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  • 元器件知識-元器件選型時這些基礎知識介紹
    • 發(fā)布時間:2020-09-11 18:14:51
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    元器件知識-元器件選型時這些基礎知識介紹
    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)生應用可靠性問題的器件
    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(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,頻率高
    無線收發(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?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,成品率應高于規(guī)定值,封裝應能與設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,供貨周期滿足設備制造計劃進度,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)生的概率是進行失效分析的前提。
    元器件,CMOS,功率器件
    元器件,CMOS,功率器件
    (4)高可靠元器件的特征
    1、制造商認證:生產(chǎn)廠商通過了權威部門的合格認證;
    2、生產(chǎn)線認證:產(chǎn)品只能在認證合格的專用生產(chǎn)線上生產(chǎn);
    3、可靠性檢驗:產(chǎn)品進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(guī)范及詳細規(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(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)、可靠性應用指南或使用規(guī)范的廠家產(chǎn)品。在質(zhì)量等級相當?shù)那疤嵯拢瑑?yōu)先選用集成度高的器件,少選用分立器件。
    元器件,CMOS,功率器件
    (6)供貨商應提供的可靠性信息
    1、詳細規(guī)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(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:最好能提供關鍵工藝和材料的主要參數(shù)指標;
    9、使用手冊與操作規(guī)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>有機 ;
    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。
    元器件,CMOS,功率器件
    (3)SPC數(shù)據(jù):合格率的表征
    1、統(tǒng)計工藝控制;
    2、工藝準確度和工藝穩(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。
    元器件,CMOS,功率器件
    電容器的寄生電感還與電容器的封裝形式有關。管腳寬長比越大,寄生電感越小。
    元器件,CMOS,功率器件
    (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、機械強度高: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: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(熱導率高),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,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→溫度上升時迅速汽化而膨脹→界面應力進一步加大→有可 能使塑封體爆裂(“爆米花”效應)。
    PCB再流焊時溫度可在5~40s內(nèi)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℃ ,難以達到軍用溫度范圍-55~+125 ℃。
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