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1、电子系统可靠性设计,电子元器件的可靠性选用,2.1 元器件可靠性等级 2.2 元器件选择通则 2.3 电阻器的选用 2.4 电容器的选用 2.5 二极管的选用 2.6 晶体管的选用 2.7 集成电路的选用 2.8 元器件降额使用,2.1 元器件可靠性等级,电子元器件是电子系统硬件的最基本单元 电子元器件的可靠性很重要 电子元器件在研制、生产时：有一套的保证可靠性的措施和手段 电子元器件的不可维修：绝大多数元器件都是不可维修的，一旦失效，必须更换 本章研究：利用厂家提供的电子元器件，设计出高可靠性的系统,2.1.1 元器件可靠性标准 1. 选择电子元器件的意义元器件的固有可靠性：电子元器件在制造
2、过程中，由制造厂家保证的可靠性 工程实践表明：即使使用高固有可靠性的元器件，也不一定做出高可靠性的产品 很多时候电子元器件的失效：不是因为电子元器件的固有可靠性不高，而是设计者的选择和使用不当造成的 资料表明：由于元器件的使用不当（使用不正确），造成的元器件失效占所有元器件失效的50%,2. 电子元器件的标准,按照级别分类：1)国家级标准国家标准GB，简称国标国家军用标准GJB，简称国军标早期的国家军用标准：七专技术条件QZT，指专批、专技、专人、专机、专料、专检、专卡2)行业级标准行业标准、行业军用标准电子、航天、航空等行业制定的，适合本行业的标准3)企业级标准企业标准、企业军用标准,按照类
3、型分类：1)规范产品规范：包括元器件的总规范和详细规范总规范，又称通用规范：指对某一类元器件的质量控制规定的共性要求详细规范：对某类元器件的一个或一系列型号规定的具体性能和质量控制要求,国军标和国标规定的元器件的总规范：,2)标准 指可靠性试验方法、测量检验规范、失效分析方法、质量保证大纲、生产线认证标准、元器件材料和零件标准、型号命名标准、文字和图形符号标准等,国标和国军标规定的元器件可靠性标准：,3)指导性技术文件指导正确选择和使用元器件的指南、用于电子设备可靠性预计的手册、元器件系列型号目录等,2.1.2 元器件质量等级,国标和国军标规定的失效率等级代号：,元器件的质量：元器件在设计、制
4、造、筛选过程中形成的品质特征，可通过质量认证试验确定元器件的质量等级：元器件装机使用前，按产品执行标准或供需双方的技术协议，在制造、检验及筛选过程中其质量的控制等级，用于表示元器件的固有可靠性。具有相同物理结构、功能和技术指标相同的元器件，可能具有不同的质量等级,国军标中规定的质量保证等级：,2.1.3 元器件质量认证,质量认证的内容： 1. 对元器件生产单位质量保证能力的评定； 2. 对生产的元器件，进行鉴定或考核， 如果合格，列入合格制造商目录，或合格产品目录,我国军用电子元器件的质量认证：,2.1.4 元器件质量等级的选择,选择元器件的质量等级，考虑四个方面：,使用更高的质量等级,可靠性
5、分配指标高的器件，使用更高的质量等级,使用时应依据 II III顺序选用：I：建立了相应的军用规范，并列入军用电子元器件合格制造商目录、合格产品目录的产品，属于高可靠产品II：已通过军标要求的部分或全部试验和检验要求（包括100%筛选、质量一致性检验等）的产品，属于准高可靠产品III：由各个厂家自行认定、没有经过高可靠性试验的一般产品，属于非高可靠产品,2.2 元器件选择通则 2.2.1 综合考虑,1. 易产生可靠性问题的元器件1）对外界应力敏感的元器件CMOS电路：输入阻抗高，对静电、浪涌、电磁干扰敏感小信号放大器：例如高精度运算放大器、无线接收电路的放大电路 对过电压、浪涌电流、噪声、电磁
