电子元器件的选用

第2章电子元器件的选用电子元器件是构成系统或设备的最小单元，它的可靠性直接影响系统的技术性能和可靠性，因此，合理选用性能可靠的电子元器件是提高系统抗干扰能力的有效途径。电子元器件的选用第2章电子元器件的选用电子元器件的选用1可靠性与失效1电子元器件的选用3电子元器件失效机理2第2章电子元器件的选用2.1可靠性与失效可靠性：广义的可靠性是指产品在其整个寿命周期内完成规定功能的能力，包括狭义的可靠性和维修性。狭义的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。即：在规定的时间内完成规定功能的可能性或概率，它包括以下4层含义：第2章电子元器件的选用1产品的可靠性是与“规定的条件”分不开的。2产品的可靠性是与“规定的时间”密切相关的。3产品的可靠性是与“规定的功能”密切关系的。4产品的可靠性从数学观点就是表示一种概率。第2章电子元器件的选用有关失效的基本概念（1）失效：产品丧失规定的功能。（2）失效机理：引起失效的物理、化学变化的内在原因。（3）误用失效：不按规定条件使用的产品引起的失效。（4）本质失效：由于产品本身固有弱点而引起的失效。（5）完全失效：产品完全丧失规定功能的失效。（6）部分失效：产品没有完全丧失规定的功能的失效。（7）间隙失效：产品失效后，不经修复而在规定的时间内能自行恢复功能的失效。第2章电子元器件的选用2.2电子元器件失效机理电子元器件的失效主要是在产品的制造、试验、运输、存储和使用等过程中发生的，与原材料、设计、制造、使用密切相关。电子元器件的种类很多，相应的失效模式和机理也很多。失效模式是指失效的外在直观表现形式和过程规律，通常指测试或观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能失效等。失效机理是指失效的物理、化学变化过程，微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出的一系列宏观性能、性质变化，如疲劳、腐蚀和过应力等。第2章电子元器件的选用从现场失效和试验失效中去收集尽可能多的信息(包括失效形态、失效表现现象及失效结果等)进行归纳和总结电子元器件的失效模式，分析和验证失效机理，并针对失效模式和失效机理采取有效措施，是不断提高电子元器件可靠性水平的过程。下面介绍电子元器件失效规律第2章电子元器件的选用1集成电路失效模式和机理介绍集成电路的主要失效模式有功能失效、参数漂移、短路、开路等。集成电路失效模式统计分布见图1图1集成电路失效模式分布第2章电子元器件的选用集成电路的主要失效机理有：1）过电应力（EOS）：是指元器件承受的电流、电压应力或功率超过其允许的最大范围。2）静电损伤(ESD)：微电子器件在加工生产、组装、贮存以及运输过程中，可能与带静电的容器、测试设备及操作人员相接触，所带静电经过器件引脚放电到地，使器件受到损伤或失效3）闩锁效应（latch-up）：集成电路由于过电应力触发内部寄生晶体管结构而呈现的一种低阻状态，这种低阻状态在触发条件去除或终止后仍会存在。4）电迁移（EM）：当器件工作时，金属互连线内有一定的电流通过，金属离子会沿导体产生质量的运输，其结果会使导体的某些部位出现空洞。第2章电子元器件的选用5）栅氧击穿：在MOS器件及其集成电路中，栅氧化层缺陷会导致栅氧漏电，漏电增加到一定程度即构成击穿。6）与时间有关的介质击穿（TDDB）：施加的电场低于栅氧的本征击穿强度，但经历一定的时间后仍发生击穿的现象。7）金铝键合失效：由于金-铝之间的化学势不同，经长期使用或200℃以上的高温存储后，会产生多种金属间化合物，如紫斑、白斑等。使铝层变薄、粘附性下降、接触电阻增加，最后导致开路。8）“爆米花效应”:塑封元器件塑封材料内的水汽在高温下受热发生膨胀，使塑封料与金属框架和芯片间发生分层效应，拉断键合丝，从而发生开路失效。第2章电子元器件的选用2分立器件失效模式和机理介绍分立器件失效模式主要有短路、开路、参数漂移、壳体破碎等。