电子系统可靠性设计-电子元器件的可靠性选用.ppt

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1、电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计-电子元器件的可靠性电子元器件的可靠性选用选用 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用2.1元器件可靠性等级元器件可靠性等级2.2元器件选择通则元器件选择通则2.3电阻器的选用电阻器的选用2.4电容器的选用电容器的选用2.5二极管的选用二极管的选用2.6晶体管的选用晶体管的选用2.7集成电路的选用集成电路的选用2.8元器件降额使用元器件降额使用 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.1元器件可靠性等级元器件可靠性等级电子

2、元器件是电子电子元器件是电子系统系统硬件的最基本单元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的可靠性很重要电子元器件在研制、生产时电子元器件在研制、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：电子元器件的不可维修：绝大多数绝大多数元器件都是不可维修的，元器件都是不可维修的，一旦失效，必须更换一旦失效，必须更换本章研究：本章研究：利用厂家提供的电子元器件，设计出利用厂家提供的电子元器件，设计出高高可靠性的系统可靠性的系统 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.1.1元器件可靠性标准元器件可靠

3、性标准1.选择电子元器件的意义选择电子元器件的意义元器件的固有可靠性：元器件的固有可靠性：电子元器件在制造过程中，由制造厂家保证的可靠性电子元器件在制造过程中，由制造厂家保证的可靠性工程实践表明：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靠性的产品很多时候电子元器件的失效：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，不是因为电子元器件的固有可靠性不高，而是而是设计者的选择和使用不当设计者的选择和使用不当造成的造成的资料表明：资料表明：由于元器件的由于元器件的使用不当（使用不正确）使用不当（使用不正确），

4、造成的元器件失效占所有元器件失效的造成的元器件失效占所有元器件失效的50%电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.电子元器件的标准电子元器件的标准按照按照级别级别分类：分类：1)国家级标准国家级标准国家标准国家标准GB，简称，简称国标国标国家军用标准国家军用标准GJB，简称，简称国军标国军标早期的国家军用标准：早期的国家军用标准：七专技术条件七专技术条件QZT，指专批、专技、专人、专机、专料、专检、专卡指专批、专技、专人、专机、专料、专检、专卡2)行业级标准行业级标准行业标准、行业军用标准行业标准、行业军用标准电子、航天、航空等行业制定的，电子、

5、航天、航空等行业制定的，适合本行业适合本行业的标准的标准3)企业级标准企业级标准企业标准、企业军用标准企业标准、企业军用标准 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 按照按照类型类型分类：分类：1)规范规范产品规范产品规范：包括元器件的包括元器件的总规范总规范和和详细规范详细规范总规范，又称通用规范总规范，又称通用规范：指对指对某一类某一类元器件的质量控制规定的元器件的质量控制规定的共性要求共性要求详细规范详细规范：对某类元器件的对某类元器件的一个或一系列型号一个或一系列型号规定的具体性能规定的具体性能和质量控制要求和质量控制要求 电子元器件的可靠性

6、选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 国军标和国标规定的元器件的总规范：国军标和国标规定的元器件的总规范：电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2)标准标准指可靠性试验方法、测量检验规范、失效分析方法、质指可靠性试验方法、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、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：国标和国军标规定的元器件可靠性标准：电子元器件的可靠性选用电子元器件的

7、可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 3)指导性技术文件指导性技术文件指导正确选择和使用元器件的指南、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、用于电子设备可靠性预计的手册、元器件系列型号目录等元器件系列型号目录等 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.1.2元器件质量等级元器件质量等级国标和国军标规定的国标和国军标规定的失效率等级代号失效率等级代号：电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 元器件的质量：元器件的质量：元器件在设计、制造、筛选过程中形成的品质特征，元器件

