電子元器件的可靠性應用.ppt

電子元器件的 可靠性應用,第2章 電子元器件的選用,主講：莊奕琪,本章概要,元器件質(zhì)量等級 元器件選擇要點 元器件降額應用,質(zhì)量與可靠性標準 國家標準GB 國家軍用標準GJB 電子行業(yè)標準SJ 七專技術條件QZT（專批、專技、專人、專機、專料、專檢、?？?，QZJ8406） 質(zhì)量與可靠性規(guī)范 中國軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（JQPL） 中國軍用電子元器件合格制造廠一覽表（JQML） 中國電子元器件質(zhì)量認證委員會認證合格產(chǎn)品（IECQ） 優(yōu)選元器件清單（PPL，如美國軍用電氣、電子、機電元件清單MIL-STD-975M） 使用規(guī)范與用戶手冊,2.1 元器件質(zhì)量等級 國產(chǎn)元器件的質(zhì)量規(guī)范,級（特軍級） A2級：單片0.1 A3級：單片0.25，混合0.5 B級（普軍級） B1級：單片0.5，混合1.0 B2級：單片1.0，混合3.0 C級（民用級） C1級：單片4.0，混合8.0 C2級：單片14.0（塑料封裝）,2.1 元器件質(zhì)量等級 國產(chǎn)集成電路質(zhì)量等級,使用時應依據(jù) 的順序選用： I：列入軍用電子元器件QPL、QML表的產(chǎn)品 II：工程應用效果良好，近期有生產(chǎn)供貨的產(chǎn)品 III：近年按國家軍用電子元器件新品研制計劃完成的新品,2.1 元器件質(zhì)量等級 國產(chǎn)元器件的優(yōu)選等級,宇航級 S級：0.25 S-1：0.75 軍用級 B級：1.0 B-1級：2.0 B-2級：5.0 民用級 D級：10.0 D-1級：20.0,工作溫度范圍 軍用：-55+125 工業(yè)用：-40+85 商業(yè)用： 0+70,2.1 元器件質(zhì)量等級 美國集成電路的質(zhì)量等級,詳細規(guī)范及符合的標準（國軍標、國標、行標、企標） 質(zhì)量等級（GJB/Z299B )與可靠性水平（失效率、壽命等） 認證情況（QPL、QML、PPL、IECQ） 成品率、工藝控制水平和批量生產(chǎn)情況（SPC） 采用的工藝和材料（最好能提供工藝控制數(shù)據(jù)和材料參數(shù)指標） 可靠性試驗數(shù)據(jù)（加速與現(xiàn)場，環(huán)境與壽命，近期及以往） 使用手冊與操作規(guī)范,2.1 元器件質(zhì)量等級 供貨商應提供的可靠性信息,盡量選用標準和通用器件，慎重選用新品種和非標準器件 盡量壓縮元器件的品種、規(guī)格及生產(chǎn)廠點 多選用集成電路，少選用分立器件 不用無功能及質(zhì)量檢測手段的器件 注重器件制造技術的成熟性（長期、連續(xù)、穩(wěn)定、大批量，成品率高） 考查生產(chǎn)廠家的工藝水平、質(zhì)量控制能力和產(chǎn)品信譽 選用能提供完善的可靠性應用指南或規(guī)范的器件,2.2 元器件選擇要點 品種型號的選擇原則,以集成電路為例： 最小線條： 0.350.250.180.13um 襯底材料： CMOSSOISiGeGaAsSiC 互連材料：CuAl（國外先進工藝） AlCu（國內(nèi)現(xiàn)有工藝） 鈍化材料：SiNPSG聚烯亞胺 無機有機 鍵合材料：AuAl(Si） 