分立器件失效模式统计分布见图2。图2分立器件失效模式分布第2章电子元器件的选用分立元件的主要失效机理有：1）过电应力（EOS）。2）机械应力和热变应力：元器件在生产、运输、安装和焊接等过程中受到外来的机械和热应力的作用而失效。3）二次击穿：器件被偏置在某一特殊的工作点时，电压突然跌落，电流突然上升的物理现象。这时若无限流装置及其他保护措施，元器件将被烧毁。4）热击穿：功率器件芯片与底座粘接或烧结不良，会存在众多大小不等的空洞，导致器件工作时产生的热量不能充分往外传导，形成局部热点而发生击穿的现象。5）栅氧击穿。6）金铝键合失效。第2章电子元器件的选用3阻容感元件失效模式和机理介绍阻容感元件的失效模式主要有参数漂移、短路、壳体破碎、外观不合格等。阻容感元件失效模式统计分布见图3。图3阻容感元件失效模式分布第2章电子元器件的选用阻容感元件的主要失效机理有：1）过电应力（EOS）。2）机械应力和热变应力。3）腐蚀：金属与周围介质接触时发生化学或电化学作用而被破坏叫做腐蚀，它会导致元器件的电性能恶化。4）银迁移：电子元器件在存储和使用中，由于存在湿气、水分，导致其中相对活泼的金属银离子发生电化学迁移，从而出现短路、开路及绝缘性能变坏等失效。第2章电子元器件的选用4其他元件失效模式和机理介绍除了以上常见的电子元器件以外，还有很多其它电子元器件，如连接器、继电器、半导体激光器、传感器、霍尔器件等。这些元器件失效主要是由于工艺过程控制不严，在生产过程中产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现为参数漂移和功能失效。第2章电子元器件的选用2.3电子元器件的选用在各种电子设备和电子电路中，元器件是组成电路的最小单元，合理的选择和使用元器件将保证和提高电路的工作性能和可靠性。选用电子元器件应该注意以下原则：1）元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足装备的要求；2）选用被列入优选手册的元器件或被实践证明产品质量过硬产品；3）尽量压缩品种规格，提高同类元器件的复用率；4）在满足整机电气性能指标和可靠性要求的前提下，选用廉价的元器件和库存元器件；5）尽量优先选用国标或部标的元器件，再选用厂标的元器件。第2章电子元器件的选用电子元器件在应用时应重点考虑的问题1）降额使用。有意识的降低施加在元件上的工作应力。2）热设计。元器件的布局、安装等过程必须充分考虑到热的因素。3）抗辐射问题。元器件通常要受到来自各种射线的损伤，进而使整个电子系统失效。目前国内外已陆续研制了一些抗辐射加固的半导体器件。4）防静电损伤。由于设备、材料及操作者的相对运动，均可能因摩擦而产生几千伏的静电电压。5）操作过程的损失问题。比如印刷电路板的安装、焊接、清洗过程中的机械损伤。6）存储和保管问题。如库房的温度和湿度应该控制在规定的范围之内。第2章电子元器件的选用1半导体集成电路的选择和应用半导体集成电路按有源器件分双极性、MOS型以及双极性-MOS集成电路；按集成规模分有小、中规模和大、超大规模集成电路。半导体集成电路的封装基本上分为3类：金属、陶瓷、塑料，不同的封装形式各有特点，应用领域也有所区别：（1）金属封装金属封装散热性能好，可靠性高，但安装使用不够方便，成本高。（2）陶瓷封装金属封装散热性能差，体积小、成本低。（3）塑料封装目前使用最多的一种形式，工艺简单、成本低，但散热性能差。第2章电子元器件的选用集成电路的选用集成电路的选用应注意以下几点：1、电源电压Vdd不能高于额定电源电压Vcc，否则集成电路会被击穿；2、输入电压Vin不能高于允许的最大输入电压Vinmax；3、负载电流Iol要小于输入端允许注入的最大电流；4、功耗P要低于电路允许的最大功耗Pmax；5、选用集成电路时要注意其工作温度范围，Ⅰ类品（军用）为-55~+125℃，Ⅱ类品（工业用）为-40~+85℃，Ⅲ类品为0~+70℃。6、不使用的输入端应根据要求接电源或接地，不得悬空。