現象、失效形式，如開路、短路、參數漂移、功能失效等。

失效機理是指失效的物理、化學變化過程，微觀過程可以追溯到原子、分子尺度和結構的變化，但與此相對的是它遲早也要表現出的一系列宏觀性能、性質變化，如疲勞、腐蝕和過應力等。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一從現場失效和試驗失效中去收集盡可能多的信息(包括失效形態(tài)、失效表現現象及失效結果等)進行歸納和總結電子元器件的失效模式，分析和驗證失效機理，并針對失效模式和失效機理采取有效措施，是不斷提高電子元器件可靠性水平的過程。下面介紹電子元器件失效規(guī)律第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一1集成電路失效模式和機理介紹集成電路的主要失效模式有功能失效、參數漂移、短路、開路等。集成電路失效模式統(tǒng)計分布見圖1圖1集成電路失效模式分布第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一集成電路的主要失效機理有：1）

過電應力（EOS）：是指元器件承受的電流、電壓應力或功率超過其允許的最大范圍。2）

靜電損傷(ESD)：微電子器件在加工生產、組裝、貯存以及運輸過程中，可能與帶靜電的容器、測試設備及操作人員相接觸，所帶靜電經過器件引腳放電到地，使器件受到損傷或失效3）

閂鎖效應（latch-up）：集成電路由于過電應力觸發(fā)內部寄生晶體管結構而呈現的一種低阻狀態(tài)，這種低阻狀態(tài)在觸發(fā)條件去除或終止后仍會存在。4）

電遷移（EM）：當器件工作時，金屬互連線內有一定的電流通過，金屬離子會沿導體產生質量的運輸，其結果會使導體的某些部位出現空洞。第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一5）

柵氧擊穿：在MOS器件及其集成電路中，柵氧化層缺陷會導致柵氧漏電，漏電增加到一定程度即構成擊穿。6）

與時間有關的介質擊穿（TDDB）：施加的電場低于柵氧的本征擊穿強度，但經歷一定的時間后仍發(fā)生擊穿的現象。7）

金鋁鍵合失效：由于金-鋁之間的化學勢不同，經長期使用或200℃以上的高溫存儲后，會產生多種金屬間化合物，如紫斑、白斑等。使鋁層變薄、粘附性下降、接觸電阻增加，最后導致開路。8）

“爆米花效應”:塑封元器件塑封材料內的水汽在高溫下受熱發(fā)生膨脹，使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應，拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開路失效。第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2分立器件失效模式和機理介紹分立器件失效模式主要有短路、開路、參數漂移、殼體破碎等。分立器件失效模式統(tǒng)計分布見圖2。圖2分立器件失效模式分布第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一分立元件的主要失效機理有：1）過電應力（EOS）。2）機械應力和熱變應力：元器件在生產、運輸、安裝和焊接等過程中受到外來的機械和熱應力的作用而失效。3）二次擊穿：器件被偏置在某一特殊的工作點時，電壓突然跌落，電流突然上升的物理現象。這時若無限流裝置及其他保護措施，元器件將被燒毀。4）熱擊穿：功率器件芯片與底座粘接或燒結不良，會存在眾多大小不等的空洞，導致器件工作時產生的熱量不能充分往外傳導，形成局部熱點而發(fā)生擊穿的現象。5）柵氧擊穿。6）金鋁鍵合失效。

第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一3阻容感元件失效模式和機理介紹阻容感元件的失效模式主要有參數漂移、短路、殼體破碎、外觀不合格等。阻容感元件失效模式統(tǒng)計分布見圖3。圖3阻容感元件失效模式分布第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一阻容感元件的主要失效機理有：1）