6、干扰敏感塑料封装器件：构成塑料的树脂材料有吸湿特性，与硅芯片材料、金属管脚材料的热性能相差较大对湿气、热冲击、温度循环敏感,2）工作应力接近电路最大应力的器件有时，即使工作应力只是接近极限应力，也会给元器件带来隐性损伤。 功率器件：功率接近极限值高压器件：电压接近极限值电源电路：电压和电流接近极限值高频器件：频率接近极限值超大规模芯片：功耗接近极限值,3）频率与功率都大的器件功率越大、频率越高，则元器件温度越高、寿命越短、越容易失效时钟输出电路：在整个电路中频率最高，且要驱动几乎所有数字电路模块总线控制与驱动电路：驱动能力强，频率高无线收发电路中的发射机：功率和频率接近极限值,2.选择高可靠性
7、元器件的要素,1) 极限电特性元器件能经受最大施加的电应力 2) 工作温度范围元器件的额定工作温度范围应等于或宽于所要经受的工作温度范围3) 工艺质量与可制造性元器件工艺成熟且稳定可控，成品率应高于规定值，封装应能与设备组装工艺条件相容 4) 稳定性在温度、湿度、频率、老化等变化的情况下，参数变化在允许的范围内,5) 寿命和失效率工作寿命或贮存寿命应不短于使用它们的设备的预计寿命 6) 环境适应性，满足系统的工作环境注意元器件工作环境的温度、湿度、振动、粉尘、电源波动、电磁干扰，包括特殊环境：潮热、盐雾、沙尘、酸雨、霉菌、辐射、高海拔等 7) 失效模式对元器件的典型失效模式和失效机理有充分了解
8、失效模式：开路、短路、参数漂移等失效机理：元器件失效的物理原因失效模式分布：一种元器件，可能有多种失效模式，不同失效模式出现的概率不一样,元器件失效模式的分布,8) 可维修性和可保障性应考虑安装、拆卸、更换是否方便，所需的工具和熟练等级,9) 可用性供货商多于1个，长期、稳定、连续、批量供货，供货周期满足设备制造计划进度，能保证元器件失效时的及时更换要求等 10) 成本，元器件的价格在满足所要求的性能、寿命和环境条件下，考虑采用性价比高的元器件,11) 满足系统功能与性能的要求电压、电流、频率、驱动能力、功耗、体积、重量、安装方式等,12) 满足系统可靠性的要求对系统的可靠性逐级分解并分配，对
9、每个器件的失效率提出具体要求,13) 考虑元器件的标准化选择符合国家标准的器件，方便更换和维修；选择经过实际应用证明可靠的器件 14) 抗静电能力选择抗静电能力强的器件,3. 品种型号的选择,1）高可靠性元器件的特征制造商认证：生产厂商通过了权威部门的合格认证生产线认证：产品只能在认证合格的专用生产线上生产可靠性检验：产品进行并通过了一系列的性能和可靠性试验，100%筛选和质量一致性检验工艺控制水平： 产品的生产过程得到了严格的控制，成品率高标准化程度：产品的生产和检验符合国际、国家或行业通用规范及详细规范要求,2）选择型号的优先选用规则(1)优先选用标准的、通用的、系列化的元器件，慎重选用新
10、品种和非标准器件，最大限度地压缩元器件的品种规格和承制单位的数量(2)优先选用列入元器件优选目录的元器件(3)优先选用制造技术成熟的元器件，选用能长期、连续、稳定、大批量供货，且成品率高的定点供货单位(4)优先选用能提供完善的工艺控制数据、可靠性应用指南或使用规范的厂家产品(5)在质量等级相当的前提下，优先选用集成度高的器件，少选用分立器件,元器件优选目录:,元器件优选目录：根据不同类型电子设备的可靠性指标要求和使用环境条件的要求，确定该设备所需的电子元器件的质量等级，拟制该设备的元器件优选清单。在应用时，根据产品各研制阶段的实际需要，对元器件优选目录实施动态管理,合格产品目录（ QPL）：可
11、由国家主管部门、行业主管部门或企业自行编制，高可靠设备必须采取QPL内的元器件 推荐产品目录（ PPL）：应是QPL的一个子集，高可靠设备应优先采用PPL内的元器件 合格制造商目录（ QML）：已通过相关认证的厂商或者生产线,3）供货商应提供的可靠性信息,详细规范及符合的标准：国军标、国标、行标、企标认证情况： QPL、 QML、 PPL、 IECQ等质量等级与可靠性水平：失效率、寿命（ MTTF）、抗静电强度、抗辐照水平等可靠性试验数据：加速与现场，环境与寿命，近期及以往，所采用的试验方法与数据处理方法成品率数据：中测（裸片）、总测（封装后）等质量一致性数据：批次间，晶圆间，芯片间，平均值、
