元器件知識-元器件選型時這些基礎(chǔ)知識必須掌握在手

元器件是電子元件和小型的機(jī)器、儀器的組成部分，其本身常由若干零件構(gòu)成，可以在同類產(chǎn)品中通用；常指電器、無線電、儀表等工業(yè)的某些零件，是電容、晶體管、游絲、發(fā)條等電子器件的總稱。器件選型時，這幾個通識的基礎(chǔ)知識必須掌握,器件選型的思考的深度和廣度，非常能考驗設(shè)計者的功力，同時最后也落實到產(chǎn)品的質(zhì)量水平上。

（一）綜合考慮

（1）易產(chǎn)生應(yīng)用可靠性問題的器件

1、對外界應(yīng)力敏感的器件

CMOS電路：對靜電、閂鎖、浪涌敏感

小信號放大器：對過電壓、噪聲、干擾敏感

塑料封裝器件：對濕氣、熱沖擊、溫度循環(huán)敏感

2、工作應(yīng)力接近電路最大應(yīng)力的器件

功率器件：功率接近極限值

高壓器件：電壓接近極限值

電源電路：電壓和電流接近極限值 （電源）

高頻器件：頻率接近極限值（射頻與高速數(shù)字）

超大規(guī)模芯片：功耗接近極限值（特別是大功率的CPU、FPGA、DSP等）

3、頻率與功率都大的器件

時鐘輸出電路：在整個電路中頻率最高，且要驅(qū)動幾乎所有數(shù)字電路模塊

總線控制與驅(qū)動電路：驅(qū)動能力強(qiáng)，頻率高

無線收發(fā)電路中的發(fā)射機(jī)：功率和頻率接近極限值

（2）選用元器件要考慮的十大要素

1、電特性：元器件除了滿足裝備功能要求之外，要能經(jīng)受最大施加的電應(yīng)力；

2. 工作溫度范圍：元器件的額定工作溫度范圍應(yīng)等于或?qū)捰谒?jīng)受的工作溫度范圍；

3. 工藝質(zhì)量與可制造性：元器件工藝成熟且穩(wěn)定可控，成品率應(yīng)高于規(guī)定值，封裝應(yīng)能與設(shè)備組裝工藝條件相容；

4. 穩(wěn)定性：在溫度、濕度、頻率、老化等變化的情況下，參數(shù)變化在允許的范圍內(nèi)；

5. 壽命：工作壽命或貯存壽命應(yīng)不短于使用它們的設(shè)備的預(yù)計壽命；

6. 環(huán)境適應(yīng)性：應(yīng)能良好地工作于各種使用環(huán)境，特別是如潮熱、鹽霧、沙塵、酸雨、霉菌、輻射、高海拔等特殊環(huán)境；

7. 失效模式：對元器件的典型失效模式和失效機(jī)理應(yīng)有充分了解；

8. 可維修性：應(yīng)考慮安裝、拆卸、更換是否方便以及所需要的工具和熟練等級；

9. 可用性：供貨商多于1個，供貨周期滿足設(shè)備制造計劃進(jìn)度，能保證元器件失 效時的及時更換要求等；

10. 成本：在能同時滿足所要求的性能、壽命和環(huán)境制約條件下，考慮采用性價比高的元器件；

（3）失效模式及其分布

1、失效模式：元器件的失效形式，即是怎么樣失效的？

2、失效機(jī)理：元器件的失效原因，即是為什么失效的？

3、元器件的使用者即使不能了解失效機(jī)理，也應(yīng)該了解失效模式；

4、失效模式分布：如果元器件有多種失效模式，則各種失效模式發(fā)生的概率是進(jìn)行失效分析的前提。

（4）高可靠元器件的特征

1、制造商認(rèn)證：生產(chǎn)廠商通過了權(quán)威部門的合格認(rèn)證；

2、生產(chǎn)線認(rèn)證：產(chǎn)品只能在認(rèn)證合格的專用生產(chǎn)線上生產(chǎn)；

3、可靠性檢驗：產(chǎn)品進(jìn)行并通過了一系列的性能和可靠性試驗，100%篩選和質(zhì)量一致性檢驗；

4、工藝控制水平：產(chǎn)品的生產(chǎn)過程得到了嚴(yán)格的控制，成品率高；

5、標(biāo)準(zhǔn)化程度：產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗符合國際、國家或行業(yè)通用規(guī)范及詳細(xì)規(guī)范要求。