第2章电子元器件的选用2半导体分立元件的选择和应用一、二极管的选用1、选用整流二极管时，应注意下面两个主要参数：（1）、最大正向电流IDM它表示二极管允许通过的的最大电流值，由材料的材质和接触面积决定。当电流超过这个允许值时，管子将因过度发热而损坏。（2）、最大反向电压URM它表示二极管能够允许的反向电流剧增时的反向电压值。当二极管工作在最大反向电压时，应采取限流措施，否则二极管将被击穿。2、选用稳压二极管时，选用的管子应符合稳压值的要求。同时还要保证在负载电流最小时，稳压管的功耗不超过其额定功耗。另外，稳压二极管的稳压特性受温度影响很大，所以，在精密稳压电路中，应选用温度系数小的管子。第2章电子元器件的选用二、三极管的选用三极管的选用在选用三极管时，必须注意三极管的极限值，尤其不能两个以上的参数的极限值同时被选用。主要参数极限值如下：1、集电极电压Ucmax它是允许加在三极管集电结上的最大反向电压。使用时不能超过这个最大值，否则集电结在过大的反向电压作用下，形成很强的电场，使集电极反向电流急剧增加，严重时会导致三极管的损坏；2、最大集电极直流功耗Pcmax该项参数与温度有关，温度升高时，该项参数要降低。锗三极管的上限温度是70℃，归三极管的上限温度是150℃。为了提高Pcmax，常采用散热片或强制冷却的方法；3、反向饱和电流IcboIcbo一般很小，但其受温度影响很大，随温度增加呈指数上升的趋势。锗三极管的Icbo大且温度特性差，所以在选用三极管时尽量选用硅管。在器件手册中，常给出Iceo，Iceo=（1+β）Icbo，可见Iceo对温度变化更敏感，因此，应选用Iceo小的管子。4、电流放大倍数β值的大小与工作点的频率有关，使用前应进行实测。一般来说β值不是越大越好，β值太大会引起性能不稳定。β值在20~100较好。第2章电子元器件的选用三、电阻器的选用电阻器的选用根据电阻体的材料的不同，电阻器可以分为合金型、薄膜型和合成型三类。1薄膜电阻器的选用（1）、金属膜电阻器（RJ）金属膜电阻器的导电膜层为金属或合金材料，性能优良，工作环境温度范围较宽，功率体积比大，有利于设备的小型化。适用于直流、交流和脉冲电路中，额定环境温度为70℃。（2）、金属氧化膜电阻器（RY）金属氧化膜电阻器的导电膜层为金属氧化物，因此，其特点有：电阻器耐热性能好，阻值稳定，不易被氧化，故稳定性高。RY电阻器的额定环境温度为70℃。（3）、碳膜电阻器（RT）碳膜电阻器有较高的化学稳定性和较大的电阻率。RT电阻器的阻值范围最宽，温度系数为负值，受电压和频率的影响较小，并且价格便宜，所以适用于各种电路。缺点是功率体积比小，因此体积较大。RT电阻器的额定环境温度较低，为40℃。第2章电子元器件的选用2合金电阻器的选用合金电阻器包括线绕电阻器、合金箔电阻器和块金属电阻器，内部没有接触电阻，因此不存在非线性和电流噪声，温度系数最低，长期稳定性好，可用作精密电阻器和大功率电阻器。3合成电阻器的选用合成电阻器的电性能指标没有薄膜电阻器好，但其可靠性却优于薄膜电阻器，所以合成电阻器可用于高可靠性要求的设备中。第2章电子元器件的选用四、电容器的选用1、纸介质电容器纸介质电容器的优点是成本低，缺点是容易老化，热稳定性差，主要用于直流和低频电路中。2、涤纶薄膜电容器涤纶薄膜电容器的电容量和电压范围比较宽，是应用较广的电容器。但是其电参数随温度和频率变化较大，所以多用于频率较低的电路中。3、聚碳酸脂薄膜电容器聚碳酸脂薄膜电容器的主要优点是能在较高的温度和温度交变的条件下稳定工作，工作温度范围为-55~+125℃，可用于交流和高频电路中。第2章电子元器件的选用4、瓷介电容器瓷介电容器的优点是介质损耗低，电容量对频率、温度、电压和时间的稳定性都比较高。常用于要求电容量稳定和温度补偿电路中。5、云母电容器云母电容器常用于高频电路中，可作为去耦、旁路等用。单由于内部结构上的缺陷，云母电容器的寿命较低，一般情况下应尽量应用瓷介电容器取代云母电容器。6、铝电解电容器铝电解电容器的精度低，稳定性差，所以只能用于要求容量大，对准确度要求不高的滤波和旁路电路