元器件知識-元器件選型時(shí)這些基礎知識必須掌握在手

元器件是電子元件和小型的機器、儀器的組成部分，其本身常由若干零件構成，可以在同類(lèi)產(chǎn)品中通用；常指電器、無(wú)線(xiàn)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(chēng)。器件選型時(shí)，這幾個(gè)通識的基礎知識必須掌握,器件選型的思考的深度和廣度，非常能考驗設計者的功力，同時(shí)最后也落實(shí)到產(chǎn)品的質(zhì)量水平上。

（一）綜合考慮

（1）易產(chǎn)生應用可靠性問(wèn)題的器件

1、對外界應力敏感的器件

CMOS電路：對靜電、閂鎖、浪涌敏感

小信號放大器：對過(guò)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、工作應力接近電路最大應力的器件

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（射頻與高速數字）

超大規模芯片：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(shí)鐘輸出電路：在整個(gè)電路中頻率最高，且要驅動(dòng)幾乎所有數字電路模塊

總線(xiàn)控制與驅動(dòng)電路：驅動(dòng)能力強，頻率高

無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路中的發(fā)射機：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(mǎn)足裝備功能要求之外，要能經(jīng)受最大施加的電應力；

2. 工作溫度范圍：元器件的額定工作溫度范圍應等于或寬于所要經(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定可控，成品率應高于規定值，封裝應能與設備組裝工藝條件相容；

4. 穩定性：在溫度、濕度、頻率、老化等變化的情況下，參數變化在允許的范圍內；

5. 壽命：工作壽命或貯存壽命應不短于使用它們的設備的預計壽命；

6. 環(huán)境適應性：應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理應有充分了解；

8. 可維修性：應考慮安裝、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(gè)，供貨周期滿(mǎn)足設備制造計劃進(jìn)度，能保證元器件失 效時(shí)的及時(shí)更換要求等；

10. 成本：在能同時(shí)滿(mǎn)足所要求的性能、壽命和環(huán)境制約條件下，考慮采用性?xún)r(jià)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理，也應該了解失效模式；

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、制造商認證：生產(chǎn)廠(chǎng)商通過(guò)了權威部門(mén)的合格認證；

2、生產(chǎn)線(xiàn)認證：產(chǎn)品只能在認證合格的專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)；

3、可靠性檢驗：產(chǎn)品進(jìn)行并通過(guò)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(guò)程得到了嚴格的控制，成品率高；

5、標準化程度：產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗符合國際、國家或行業(yè)通用規范及詳細規范要求。

（5）品種型號的優(yōu)先選用規則

優(yōu)先選用標準的、通用的、系列化的元器件，慎重選用新品種和非標準器件，最大限度地壓縮元器件的品種規格和承制單位的數量。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(cháng)期、連續、穩定、大批量供貨且成品率高的定點(diǎn)供貨單位。

優(yōu)先選用能提供完善的工藝控制數據、可靠性應用指南或使用規范的廠(chǎng)家產(chǎn)品。在質(zhì)量等級相當的前提下，優(yōu)先選用集成度高的器件，少選用分立器件。

（6）供貨商應提供的可靠性信息

1、詳細規范及符合的標準：國軍標、國標、行標、企標；

2、認證情況：QPL、QML、PPL、IECQ等；

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

4、可靠性試驗數據：加速與現場(chǎng)，環(huán)境與壽命，近期及以往，所采用的試驗方法與數據處理方法；

5、成品率數據：中測（裸片）、總測（封裝后）等；

6、質(zhì)量一致性數據：批次間，晶圓間，芯片間，平均值、方差、分布；

7、工藝穩定性數據：統計工藝控制（SPC）數據，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指標；

9、使用手冊與操作規范：典型應用電路、可靠性防護方法等。

（二）工藝考慮

（1）以集成電路為例

1、最小線(xiàn)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（國內現有工藝）；

4、鈍化材料：SiN>PSG>聚烯亞胺 無(wú)機>有機 ；

5、鍵合材料：Au>Cu>Al(Si）；

6、電路形式：數/模分離>數/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(shí)稱(chēng)為質(zhì)量）：出廠(chǎng)或老化篩選中在批量器件發(fā)現的合格器 件數 可靠性：經(jīng)歷一年以上的上機時(shí)間后的失效器件數。

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數據:合格率的表征

1、統計工藝控制；

2、工藝準確度和工藝穩定性是決定產(chǎn)品成品率和可靠性的重要因素，可用統計工藝控制（SPC，Statistical Process Control）數據來(lái)定量表征；

3、合格率的表征參數；

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(wàn)個(gè)產(chǎn)品中不合格品的數量，適6合于批量大、質(zhì)量穩定、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(lái)自元器件制造工藝不可避免地存在著(zhù)的偏移和離散；

9、工藝參數的分布通常滿(mǎn)足正態(tài)分布。

（三）封裝考慮

（1）寄生參數典型值

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(wú)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的比較（寄生參數由小到大）；

4、無(wú)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(cháng)比越大，寄生電感越小。

（2）有利于可靠性

1、引線(xiàn)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、機械強度高：提高了電路抗振動(dòng)和沖擊的能力；

3、裝配一致性好：成品率高，參數離散性小。

（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(wú)引線(xiàn)芯片載體LCC）與PCB基板環(huán)氧玻璃的熱膨脹系數不匹配，引發(fā)熱 應力失效；

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(diǎn)：成本低（約為陶瓷封裝的55％），重量輕（約為陶瓷封裝的 1/2），管腳數多，高頻寄生效應弱，便于自動(dòng)化生產(chǎn) ；

缺點(diǎn)：氣密性差，吸潮，不易散熱，易老化，對靜電敏感 ；

適用性：大多數半導體分立器件與集成電路常規產(chǎn)品。

2、陶瓷封裝

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

缺點(diǎn)：成本高；

適用性：航空、航天、軍事等高端市場(chǎng)。

3、金屬封裝

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

缺點(diǎn)：成本高，管腳數有限；

適用性：小規模高可靠器件；

通常稱(chēng)塑封為非氣密封裝，陶瓷和金屬為氣密封裝。

4、吸潮性問(wèn)題

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

5、氣密性問(wèn)題

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

PCB再流焊時(shí)溫度可在5～40s內上升到205～250 ℃ ，上升梯度達到1～2 ℃/s ，容易產(chǎn)生上述效應。

6、溫度適應性問(wèn)題

塑封材料的玻璃化轉換溫度為130～160 ℃ ，超過(guò)此溫度后塑封材料會(huì )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℃ ，難以達到軍用溫度范圍-55~+125 ℃。

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