過電應力（EOS）。2）

機械應力和熱變應力。3）

腐蝕：金屬與周圍介質接觸時發(fā)生化學或電化學作用而被破壞叫做腐蝕，它會導致元器件的電性能惡化。4）

銀遷移：電子元器件在存儲和使用中，由于存在濕氣、水分，導致其中相對活潑的金屬銀離子發(fā)生電化學遷移，從而出現短路、開路及絕緣性能變壞等失效。第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一4其他元件失效模式和機理介紹除了以上常見的電子元器件以外，還有很多其它電子元器件，如連接器、繼電器、半導體激光器、傳感器、霍爾器件等。這些元器件失效主要是由于工藝過程控制不嚴，在生產過程中產生了缺陷或引入污染源（水汽、沾污）等。其主要失效模式主要表現為參數漂移和功能失效。第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2.3電子元器件的選用在各種電子設備和電子電路中，元器件是組成電路的最小單元，合理的選擇和使用元器件將保證和提高電路的工作性能和可靠性。選用電子元器件應該注意以下原則：1）

元器件的技術條件、技術性能、質量等級等均應滿足裝備的要求；2）

選用被列入優(yōu)選手冊的元器件或被實踐證明產品質量過硬產品

；3）

盡量壓縮品種規(guī)格，提高同類元器件的復用率；

4）

在滿足整機電氣性能指標和可靠性要求的前提下，選用廉價的元器件和庫存元器件；

5）盡量優(yōu)先選用國標或部標的元器件，再選用廠標的元器件。

第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一電子元器件在應用時應重點考慮的問題1）降額使用。有意識的降低施加在元件上的工作應力。2）熱設計。元器件的布局、安裝等過程必須充分考慮到熱的因素。3）抗輻射問題。元器件通常要受到來自各種射線的損傷，進而使整個電子系統(tǒng)失效。目前國內外已陸續(xù)研制了一些抗輻射加固的半導體器件。4）防靜電損傷。由于設備、材料及操作者的相對運動，均可能因摩擦而產生幾千伏的靜電電壓。5）操作過程的損失問題。比如印刷電路板的安裝、焊接、清洗過程中的機械損傷。6）存儲和保管問題。如庫房的溫度和濕度應該控制在規(guī)定的范圍之內。第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一1半導體集成電路的選擇和應用半導體集成電路按有源器件分雙極性、MOS型以及雙極性-MOS集成電路；按集成規(guī)模分有小、中規(guī)模和大、超大規(guī)模集成電路。半導體集成電路的封裝基本上分為3類：金屬、陶瓷、塑料，不同的封裝形式各有特點，應用領域也有所區(qū)別：（1）金屬封裝金屬封裝散熱性能好，可靠性高，但安裝使用不夠方便，成本高。（2）陶瓷封裝金屬封裝散熱性能差，體積小、成本低。（3）塑料封裝目前使用最多的一種形式，工藝簡單、成本低，但散熱性能差。第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一集成電路的選用集成電路的選用應注意以下幾點：

1、電源電壓Vdd不能高于額定電源電壓Vcc，否則集成電路會被擊穿；2、輸入電壓Vin不能高于允許的最大輸入電壓Vinmax；3、負載電流Iol要小于輸入端允許注入的最大電流；4、功耗P要低于電路允許的最大功耗Pmax；5、選用集成電路時要注意其工作溫度范圍，Ⅰ類品（軍用）為-55~+125℃，Ⅱ類品（工業(yè)用）為-40~+85℃，Ⅲ類品為0~+70℃。6、不使用的輸入端應根據要求接電源或接地，不得懸空。第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2半導體分立元件的選擇和應用一、二極管的選用1、選用整流二極管時，應注意下面兩個主要參數：（1）、最大正向電流IDM它表示二極管允許通過的的最大電流值，由材料的材質和接觸面積決定。當電流超過這個允許值時，管子將因過度發(fā)熱而損壞。（2）、最大反向電壓URM它表示二極管能夠允許的反向電流劇增時的反向電壓值。當二極管工作在最大反向電壓時，應采取限流措施，否則二極管將被擊穿。2、選用穩(wěn)壓二極管時，選用的管子應符合穩(wěn)壓值的要求。同時還要保證在負載電流最小時，穩(wěn)壓管的功耗不超過其額定功耗。另外，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性受溫度影響很大，所以，在精密穩(wěn)壓電路中，應選用溫度系數小的管子。第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一二、三極管的選用三極管的選用在選用三極管時，必須注意三極管的極限值，尤其不能兩個以上的參數的極限值同時被選用。主要參數極限值如下：1、集電極電壓Ucmax

