第3-1電氣可靠性設計

1、第3章 電子元器件的可靠性使用n防浪涌應用防浪涌應用n防靜電應用防靜電應用n防閂鎖應用防閂鎖應用n防輻射應用防輻射應用本章概要 3.1 防浪涌應用 什么是浪涌？ n浪涌的特征浪涌的特征n瞬時高電壓或瞬時強電流n平均功率不大，瞬時功率不小n浪涌的作用浪涌的作用n輕：邏輯電路誤動作，模擬電路參數(shù)漂移n中：潛在損傷，壽命縮短，抗應力能力下降n重：即時失效或燒毀3.1 防浪涌應用 數(shù)字IC狀態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生浪涌電流 n浪涌脈沖寬度：10ns n浪涌脈沖高度：雙極 10mA/每門, CMOS 100uA/每門3.1 防浪涌應用 數(shù)字IC冒險競爭產(chǎn)生浪涌電流3.1 防浪涌應用 過沖或欠沖產(chǎn)生浪涌3.1 防浪涌應

2、用 VLSI的電源浪涌電流 IC集成規(guī)模同時翻轉(zhuǎn)的門數(shù)浪涌電流幅度IC工作頻率過渡區(qū)越陡浪涌脈沖間隔3.1 防浪涌應用 浪涌電流浪涌電壓 浪涌電流浪涌電壓n浪涌電流浪涌電流n開關過渡電流Iptn對負載電容充電電流Iotn浪涌電壓浪涌電壓n在芯片封裝寄生電感上的浪涌電壓VN1n在PCB布線寄生電感上的浪涌電壓VN23.1 防浪涌應用 SPICE仿真結果對負載電容充電的浪涌電流通過封裝及PCB寄生電感形成的電壓變化3.1 防浪涌應用 數(shù)字IC浪涌的抑制方法n芯片內(nèi)n采用電感成分小的封裝：小型大型，CSPBGAQFPDIPn增加接地端的數(shù)目n限制輸出電路的電流變化率n芯片外n采用旁路電容n盡量減少P

3、CB板電源線的電感成分n限制IC端子同時變化的信號數(shù)，盡量不要使多個輸入數(shù)據(jù)線同時變化nCMOS電路：每使用1015塊CMOS電路（或單塊大規(guī)模電路），接一個0.010.1uF電容對電源進行去耦n雙極電路：每使用510塊TTL電路（或線性電路），接一個0.010.1uF電容對電源進行去耦n去耦電容盡可能接近IC。每塊PCB也應用一塊更大容量的電容去耦。電容應為低電感、高頻特性良好，片式，非層式或卷式3.1 防浪涌應用 旁路電容的接法 3.1 防浪涌應用 旁路電容的特性 片型層積陶瓷電容單體的頻率特性諧振頻率n輸出從高電平向低電平瞬時轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)n電容越大，過渡期越長nTTL電路與CMOS電路均有

4、可能產(chǎn)生3.1 防浪涌應用 接通容性負載時產(chǎn)生的浪涌電流 n接入限流電感，但影響電路速度n電容負載接通后自動斷開限流電阻或電感，但電路復雜3.1 防浪涌應用 容性負載產(chǎn)生浪涌的抑制方法 n開關電源，功率管驅(qū)動變壓器或繼電器負載n輸出從低電平向高電平瞬時轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)n電感越大，浪涌電壓越高n易引起器件擊穿3.1 防浪涌應用 斷開感性負載時產(chǎn)生的浪涌電壓 n并接電阻：但增加功耗n并接RC支路：易產(chǎn)生共振n并接二極管：可能影響電路速度n齊納二極管：鉗位電壓應適當電感負載產(chǎn)生浪涌的抑制方法n繼電器線圈電感產(chǎn)生的浪涌電壓n繼電器觸點放電產(chǎn)生的浪涌電流n繼電器線圈浪涌抑制n繼電器觸點浪涌抑制3.1 防浪涌應

5、用 繼電器產(chǎn)生的浪涌 n來源來源n冷電阻浪涌：開啟瞬間n閃爍浪涌：失效瞬間n對策對策n采用分流電阻n采用限流電路3.1 防浪涌應用 白熾燈產(chǎn)生的浪涌 n雷電雷電n直接雷擊：1000kVn雷電感應：線間6kV，對地12kVn開關開關n大型電氣設備的通斷：常規(guī)電壓的34倍n三相電未同時投入：常規(guī)電壓的23.5倍n接地接地n對地短路時：常規(guī)電壓的2倍n接地開路時：常規(guī)電壓的45倍交流電源濾波器3.1 防浪涌應用 交流電網(wǎng)產(chǎn)生的浪涌 開關電源：濾波不良 線性電源：開關瞬間3.1 防浪涌應用 設備供電電源產(chǎn)生的浪涌 n具有圖騰柱或達林頓輸出結構的TTL電路不宜并聯(lián)使用n電源端與地端不能錯接，輸出端不能對

