元器件知识-元器件选型时这些基础知识必须掌握在手

元(yuan)器件(jian)(jian)(jian)(jian)是电(dian)(dian)子元(yuan)件(jian)(jian)(jian)(jian)和小型的(de)(de)机器、仪器的(de)(de)组成(cheng)部分，其本(ben)身常由若干零件(jian)(jian)(jian)(jian)构成(cheng)，可(ke)以(yi)在同类产品中通(tong)用；常指电(dian)(dian)器、无线电(dian)(dian)、仪表(biao)等工业的(de)(de)某(mou)些零件(jian)(jian)(jian)(jian)，是电(dian)(dian)容、晶体管、游丝、发条等电(dian)(dian)子器件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)总称(cheng)。器件(jian)(jian)(jian)(jian)选(xuan)型时(shi)，这几(ji)个(ge)通(tong)识的(de)(de)基础知(zhi)识必须掌(zhang)握,器件(jian)(jian)(jian)(jian)选(xuan)型的(de)(de)思考的(de)(de)深度和广度，非常能考验设计(ji)者的(de)(de)功力，同时(shi)最(zui)后也落实到产品的(de)(de)质(zhi)量水平上。

（一）综合考虑

（1）易产生应用可靠性问题的器件

1、对外(wai)界应力敏(min)感的(de)器件(jian)

CMOS电路：对静电、闩(shuan)锁、浪涌敏(min)感

小信号放(fang)大器：对过电压、噪(zao)声、干扰敏感

塑(su)料封(feng)装器件：对湿(shi)气(qi)、热冲击、温度循环敏感(gan)

2、工作应(ying)力接(jie)近电路最大应(ying)力的器件

功率器件：功率接近极限值

高压器件：电压接(jie)近(jin)极限值

电(dian)源电(dian)路：电(dian)压(ya)和电(dian)流接近(jin)极限值 （电(dian)源）

高(gao)频器件：频率接(jie)近极限值（射频与高(gao)速数字）

超大(da)规模(mo)芯片：功耗接近(jin)极限(xian)值（特(te)别是(shi)大(da)功率的CPU、FPGA、DSP等）

3、频(pin)率与功率都大的(de)器件

时钟输(shu)出电(dian)路(lu)：在整个电(dian)路(lu)中频(pin)率最高，且要(yao)驱动(dong)几乎所有数字电(dian)路(lu)模块

总线(xian)控制与驱(qu)动(dong)电路：驱(qu)动(dong)能力(li)强，频率高

无线收发电路中的发射(she)机：功(gong)率和(he)频率接近极(ji)限值

（2）选用元器件要考虑的十大要素

1、电特(te)性：元(yuan)器件(jian)除了满足装备功(gong)能要求之外，要能经(jing)受最大施加的(de)电应力；

2. 工(gong)作(zuo)温度范(fan)围(wei)：元器件的额定工(gong)作(zuo)温度范(fan)围(wei)应等于(yu)或宽于(yu)所要(yao)经受的工(gong)作(zuo)温度范(fan)围(wei)；

3. 工(gong)艺(yi)质量(liang)与可制造(zao)性：元器(qi)件工(gong)艺(yi)成熟且稳定可控，成品率应(ying)高于规定值，封装应(ying)能与设备组装工(gong)艺(yi)条件相容(rong)；

4. 稳定性：在(zai)温度、湿度、频率、老化等变(bian)化的情况下(xia)，参数变(bian)化在(zai)允许的范围(wei)内(nei)；

5. 寿命(ming)：工作寿命(ming)或贮存寿命(ming)应不短于使用它们的设备(bei)的预(yu)计寿命(ming)；

6. 环境(jing)适(shi)应(ying)性(xing)：应(ying)能良(liang)好地工(gong)作于各种使用环境(jing)，特(te)别是如潮热(re)、盐雾、沙尘、酸雨、霉菌(jun)、辐(fu)射、高海拔等特(te)殊(shu)环境(jing)；

7. 失(shi)效(xiao)模(mo)式：对元器件的典型失(shi)效(xiao)模(mo)式和(he)失(shi)效(xiao)机(ji)理应(ying)有充分了解(jie)；