12、方差、分布工艺稳定性数据：统计工艺控制（ SPC）数据，批量生产情况采用的工艺和材料：最好能提供关键工艺和材料的主要参数指标使用手册与操作规范：典型应用电路、可靠性防护方法等,2.2.2 工艺考虑,2.2.3 封装考虑,插孔安装（ TH）和表面贴装(SMT）是目前元器件在PCB 上的主要安装方式,针对表面安装的半导体分立器件与集成电路的封装 形式,针对表面安装的无源元件 的封装形式,管脚的寄生参数,寄生参数典型值 有引脚元件：寄生电感1nH/mm/引脚（越短越好），寄生电容4pF/引脚 无引脚元件：寄生电感0.5nH/端口，寄生电容0.3pF/端口 不同封装形式寄生效应的比较（寄生参数由小到大
13、） 无引脚贴装BGAQFPSMDDIP,寄生参数与封装形式的关系,电容器的寄生电感还与电容器的封装形式有关。管脚宽长比越大，寄生电感越小,电容器的串联电感与封装形式的关系,有利于可靠性 引线极短：降低了分布电感和电容，提高了抗干扰能力和电路速度 机械强度高：提高了电路抗振动和冲击的能力 装配一致性好：成品率高，参数离散性小 不利于可靠性 材料不匹配性增加：某些陶瓷基材的SMT元件（如某些电阻器、电容器、无引线芯片载体LCC）与PCB基板环氧玻璃的热膨胀系数不匹配，引发热 应力失效 较易污染： SMT元件与PCB板之间不易清洁，易驻留焊剂的污染物，需采用特殊的处理方法 表面贴装对可靠性是利远大于
14、弊，目前已占了90的比例,SMT对可靠性的影响,封装材料的比较,塑料封装 优点：成本低（约为陶瓷封装的55），重量轻（约为陶瓷封装的1/2），管脚数多，高频寄生效应弱，便于自动化生产 缺点：气密性差，吸潮，不易散热，易老化，对静电敏感 适用性：大多数半导体分立器件与集成电路常规产品 陶瓷封装 优点：气密性好，散热能力强（热导率高），高频绝缘性能好，承受功率大，布线密度高 缺点：成本高 适用性：航空、航天、军事等高端市场 金属封装 优点：气密性好，散热能力强，具有电磁屏蔽能力，可靠性高 缺点：成本高，管脚数有限 适用性：小规模高可靠器件 通常称塑封为非气密封装，陶瓷和金属为气密封装,塑封的可靠性
15、问题,吸潮性问题 塑料封装所采用环氧树脂材料本身具有吸潮性，湿气容易在其表面吸附 水汽会引起塑封材料自身的蠕变，如入侵到芯片内部，则会导致腐蚀以及表面沾污,气密性问题 塑料管壳与金属引线框架、半导体芯片 等材料的热膨胀系数的差异要大得多(与 陶瓷及金属管壳相比)温度变化时会在 材料界面产生相当大的机械应力界面 处产生缝隙导致气密性劣化 水汽在缝隙处聚集温度上升时迅速汽 化而膨胀界面应力进一步加大有可 能使塑封体爆裂（ “爆米花”效应） PCB再流焊时温度可在540s内上升到 205250 ，上升梯度达到12,再流焊（亦称回流焊）是在PCB上安装表面贴装元件的主要方法。在再流焊过程中，元器件封装
16、温度可能有100200的变化,温度适应性问题 塑封材料的玻璃化转换温度为130160 ，超过此温度后塑封材料会软化，对 气密性也有不利影响 商用塑封器件的温度范围一般为070 、 -40+85 、40+125 ，难以达 到军用温度范围-55+125 ,引线及钝化材料的选择,引线涂覆形式的选择 镀金：环境适应性好，易焊性佳，成本高 镀锡：易焊性好，环境适应性一般，成本中等 热焊料浸渍涂覆：质量最差 内部钝化材料的选择 芯片表面涂覆有机涂层或有机薄膜：慎用 芯片表面淀积有无机材料薄膜：可用 内部气氛 真空封装：抗辐照，对管壳密封性要求高 惰性气体封装：易形成污染及电离气体，有利 于抵抗外界气氛侵入,实际电容器的简化电路模型：,由等效电阻（ESR）Rs、等效串联电感（ESL）Ls、静电容C组成,