6、電源或地端短路n未使用的輸入端不宜懸空，更不能接開路長線n閑置不用的門電路應處于截止狀態(tài)，以節(jié)省整機功耗n輸入信號的脈沖寬度必須長于傳播延遲時間，上升沿或下降沿盡量陡（邏輯電路1us，時鐘電路150us)n長線輸入接5001k 上拉電阻，驅(qū)動長線接51串聯(lián)電阻3.1 防浪涌應用 TTL電路防浪涌應用 n靜電產(chǎn)生的兩種模式靜電產(chǎn)生的兩種模式n摩擦：絕緣體與絕緣體，絕緣體與導體n感應：導體與帶電體3.2 防靜電應用 靜電的產(chǎn)生 n摩擦時，電子從較上的物質(zhì)轉(zhuǎn)向較下的物質(zhì)，使兩種物質(zhì)分別帶正負電荷n物質(zhì)離得越遠，摩擦產(chǎn)生的電荷量越大摩擦起電序列n 人在地毯上行走：鞋與地毯摩擦產(chǎn)生靜電(假定為正電荷)n

7、 人體電荷重新分布：腳帶正電荷，手帶負電荷n 人手接近(或觸摸)鍵盤：鍵盤通過感應(或傳導)帶正電荷(或負電荷)，接近速度越快，距離越近，電荷越多n 鍵盤對地放電或輝光放電：鍵盤上的元器件損壞 3.2 防靜電應用 人行走-鍵盤模型 n人體及其衣服：接觸面廣，活動范圍大，與大地之間的電容?。?50pF)，電阻低(1千歐）n器件載體：包裝容器（袋、盒、包），夾具，傳送導軌n周邊環(huán)境：工作臺，椅子，地板，焊接工具，裝配工具3.2 防靜電應用 靜電的來源 n運動的速度n材料性質(zhì)的差異 （化纖比棉織品嚴重）n物體之間的電容n環(huán)境濕度 （北方比南方嚴重，內(nèi)陸比沿海嚴重）n物體的電阻3.2 防靜電應用 影響

8、靜電的因素 n甚敏感器件甚敏感器件nMOS器件：MOSFET，VDMOS，MOS電容n柵控器件：JFET，SCRn微波與射頻器件： GaAs MESFET，HEMT，MIMICn敏感器件敏感器件nMOS數(shù)字電路：CMOS，NMOS，存儲器與微處理器n小信號模擬電路：運算放大器，A/D&D/An雙極數(shù)字電路：TTL，STTL，ECLn中等敏感器件中等敏感器件n雙極器件：pn二極管，雙極晶體管n阻容元件3.2 防靜電應用 器件靜電敏感性的差別 3.2 防靜電應用 靜電失效模式 pn結擊穿金屬化失效鍵合線開路n突發(fā)失效（catastrophic damage)：單次高電壓，功能即時喪失n隱性

9、失效（latent damage):多次低電壓，壽命縮短，抗應力能力下降）n 靜電放電形式靜電放電形式n向器件放電向器件放電n來自器件的放電來自器件的放電n場致放電場致放電n 靜電失效機理靜電失效機理n過電壓場致失效過電壓場致失效n 現(xiàn)象：MOS器件柵擊穿，雙極器件pn結擊穿n 因素：輸入電阻越高，輸入電容越小，越容易失效n過電流熱致失效過電流熱致失效n 現(xiàn)象：直接燒毀，誘發(fā)閂鎖效應或二次擊穿效應n 因素：電流截面越小，對地電阻越低，環(huán)境溫度越高，越容易失效 3.2 防靜電應用 靜電失效機理 3.2 防靜電應用 實例:靜電對MOS電容的破壞 防靜電材料n不易產(chǎn)生靜電n安全泄放靜電分類表面電阻率