它是允許加在三極管集電結上的最大反向電壓。使用時不能超過這個最大值，否則集電結在過大的反向電壓作用下，形成很強的電場，使集電極反向電流急劇增加，嚴重時會導致三極管的損壞；2、最大集電極直流功耗Pcmax該項參數與溫度有關，溫度升高時，該項參數要降低。鍺三極管的上限溫度是70℃，歸三極管的上限溫度是150℃。為了提高Pcmax，常采用散熱片或強制冷卻的方法；3、反向飽和電流IcboIcbo一般很小，但其受溫度影響很大，隨溫度增加呈指數上升的趨勢。鍺三極管的Icbo大且溫度特性差，所以在選用三極管時盡量選用硅管。在器件手冊中，常給出Iceo，Iceo=（1+β）Icbo，可見Iceo對溫度變化更敏感，因此，應選用Iceo小的管子。4、電流放大倍數β值的大小與工作點的頻率有關，使用前應進行實測。一般來說β值不是越大越好，β值太大會引起性能不穩(wěn)定。β值在20~100較好。第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一三、電阻器的選用電阻器的選用根據電阻體的材料的不同，電阻器可以分為合金型、薄膜型和合成型三類。

1薄膜電阻器的選用（1）、金屬膜電阻器（RJ）金屬膜電阻器的導電膜層為金屬或合金材料，性能優(yōu)良，工作環(huán)境溫度范圍較寬，功率體積比大，有利于設備的小型化。適用于直流、交流和脈沖電路中，額定環(huán)境溫度為70℃。（2）、金屬氧化膜電阻器（RY）金屬氧化膜電阻器的導電膜層為金屬氧化物，因此，其特點有：電阻器耐熱性能好，阻值穩(wěn)定，不易被氧化，故穩(wěn)定性高。RY電阻器的額定環(huán)境溫度為70℃。（3）、碳膜電阻器（RT）碳膜電阻器有較高的化學穩(wěn)定性和較大的電阻率。RT電阻器的阻值范圍最寬，溫度系數為負值，受電壓和頻率的影響較小，并且價格便宜，所以適用于各種電路。缺點是功率體積比小，因此體積較大。RT電阻器的額定環(huán)境溫度較低，為40℃。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2合金電阻器的選用合金電阻器包括線繞電阻器、合金箔電阻器和塊金屬電阻器，內部沒有接觸電阻，因此不存在非線性和電流噪聲，溫度系數最低，長期穩(wěn)定性好，可用作精密電阻器和大功率電阻器。3合成電阻器的選用合成電阻器的電性能指標沒有薄膜電阻器好，但其可靠性卻優(yōu)于薄膜電阻器，所以合成電阻器可用于高可靠性要求的設備中。

第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一四、電容器的選用1、紙介質電容器紙介質電容器的優(yōu)點是成本低，缺點是容易老化，熱穩(wěn)定性差，主要用于直流和低頻電路中。2、滌綸薄膜電容器

滌綸薄膜電容器的電容量和電壓范圍比較寬，是應用較廣的電容器。但是其電參數隨溫度和頻率變化較大，所以多用于頻率較低的電路中。3、聚碳酸脂薄膜電容器

聚碳酸脂薄膜電容器的主要優(yōu)點是能在較高的溫度和溫度交變的條件下穩(wěn)定工作，工作溫度范圍為-55~+125℃，可用于交流和高頻電路中。第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一4、瓷介電容器瓷介電容器的優(yōu)點是介質損耗低，電容量對頻率、溫度、電壓和時間的穩(wěn)定性都比較高。常用于要求電容量穩(wěn)定和溫度補償電路中。5、云母電容器云母電容器常用于高頻電路中，可作為去耦、旁路等用。單由于內部結構上