電子元器件的選用

電子元器件的選用第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電子元器件的選用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(jī)理2第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1可靠性與失效可靠性：廣義的可靠性是指產(chǎn)品在其整個(gè)壽命周期內(nèi)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(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。即：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)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，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月1產(chǎn)品的可靠性是與“規(guī)定的條件”分不開的。2產(chǎn)品的可靠性是與“規(guī)定的時(shí)間”密切相關(guān)的。3產(chǎn)品的可靠性是與“規(guī)定的功能”密切關(guān)系的。4產(chǎn)品的可靠性從數(shù)學(xué)觀點(diǎn)就是表示一種概率。第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月有關(guān)失效的基本概念（1）失效：產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。（2）失效機(jī)理：引起失效的物理、化學(xué)變化的內(nèi)在原因。（3）誤用失效：不按規(guī)定條件使用的產(chǎn)品引起的失效。（4）本質(zhì)失效：由于產(chǎn)品本身固有弱點(diǎn)而引起的失效。（5）完全失效：產(chǎn)品完全喪失規(guī)定功能的失效。（6）部分失效：產(chǎn)品沒有完全喪失規(guī)定的功能的失效。（7）間隙失效：產(chǎn)品失效后，不經(jīng)修復(fù)而在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能自行恢復(fù)功能的失效。第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2電子元器件失效機(jī)理電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造、試驗(yàn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用等過程中發(fā)生的，與原材料、設(shè)計(jì)、制造、使用密切相關(guān)。電子元器件的種類很多，相應(yīng)的失效模式和機(jī)理也很多。

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

失效機(jī)理是指失效的物理、化學(xué)變化過程，微觀過程可以追溯到原子、分子尺度和結(jié)構(gòu)的變化，但與此相對(duì)的是它遲早也要表現(xiàn)出的一系列宏觀性能、性質(zhì)變化，如疲勞、腐蝕和過應(yīng)力等。第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月從現(xiàn)場(chǎng)失效和試驗(yàn)失效中去收集盡可能多的信息(包括失效形態(tài)、失效表現(xiàn)現(xiàn)象及失效結(jié)果等)進(jìn)行歸納和總結(jié)電子元器件的失效模式，分析和驗(yàn)證失效機(jī)理，并針對(duì)失效模式和失效機(jī)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，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月1集成電路失效模式和機(jī)理介紹集成電路的主要失效模式有功能失效、參數(shù)漂移、短路、開路等。集成電路失效模式統(tǒng)計(jì)分布見圖1圖1集成電路失效模式分布第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月集成電路的主要失效機(jī)理有：1）

過電應(yīng)力（EOS）：是指元器件承受的電流、電壓應(yīng)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(chǎn)、組裝、貯存以及運(yùn)輸過程中，可能與帶靜電的容器、測(cè)試設(shè)備及操作人員相接觸，所帶靜電經(jīng)過器件引腳放電到地，使器件受到損傷或失效3）

閂鎖效應(yīng)（latch-up）：集成電路由于過電應(yīng)力觸發(fā)內(nèi)部寄生晶體管結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)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(huì)存在。4）

電遷移（EM）：當(dāng)器件工作時(shí)，金屬互連線內(nèi)有一定的電流通過，金屬離子會(huì)沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的運(yùn)輸，其結(jié)果會(huì)使導(dǎo)體的某些部位出現(xiàn)空洞。第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月5）

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

與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）：施加的電場(chǎng)低于柵氧的本征擊穿強(qiáng)度，但經(jīng)歷一定的時(shí)間后仍發(fā)生擊穿的現(xiàn)象。7）

金鋁鍵合失效：由于金-鋁之間的化學(xué)勢(shì)不同，經(jīng)長(zhǎng)期使用或200℃以上的高溫存儲(chǔ)后，會(huì)產(chǎn)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(dǎo)致開路。8）

“爆米花效應(yīng)”:塑封元器件塑封材料內(nèi)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(yīng)，拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開路失效。第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2分立器件失效模式和機(jī)理介紹分立器件失效模式主要有短路、開路、參數(shù)漂移、殼體破碎等。分立器件失效模式統(tǒng)計(jì)分布見圖2。圖2分立器件失效模式分布第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月分立元件的主要失效機(jī)理有：1）過電應(yīng)力（EOS）。2）機(jī)械應(yīng)力和熱變應(yīng)力：元器件在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和焊接等過程中受到外來的機(jī)械和熱應(yīng)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(diǎn)時(shí)，電壓突然跌落，電流突然上升的物理現(xiàn)象。這時(shí)若無限流裝置及其他保護(hù)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(jié)不良，會(huì)存在眾多大小不等的空洞，導(dǎo)致器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量不能充分往外傳導(dǎo)，形成局部熱點(diǎn)而發(fā)生擊穿的現(xiàn)象。5）柵氧擊穿。6）金鋁鍵合失效。

第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3阻容感元件失效模式和機(jī)理介紹阻容感元件的失效模式主要有參數(shù)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(jì)分布見圖3。圖3阻容感元件失效模式分布第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月阻容感元件的主要失效機(jī)理有：1）