電路形式：數(shù)/模分離數(shù)/模合一 RF/BB分離RF/BB合一,2.2 元器件選擇要點 考察器件制造工藝水平,鍵合材料與引線機械強度的關系,對于設備關鍵部位和國家重點工程所用的國外集成電路要通過MIL-STD883試驗，分立半導體器件的質(zhì)量要符合MIL-S-19500的要求 供貨渠道可靠的品牌公司或國內(nèi)代理商 在產(chǎn)品長期使用中質(zhì)量穩(wěn)定可靠的老供貨商 能提供委托方的產(chǎn)品質(zhì)量證明或試驗檢測報告的供貨商 無不合格的性能指標參數(shù) 不是已停止生產(chǎn)或不再供貨的產(chǎn)品,2.2 元器件選擇要點 國外元器件選用,質(zhì)量、成品率與可靠性,質(zhì)量：出廠檢驗或老化篩選中發(fā)現(xiàn)的有缺陷器件數(shù) 成品率：批量器件中的合格器件數(shù) 可靠性：經(jīng)歷一年以上的上機時間后的失效器件數(shù) 一般而言，器件的質(zhì)量與成品率越高，可靠性越好。但質(zhì)量與成品率相同的器件，可靠性并非完全相同,塑料封裝：成本低，氣密性差，吸潮，承受功率小，易老化，不易散熱 陶瓷封裝：氣密性好，耐高溫，承受功率大，成本高 金屬封裝：氣密性好，耐高溫，承受功率較大，屏蔽效果好，成本高,2.2 元器件選擇要點 封裝的選擇:封裝材料,有引腳元件：寄生電感1nH/mm/引腳（越短越好），寄生電容4pF/引腳 無引腳元件：寄生電感0.5nH/端口，寄生電容0.3pF/端口 表面貼裝放射狀引腳軸面平行引腳,2.2 元器件選擇要點 封裝的選擇:管腳形式,SMT有利于可靠性的原因 引線極短：降低了分布電感和電容，提高了抗干擾能力 機械強度高：提高了電路抗振動和沖擊的能力 裝配一致性好：成品率高，參數(shù)離散性小,2.2 元器件選擇要點 封裝的選擇:表面貼裝,引線涂覆形式的選擇 鍍金：環(huán)境適應性好，易焊性佳，成本高 鍍錫：易焊性好，環(huán)境適應性一般，成本中等 熱焊料浸漬涂覆：質(zhì)量最差 內(nèi)部鈍化材料的選擇 芯片表面涂覆有機涂層或有機薄膜：慎用 芯片表面淀積有無機材料薄膜：可用 內(nèi)部氣氛 真空封裝：抗輻照，對管殼密封性要求高 惰性氣體封裝：易形成污染及電離氣體，有利于抵抗外界氣氛侵入,2.2 元器件選擇要點 引線及鈍化材料的選擇,二極管與三極管 慎用鍺管（工作溫度范圍?。?慎用點接觸器件（機械強度差） VDMOS功率管優(yōu)于雙極功率管（安全工作區(qū)大，無二次擊穿，功耗小，速度快） 電壓、電流、功率留有足夠的余量 集成穩(wěn)壓器 線性穩(wěn)壓器開關電源 線性穩(wěn)壓器帶輸出過流保護和芯片熱保護 開關穩(wěn)壓器不帶串聯(lián)調(diào)整管,2.2 元器件選擇要點 晶體管與穩(wěn)壓器的選擇,CMOSNMOSTTL 能用低速的就不用高速的，高速器件只用在關鍵的地方 能用集成度高的就不用集成度低的 不同類型的同類電路（如CMOS和TTL邏輯電路）不宜混用，以防延遲時間不同造成干擾 輸入抗干擾能力要強（帶施密特觸發(fā)器或線接收器） 輸出驅動能力要強（帶緩沖器或線驅動器） Mask ROMEPROMEEPROMFlash ROM,2.2 元器件選擇要點 數(shù)字集成電路的選擇,上升/下降時間為1ns的理想60MHz方波的頻譜,在滿足電路要求的前提下，采用盡可能低的時鐘頻率,2.2 元器件選擇要點 