8. 可维修性(xing)：应考虑安装、拆(chai)卸(xie)、更换是(shi)否方便以(yi)及(ji)所需要的工具和熟(shu)练等级(ji)；

9. 可用性：供货商多于1个，供货周期满足设(she)备制(zhi)造(zao)计划进(jin)度，能保证元器件失 效时的及时更换要求等(deng)；

10. 成(cheng)本：在能同时满足所要求的性能、寿命和(he)环(huan)境制约(yue)条(tiao)件(jian)下(xia)，考虑采(cai)用性价比(bi)高的元(yuan)器(qi)件(jian)；

（3）失效模式及其分布

1、失效模式：元器(qi)件的(de)失效形(xing)式，即是怎么样失效的(de)？

2、失效机理：元器件的失效原因，即(ji)是为什么失效的？

3、元器件(jian)的使用(yong)者即使不(bu)能了解(jie)失(shi)(shi)效机(ji)理，也应该(gai)了解(jie)失(shi)(shi)效模(mo)式；

4、失效(xiao)(xiao)模式分布：如(ru)果(guo)元器件有多种(zhong)失效(xiao)(xiao)模式，则各种(zhong)失效(xiao)(xiao)模式发生的概率是(shi)进行失效(xiao)(xiao)分析的前提(ti)。

（4）高可靠元器件的特征

1、制造(zao)商认证：生产厂商通(tong)过了权威部门的合(he)格认证；

2、生产线(xian)认证：产品(pin)只(zhi)能在认证合格的专用生产线(xian)上生产；

3、可(ke)靠性(xing)(xing)检验：产品进行并(bing)通(tong)过了一系列(lie)的性(xing)(xing)能和可(ke)靠性(xing)(xing)试(shi)验，100%筛选和质量(liang)一致(zhi)性(xing)(xing)检验；

4、工(gong)艺控制水平：产品(pin)的生(sheng)产过程得(de)到了严(yan)格的控制，成品(pin)率高；

5、标准(zhun)化程度：产(chan)品的生(sheng)产(chan)和检验符合国际、国家或行业通用规(gui)范及详细规(gui)范要求。

（5）品种型号的优先选用规则

优先(xian)选(xuan)(xuan)用标(biao)准(zhun)的(de)、通用的(de)、系列化的(de)元器件(jian)，慎重(zhong)选(xuan)(xuan)用新(xin)品种和非标(biao)准(zhun)器件(jian)，最(zui)大限度地压缩元器件(jian)的(de)品种规格(ge)和承制单(dan)位的(de)数(shu)量。优先(xian)选(xuan)(xuan)用列入(ru)元器件(jian)优选(xuan)(xuan)目录。

优先选用(yong)器件制造技(ji)术成熟的产品(pin)，选用(yong)能长期(qi)、连续、稳定、大批量(liang)供(gong)货(huo)且成品(pin)率高的定点供(gong)货(huo)单位。

优(you)先(xian)选用能提供完善的(de)工艺控制数据、可靠性应用指南或使用规(gui)范(fan)的(de)厂家产(chan)品(pin)。在质量等级相当的(de)前提下，优(you)先(xian)选用集(ji)成度高的(de)器件(jian)，少(shao)选用分立器件(jian)。

（6）供货商应提供的可靠性信息

1、详细规范及符合(he)的标(biao)准：国(guo)军标(biao)、国(guo)标(biao)、行标(biao)、企标(biao)；

2、认证(zheng)情况：QPL、QML、PPL、IECQ等(deng)；

3、质量(liang)等级与(yu)可靠性水(shui)平(ping)：失效(xiao)率、寿命（MTTF）、抗静电强度(du)、抗辐照水(shui)平(ping)等；

4、可靠性试(shi)验数据：加速与现场，环(huan)境与寿命，近期(qi)及以(yi)往，所采(cai)用的试(shi)验方法(fa)与数据处理(li)方法(fa)；

5、成品率数据：中测（裸(luo)片）、总测（封装后）等；

6、质(zhi)量(liang)一致(zhi)性数据(ju)：批次间，晶圆(yuan)间，芯片间，平(ping)均值、方差、分布；

7、工艺(yi)稳(wen)定(ding)性数(shu)据(ju)：统计工艺(yi)控制（SPC）数(shu)据(ju)，批量(liang)生产(chan)情况；