過電應(yīng)力（EOS）。2）

機(jī)械應(yīng)力和熱變應(yīng)力。3）

腐蝕：金屬與周圍介質(zhì)接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而被破壞叫做腐蝕，它會(huì)導(dǎo)致元器件的電性能惡化。4）

銀遷移：電子元器件在存儲(chǔ)和使用中，由于存在濕氣、水分，導(dǎo)致其中相對(duì)活潑的金屬銀離子發(fā)生電化學(xué)遷移，從而出現(xiàn)短路、開路及絕緣性能變壞等失效。第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月4其他元件失效模式和機(jī)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(dǎo)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(yán)，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(xiàn)為參數(shù)漂移和功能失效。第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3電子元器件的選用在各種電子設(shè)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(yīng)該注意以下原則：1）

元器件的技術(shù)條件、技術(shù)性能、質(zhì)量等級(jí)等均應(yīng)滿足裝備的要求；2）

選用被列入優(yōu)選手冊(cè)的元器件或被實(shí)踐證明產(chǎn)品質(zhì)量過硬產(chǎn)品

；3）

盡量壓縮品種規(guī)格，提高同類元器件的復(fù)用率；

4）

在滿足整機(jī)電氣性能指標(biāo)和可靠性要求的前提下，選用廉價(jià)的元器件和庫(kù)存元器件；

5）盡量?jī)?yōu)先選用國(guó)標(biāo)或部標(biāo)的元器件，再選用廠標(biāo)的元器件。

第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電子元器件在應(yīng)用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題1）降額使用。有意識(shí)的降低施加在元件上的工作應(yīng)力。2）熱設(shè)計(jì)。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(jìn)而使整個(gè)電子系統(tǒng)失效。目前國(guó)內(nèi)外已陸續(xù)研制了一些抗輻射加固的半導(dǎo)體器件。4）防靜電損傷。由于設(shè)備、材料及操作者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，均可能因摩擦而產(chǎn)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(jī)械損傷。6）存儲(chǔ)和保管問題。如庫(kù)房的溫度和濕度應(yīng)該控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月1半導(dǎo)體集成電路的選擇和應(yīng)用半導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)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(jiǎn)單、成本低，但散熱性能差。第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月集成電路的選用集成電路的選用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1、電源電壓Vdd不能高于額定電源電壓Vcc，否則集成電路會(huì)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(fù)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(shí)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(yīng)根據(jù)要求接電源或接地，不得懸空。第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2半導(dǎo)體分立元件的選擇和應(yīng)用一、二極管的選用1、選用整流二極管時(shí)，應(yīng)注意下面兩個(gè)主要參數(shù)：（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(zhì)和接觸面積決定。當(dāng)電流超過這個(gè)允許值時(shí)，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(shí)的反向電壓值。當(dāng)二極管工作在最大反向電壓時(shí)，應(yīng)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(shí)，選用的管子應(yīng)符合穩(wěn)壓值的要求。同時(shí)還要保證在負(fù)載電流最小時(shí)，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(yīng)選用溫度系數(shù)小的管子。第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二、三極管的選用三極管的選用在選用三極管時(shí)，必須注意三極管的極限值，尤其不能兩個(gè)以上的參數(shù)的極限值同時(shí)被選用。主要參數(shù)極限值如下：1、集電極電壓Ucmax

它是允許加在三極管集電結(jié)上的最大反向電壓。使用時(shí)不能超過這個(gè)最大值，否則集電結(jié)在過大的反向電壓作用下，形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，使集電極反向電流急劇增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致三極管的損壞；2、最大集電極直流功耗Pcmax該項(xiàng)參數(shù)與溫度有關(guān)，溫度升高時(shí)，該項(xiàng)參數(shù)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(qiáng)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(shù)上升的趨勢(shì)。鍺三極管的Icbo大且溫度特性差，所以在選用三極管時(shí)盡量選用硅管。在器件手冊(cè)中，常給出Iceo，Iceo=（1+β）Icbo，可見Iceo對(duì)溫度變化更敏感，因此，應(yīng)選用Iceo小的管子。4、電流放大倍數(shù)β值的大小與工作點(diǎn)的頻率有關(guān)，使用前應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)。一般來說β值不是越大越好，β值太大會(huì)引起性能不穩(wěn)定。β值在20~100較好。第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電阻器的選用電阻器的選用根據(jù)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)電膜層為金屬氧化物，因此，其特點(diǎn)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(xué)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(shù)為負(fù)值，受電壓和頻率的影響較小，并且價(jià)格便宜，所以適用于各種電路。缺點(diǎn)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，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月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(nèi)部沒有接觸電阻，因此不存在非線性和電流噪聲，溫度系數(shù)最低，長(zhǎng)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(biāo)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(shè)備中。

第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月四、電容器的選用1、紙介質(zhì)電容器紙介質(zhì)電容器的優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)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(yīng)用較廣的電容器。但是其電參數(shù)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(diǎn)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，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月4、瓷介電容器瓷介電容器的優(yōu)點(diǎn)是介質(zhì)損耗低，電容量對(duì)頻率、溫度、電壓和時(shí)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(bǔ)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(nèi)