（5）品種型號的優(yōu)先選用規(guī)則

優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)的、通用的、系列化的元器件，慎重選用新品種和非標(biāo)準(zhǔn)器件，最大限度地壓縮元器件的品種規(guī)格和承制單位的數(shù)量。優(yōu)先選用列入元器件優(yōu)選目錄。

優(yōu)先選用器件制造技術(shù)成熟的產(chǎn)品，選用能長期、連續(xù)、穩(wěn)定、大批量供貨且成品率高的定點供貨單位。

優(yōu)先選用能提供完善的工藝控制數(shù)據(jù)、可靠性應(yīng)用指南或使用規(guī)范的廠家產(chǎn)品。在質(zhì)量等級相當(dāng)?shù)那疤嵯?，?yōu)先選用集成度高的器件，少選用分立器件。

（6）供貨商應(yīng)提供的可靠性信息

1、詳細(xì)規(guī)范及符合的標(biāo)準(zhǔn)：國軍標(biāo)、國標(biāo)、行標(biāo)、企標(biāo)；

2、認(rèn)證情況：QPL、QML、PPL、IECQ等；

3、質(zhì)量等級與可靠性水平：失效率、壽命（MTTF）、抗靜電強(qiáng)度、抗輻照水平等；

4、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，所采用的試驗方法與數(shù)據(jù)處理方法；

5、成品率數(shù)據(jù)：中測（裸片）、總測（封裝后）等；

6、質(zhì)量一致性數(shù)據(jù)：批次間，晶圓間，芯片間，平均值、方差、分布；

7、工藝穩(wěn)定性數(shù)據(jù)：統(tǒng)計工藝控制（SPC）數(shù)據(jù)，批量生產(chǎn)情況；

8、采用的工藝和材料：最好能提供關(guān)鍵工藝和材料的主要參數(shù)指標(biāo)；

9、使用手冊與操作規(guī)范：典型應(yīng)用電路、可靠性防護(hù)方法等。

（二）工藝考慮

（1）以集成電路為例

1、最小線條：0.35、0.25、0.18、0.13μm；

2、襯底材料：Si>SOI>SiGe>GaAs>SiC；

3、互連材料：Cu>Al（國外先進(jìn)工藝）Al>Cu（國內(nèi)現(xiàn)有工藝）；

4、鈍化材料：SiN>PSG>聚烯亞胺 無機(jī)>有機(jī) ；

5、鍵合材料：Au>Cu>Al(Si）；

6、電路形式：數(shù)/模分離>數(shù)/模合一  RF/BB分離>RF/BB合一。

（2） CMOS芯片成品率與可靠性的關(guān)系

成品率（有時稱為質(zhì)量）：出廠或老化篩選中在批量器件發(fā)現(xiàn)的合格器 件數(shù) 可靠性：經(jīng)歷一年以上的上機(jī)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。

（3）SPC數(shù)據(jù):合格率的表征

1、統(tǒng)計工藝控制；

2、工藝準(zhǔn)確度和工藝穩(wěn)定性是決定產(chǎn)品成品率和可靠性的重要因素，可用統(tǒng)計工藝控制（SPC，Statistical Process Control）數(shù)據(jù)來定量表征；

3、合格率的表征參數(shù)；

4、成品率(yield）：批產(chǎn)品中合格品所占百分比；

5、ppm（parts per million）：每一百萬個產(chǎn)品中不合格品的數(shù)量，適6合于批量大、質(zhì)量穩(wěn)定、成品率高的產(chǎn)品表征；