10、構成放電情況導電防護材料輸出端n傳輸門邏輯門n多輸入單輸入n擴散電阻保護多晶硅電阻保護3.3 防閂鎖應用 誘發(fā)閂鎖的外部因素SSVINPUTn采用保護二極管和限流電阻采用保護二極管和限流電阻n阻值2002k，限制電流10mA(輸入端與輸出端3.3 防閂鎖應用 限流與限壓n輸出端采用隔離放大器輸出端采用隔離放大器3.3 防閂鎖應用 輸出隔離n輸入端避免使用長導線或電感輸入端避免使用長導線或電感（Rp=VDD/1mA)，必須使用長線時應加線驅(qū)動器或緩沖器3.3 防閂鎖應用 避免長輸入線n避免大電容負載避免大電容負載 （0.5MeV,輻射有效半徑1km幾十kmn射線射線：能量1MeV,輻射有效半徑3

11、km幾百kmn熱電磁脈沖熱電磁脈沖：電場105V/m，磁場102A/m，f=10kHz100MHz，脈沖間隔1030nsn瞬態(tài)效應為主瞬態(tài)效應為主：劑量率，rad(Si)/s3.4 防輻射應用 輻射物理效應:位移n輻射使晶格原子位移空位、間隙原子n中子輻射顯著：不帶電，能量大，穿透能力強n引入輻射誘生能級n復合中心少子壽命n雜質(zhì)補償中心多子濃度 電阻率n散射中心載流子遷移率n永久性損傷：不可恢復 輻射輻射晶格原子空位間隙原子位移3.4 防輻射應用 輻射物理效應:電離n輻射使晶格原子電離自由電子、帶電離子n射線顯著：光電效應n引入表面缺陷n氧化層正電荷nSi-SiO2界面陷阱n氧化層表面可動離子

12、n半永久性損傷和瞬時損傷 輻射輻射晶格原子離子自由電子電離3.4 防輻射應用 輻射誘發(fā)失效n雙極器件(對中子輻射敏感)n二極管：正向動態(tài)電阻，反向擊穿電壓,漏電流n放大管：電流放大系數(shù)，飽和壓降n開關管：上升時間,存儲時間和下降時間,低電平閾值nMOS器件(對電離輻射敏感）n閾值電壓漂移n跨導退化n隔離結漏電流n單粒子引起誤觸發(fā)3.4 防輻射應用 元器件的選用:比較n不同類型元器件不同類型元器件n無源元件有源器件n二極管三極管nJFETBTMOSFETn分立線路集成電路（對于電離輻射）n數(shù)字集成電路模擬集成電路n高頻、高速運用低頻、低速運用n大電流運用中小電流運用n高電源電壓運用低電源電壓運用

13、3.4 防輻射應用 元器件的選用:ICn集成電路集成電路n雙極電路抗中子輻照能力差，最敏感的參數(shù)是電流放大系數(shù)hFE； MOS電路抗電離輻照的能力差，最敏感的參數(shù)是閾值電壓VTn數(shù)字集成電路模擬集成電路n介質(zhì)隔離電路pn結隔離電路n絕緣襯底（CMOS/SOI)電路硅襯底電路（CMOS/Si）nGaAs電路Si電路n抗中子輻照：CMOS/SOICMOS/Si肖特基TTLI2L雙極型線性電路 抗穩(wěn)態(tài)電離輻照：ECL肖特基TTLI2LCMOSNMOS 抗瞬態(tài)電離輻照：CMOS/SOICMOS/Si、I2LNMOS、ECL、肖特基TTL3.4 防輻射應用 元器件的選用:分立元器件n雙極晶體管雙極晶體管

14、n大功率管小功率管n高頻管低頻管n開關管放大管n鍺管硅管nNPN管PNP管n分立元器件分立元器件n無源元件有源器件n閘流管、單結晶體管和太陽能電池的抗輻射能力最差n隧道二極管電壓調(diào)整與基準二極管整流二極管3.4 防輻射應用 電路設計n容差設計容差設計n減少電路對器件輻射敏感參數(shù)的依賴性n器件輻射敏感參數(shù)的允許偏差盡可能地大n按最壞情況設計n保護電路設計保護電路設計n光電流補償n負反饋n電壓箝位、限流n溫度補償n飽和邏輯、寄生消除3.4 防輻射應用 結構設計n采取嚴格的屏蔽措施采取嚴格的屏蔽措施n器件外殼、設備機箱、系統(tǒng)蒙皮n金屬殼越厚，屏蔽效果越好n布局安排布局安排n抗輻射能力差的器件盡量放在設備的中心部位n含有許多輻射敏感器件的單元應盡量靠近n裝有輻射敏感器件的機盒應放在靠近厚重構件的位置3.4 防輻射應用 系統(tǒng)設計采用采用“回避回避”技術技術3.4 防輻射應用 輻照預篩選n原理原理n同批