時鐘頻率的選擇,電源與地的引腳較近 多個電源及地線引腳 輸出電壓波動性小 電源瞬態(tài)電流低 開關速率可控 I/O端口與傳輸線匹配 差動信號傳輸 地線反射較低 對ESD及其它干擾現(xiàn)象的抗擾性好 輸入電容小 輸入級驅動能力不超過實際應用的要求,2.2 元器件選擇要點 電磁兼容性好的IC,集成運算放大器 差模與輸入極限電壓盡量高 帶輸入、輸出、電源端保護電路 轉換速率夠用即可 數(shù)據(jù)采集電路 優(yōu)先選擇CMOS開關 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應選“先斷后通”型，以防各信號源相互短路 放大器增益控制則應選擇“先通后斷”型，以防運放瞬時短路 帶輸入過載保護 采樣/保存電路 信號變化速率較高：選孔徑時間較少的品種 保存時間較長：選保持狀態(tài)漏電小的品種 采樣頻率較高：選捕獲時間足夠小的品種 精度要求較高：選電荷轉移足夠小的品種,2.2 元器件選擇要點 模擬集成電路的選擇,金屬膜RJ：環(huán)境溫度范圍寬（55125 ），噪聲小，精度高 碳膜RT：環(huán)境溫度范圍?。?0 ），噪聲大，價格低 金屬氧化膜RY：耐熱性、穩(wěn)定性、機械性能好，在直流電壓和潮濕環(huán)境下工作易發(fā)生還原反應 線繞RX；噪聲極低，溫度系數(shù)很小，體積較大，阻值做不大 合成膜RH：溫度系數(shù)和精度一般，失效率比RJ低0.5個量級，比RT低1個量級,被干擾性：碳膜金屬膜線繞 干擾性：線繞金屬膜碳膜,2.2 元器件選擇要點 電阻器的選擇,失效率：滌綸液體鉭電解鋁電解 帶負荷能力：無機介質(zhì)高分子有機介質(zhì)電解,2.2 元器件選擇要點 電容器的選擇,瓷介電容器的選擇,定義 極限參數(shù) 器件使用時的工作條件及環(huán)境條件的最大允許值 功能約束可靠性約束 分類 電流最大額定值：極限電流 電壓最大額定值：擊穿電壓 溫度最大額定值：最高允許結溫(塑料封裝125150，金屬封裝150200，化合物器件150175 ），最低允許結溫（0-55 ） 功率最大額定值：取決于最高允許結溫和熱阻 注意 工作額定值與最大額定值之間應留有充分的余量 用戶不要直接測試最大額定值 多個參數(shù)不要同時接近最大額定值,2.3 元器件降額使用 微電子器件的最大額定值,單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,2.3 元器件降額使用 實例：最大額定值選用不當,原理 工作溫度每上升10 ，器件的退化速率增加1倍 使用功率降低到額定功率的1/2，器件失效率降低為額定失效率的1/4 方法 工作應力額定應力 線路設計（電降額） 結構設計（熱降額） 作用 延長壽命 提高抵抗過應力的安全余量,2.3 元器件降額使用 微電子器件的降額使用,合理選擇降額等級 合理選擇降額參數(shù) 提高壽命：最高允許結溫 抵抗浪涌應力：電壓，電流 抵抗熱應力：溫度范圍，最高允許結溫，電流 抵抗潮濕應力：溫度范圍,2.3 元器件降額使用 降額應合理(1),合理選擇降額因子 降額因子一般為0.7-0.8，不宜0.5 降額過度的后果 增加了整機的成本、體積和重量 增加了設計難度 減少了電路的動態(tài)范圍 引入 新的失效機理 降額過度的實例 功率雙極晶體管：電流降額過度使hFE顯著下降 塑料封裝器件：功率降額過度使?jié)駳獾挠绊懮仙?電子管：燈絲電壓降