8、采(cai)用(yong)的工艺(yi)和材(cai)料：最好能提供关键工艺(yi)和材(cai)料的主要参数指标；

9、使(shi)用(yong)手册与操作(zuo)规范：典型应用(yong)电路、可(ke)靠性防护(hu)方法等。

（二）工艺考虑

（1）以集成电路为例

1、最小线条(tiao)：0.35、0.25、0.18、0.13μm；

2、衬底材料：Si>SOI>SiGe>GaAs>SiC；

3、互连(lian)材料：Cu>Al（国外先进工艺）Al>Cu（国内(nei)现有工艺）；

4、钝(dun)化材料(liao)：SiN>PSG>聚烯亚胺(an) 无机>有机 ；

5、键合材(cai)料：Au>Cu>Al(Si）；

6、电路形式(shi)：数/模分离(li)>数/模合一  RF/BB分离(li)>RF/BB合一。

（2） CMOS芯片成品率与可靠性的关系

成品率(lv)（有(you)时称为质量）：出厂或老化(hua)筛选中在(zai)批量器(qi)件(jian)(jian)发现的合格器(qi) 件(jian)(jian)数(shu) 可靠(kao)性：经历一年以上的上机时间后的失效(xiao)器(qi)件(jian)(jian)数(shu)。

一般而(er)言，器件的质(zhi)量与成品率越(yue)高，可(ke)靠(kao)性越(yue)好。但质(zhi)量与成品率相(xiang)(xiang) 同(tong)的器件，可(ke)靠(kao)性并(bing)非完全(quan)相(xiang)(xiang)同(tong)。

（3）SPC数据:合格率的表征

1、统计(ji)工艺控制；

2、工艺(yi)准确度和工艺(yi)稳定(ding)(ding)性(xing)是(shi)决定(ding)(ding)产品成品率和可靠性(xing)的重(zhong)要因素，可用统计工艺(yi)控(kong)制（SPC，Statistical Process Control）数据(ju)来定(ding)(ding)量表(biao)征；

3、合格(ge)率的(de)表(biao)征(zheng)参数；

4、成品率(yield）：批产品中合格品所占百分比；

5、ppm（parts per million）：每一(yi)百(bai)万个产品(pin)中不合格(ge)品(pin)的数(shu)量(liang)，适6合于批量(liang)大、质(zhi)量(liang)稳(wen)定、成品(pin)率高的产品(pin)表征；

7、工艺(yi)偏(pian)移和离散的表(biao)征 ；

8、不合格品的产(chan)生主要来自(zi)元器(qi)件制造(zao)工艺(yi)不可避免地存在着的偏移和离散；

9、工(gong)艺参数的(de)分(fen)布(bu)通常满足正态分(fen)布(bu)。

（三）封装考虑

（1）寄生参数典型值

1、有(you)引脚元件：寄(ji)(ji)生(sheng)电感1nH/mm/引脚（越(yue)短越(yue)好），寄(ji)(ji)生(sheng)电容4pF/引脚 ；

2、无引脚元件(jian)：寄(ji)生(sheng)电(dian)感0.5nH/端口，寄(ji)生(sheng)电(dian)容0.3pF/端口；

3、不同封装形式寄生效(xiao)应的(de)比较（寄生参数由小到大）；

4、无引脚贴装(zhuang)>表(biao)面贴装(zhuang)>放射状(zhuang)引脚>轴面平行引脚；

5、CSP>BGA>QFP>SMD>DIP。

电容(rong)器(qi)的寄(ji)生电感还与电容(rong)器(qi)的封(feng)装形(xing)式有关。管脚宽长比越(yue)大(da)，寄(ji)生电感越(yue)小(xiao)。

（2）有利于可靠性

1、引线极短：降低了分(fen)布(bu)电感(gan)和(he)电容，提高了抗干(gan)扰能力和(he)电路速度(du)；

2、机械(xie)强度高(gao)：提高(gao)了电路抗振动(dong)和冲击的能力(li)；

3、装配一致(zhi)性好(hao)：成(cheng)品率(lv)高，参数离散性小。

（3）不利于可靠性

1、材料不匹配性(xing)增加：某(mou)些陶瓷(ci)基材的SMT元件（如某(mou)些电阻(zu)器(qi)、电容器(qi)、 无引线芯片(pian)载体LCC）与PCB基板环氧玻璃的热膨胀系(xi)数(shu)不匹配，引发(fa)热 应(ying)力失效；