7、工藝偏移和離散的表征 ；

8、不合格品的產(chǎn)生主要來自元器件制造工藝不可避免地存在著的偏移和離散；

9、工藝參數(shù)的分布通常滿足正態(tài)分布。

（三）封裝考慮

（1）寄生參數(shù)典型值

1、有引腳元件：寄生電感1nH/mm/引腳（越短越好），寄生電容4pF/引腳 ；

2、無引腳元件：寄生電感0.5nH/端口，寄生電容0.3pF/端口；

3、不同封裝形式寄生效應(yīng)的比較（寄生參數(shù)由小到大）；

4、無引腳貼裝>表面貼裝>放射狀引腳>軸面平行引腳；

5、CSP>BGA>QFP>SMD>DIP。

電容器的寄生電感還與電容器的封裝形式有關(guān)。管腳寬長比越大，寄生電感越小。

（2）有利于可靠性

1、引線極短：降低了分布電感和電容，提高了抗干擾能力和電路速度；

2、機(jī)械強(qiáng)度高：提高了電路抗振動和沖擊的能力；

3、裝配一致性好：成品率高，參數(shù)離散性小。

（3）不利于可靠性

1、材料不匹配性增加：某些陶瓷基材的SMT元件（如某些電阻器、電容器、 無引線芯片載體LCC）與PCB基板環(huán)氧玻璃的熱膨脹系數(shù)不匹配，引發(fā)熱 應(yīng)力失效；

2、較易污染：SMT元件與PCB板之間不易清潔，易駐留焊劑的污染物，需采 用特殊的處理方法；

3、表面貼裝對可靠性是利遠(yuǎn)大于弊，目前已占了90％的比例。

（4）封裝材料的比較

1、塑料封裝

優(yōu)點：成本低（約為陶瓷封裝的55％），重量輕（約為陶瓷封裝的 1/2），管腳數(shù)多，高頻寄生效應(yīng)弱，便于自動化生產(chǎn) ；

缺點：氣密性差，吸潮，不易散熱，易老化，對靜電敏感 ；

適用性：大多數(shù)半導(dǎo)體分立器件與集成電路常規(guī)產(chǎn)品。

2、陶瓷封裝

優(yōu)點：氣密性好，散熱能力強(qiáng)（熱導(dǎo)率高），高頻絕緣性能好，承受功率 大，布線密度高；

缺點：成本高；

適用性：航空、航天、軍事等高端市場。

3、金屬封裝

優(yōu)點：氣密性好，散熱能力強(qiáng)，具有電磁屏蔽能力，可靠性高；

缺點：成本高，管腳數(shù)有限；

適用性：小規(guī)模高可靠器件；

通常稱塑封為非氣密封裝，陶瓷和金屬為氣密封裝。

4、吸潮性問題

塑料封裝所采用環(huán)氧樹脂材料本身具有吸潮性，濕氣容易在其表面吸附。水汽會引起塑封材料自身的蠕變，如入侵到芯片內(nèi)部，則會導(dǎo)致腐蝕以及表面沾污。

5、氣密性問題

塑料管殼與金屬引線框架、半導(dǎo)體芯片等材料的熱膨脹系數(shù)的差異要大得多(與陶瓷及金屬管殼相比)→溫度變化時會在材料界面產(chǎn)生相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng)力→界面處產(chǎn)生縫隙→導(dǎo)致氣密性劣化 水汽在縫隙處聚集→溫度上升時迅速汽化而膨脹→界面應(yīng)力進(jìn)一步加大→有可 能使塑封體爆裂（“爆米花”效應(yīng)）。

PCB再流焊時溫度可在5～40s內(nèi)上升到205～250 ℃ ，上升梯度達(dá)到1～2 ℃/s ，容易產(chǎn)生上述效應(yīng)。

6、溫度適應(yīng)性問題

塑封材料的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度為130～160 ℃ ，超過此溫度后塑封材料會軟化，對氣密性也有不利影響。

商用塑封器件的溫度范圍一般為0～70 ℃ 、-40~+85 ℃ 、－40～+125℃ ，難以達(dá)到軍用溫度范圍-55~+125 ℃。

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