2、较(jiao)易(yi)污(wu)染：SMT元件(jian)与PCB板(ban)之间(jian)不易(yi)清洁，易(yi)驻留焊剂的污(wu)染物，需采 用(yong)特(te)殊的处理方(fang)法；

3、表面贴(tie)装对可(ke)靠性是(shi)利远(yuan)大于(yu)弊(bi)，目前已占了90％的比例。

（4）封装材料的比较

1、塑料封装(zhuang)

优点(dian)：成(cheng)本低（约为陶瓷封(feng)装(zhuang)的55％），重量轻（约为陶瓷封(feng)装(zhuang)的 1/2），管脚数多，高频寄生效应弱，便于自动化生产 ；

缺点(dian)：气密性差(cha)，吸(xi)潮(chao)，不易(yi)散热(re)，易(yi)老(lao)化，对静电敏感 ；

适用性：大(da)多(duo)数半导体分立器(qi)件与集成(cheng)电路常规产品(pin)。

2、陶瓷封装

优点(dian)：气密性(xing)(xing)好，散(san)热能力强（热导率高），高频绝缘性(xing)(xing)能好，承受功率 大，布线密度高；

缺点：成本高；

适用性：航(hang)空、航(hang)天、军(jun)事等(deng)高端市场。

3、金属(shu)封装(zhuang)

优(you)点：气(qi)密(mi)性好，散(san)热能(neng)力(li)(li)强，具有(you)电磁屏蔽能(neng)力(li)(li)，可靠性高；

缺点(dian)：成本高(gao)，管脚(jiao)数有限；

适用性：小规模(mo)高可(ke)靠器件；

通常称塑封为(wei)(wei)非气密(mi)封装，陶瓷和(he)金(jin)属(shu)为(wei)(wei)气密(mi)封装。

4、吸潮性问(wen)题

塑(su)料封装所采用环氧树脂材料本身(shen)具(ju)有(you)吸潮性，湿气容易(yi)在其(qi)表(biao)面吸附(fu)。水汽会引(yin)起塑(su)封材料自身(shen)的蠕变，如入(ru)侵(qin)到(dao)芯片内(nei)部，则(ze)会导致腐(fu)蚀以及表(biao)面沾(zhan)污(wu)。

5、气密(mi)性问题(ti)

塑(su)料管(guan)壳与金属引线(xian)框架、半导(dao)体(ti)芯片(pian)等材(cai)料的热膨胀(zhang)系数的差异要大(da)得多(与陶瓷及(ji)金属管(guan)壳相比)→温(wen)度变(bian)化时会在(zai)材(cai)料界(jie)面产生(sheng)相当大(da)的机械应(ying)力→界(jie)面处(chu)产生(sheng)缝隙(xi)→导(dao)致气密性劣化 水汽在(zai)缝隙(xi)处(chu)聚集→温(wen)度上升时迅速汽化而膨胀(zhang)→界(jie)面应(ying)力进一(yi)步(bu)加大(da)→有可 能使塑(su)封(feng)体(ti)爆裂（“爆米花”效应(ying)）。

PCB再流(liu)焊时温度(du)(du)可(ke)在5～40s内上升(sheng)到205～250 ℃ ，上升(sheng)梯度(du)(du)达到1～2 ℃/s ，容易产生上述效应。

6、温度适(shi)应性问(wen)题

塑封材料(liao)的玻璃化转换温度为130～160 ℃ ，超(chao)过此温度后塑封材料(liao)会(hui)软化，对气密性也(ye)有不(bu)利影(ying)响。

商(shang)用塑(su)封(feng)器(qi)件的温(wen)度(du)范(fan)围一般为0～70 ℃ 、-40~+85 ℃ 、－40～+125℃ ，难以达到军用温(wen)度(du)范(fan)围-55~+125 ℃。

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