8、在设计、制造、筛选过程中形成的品质特征，可通过质量认证试验确定可通过质量认证试验确定元器件的质量等级：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技术协议，在制造、检验及筛选过程中其质量的控制等质量的控制等级级，用于表示元器件的，用于表示元器件的固有可靠性固有可靠性。具有相同物理结构、功能和技术指标相同的元器件，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可能具有不同的质量等级 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 国军标中规定

9、的质量保证等级：国军标中规定的质量保证等级：电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.1.3元器件质量认证元器件质量认证质量认证的内容：质量认证的内容：1.对元器件生产单位对元器件生产单位质量保证能力质量保证能力的评定；的评定；2.对生产的元器件，进行对生产的元器件，进行鉴定或考核鉴定或考核，如果合格，列入如果合格，列入合格制造商目录合格制造商目录，或或合格产品目录合格产品目录 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 我国军用电子元器件的质量认证：我国军用电子元器件的质量认证：电子元器件的可靠性选用电子元

10、器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.1.4元器件质量等级的选择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：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使用更高的质量等级可靠性分配指标高可靠性分配指标高的器件，使用更高的器件，使用更高的质量等级的质量等级 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 使用时应依据使用时应依据IIIII顺序选用：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：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、合格产品目录合格制造商目录、合格产品目录的产品，属于高可

11、靠的产品，属于高可靠产品产品II：已通过军标要求的部分或全部试验和检验要求：已通过军标要求的部分或全部试验和检验要求（包括（包括100%筛选、质量一致性检验等）的产品，属于筛选、质量一致性检验等）的产品，属于准高可靠产品准高可靠产品III：由各个厂家自行认定、没有经过高可靠性试验：由各个厂家自行认定、没有经过高可靠性试验的一般产品，属于非高可靠产品的一般产品，属于非高可靠产品 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.2元器件选择通则元器件选择通则2.2.1综合考虑综合考虑1.易产生可靠性问题的元器件易产生可靠性问题的元器件1）对外界应力敏感的元器

12、件）对外界应力敏感的元器件CMOS电路电路：输入阻抗高，对静电、浪涌、电磁干扰敏感输入阻抗高，对静电、浪涌、电磁干扰敏感小信号放大器小信号放大器：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、电磁干扰敏感对过电压、浪涌电流、噪声、电磁干扰敏感塑料封装器件塑料封装器件：构成塑料的树脂材料有构成塑料的树脂材料有吸湿特性吸湿特性，与硅芯片材料、金属管，与硅芯片材料、金属管脚材料的脚材料的热性能相差较大热性能相差较大对对湿气、热冲击、温度循环湿气、热冲击、温度循环敏感敏感 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设

13、计电子系统可靠性设计 2）工作应力接近电路最大应力的器件）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隐性损伤性损伤。功率器件功率器件：功率接近极限值：功率接近极限值高压器件高压器件：电压接近极限值：电压接近极限值电源电路电源电路：电压和电流接近极限值：电压和电流接近极限值高频器件高频器件：频率接近极限值：频率接近极限值超大规模芯片超大规模芯片：功耗接近极限值：功耗接近极限值3）频率与功率都大的器件）频率与功率都大的器件功率越大、频率功率越大、频率越高越高，则元器件，则元器件温度越高温度越高、寿命越短寿

14、命越短、越、越容易容易失效失效时钟输出电路时钟输出电路：在整个电路中频率最高，且要驱动几乎所有数字：在整个电路中频率最高，且要驱动几乎所有数字电路模块电路模块总线控制与驱动电路总线控制与驱动电路：驱动能力强，频率高：驱动能力强，频率高无线收发电路中的发射机无线收发电路中的发射机：功率和频率接近极限值：功率和频率接近极限值 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.选择高可靠性元器件的要素选择高可靠性元器件的要素1)极限电特性极限电特性元器件能经受最大施加的电应力元器件能经受最大施加的电应力2)工作温度范围工作温度范围元器件的额定工作温度范围应元器件

15、的额定工作温度范围应等于或宽于等于或宽于所要经受的工作温所要经受的工作温度范围度范围3)工艺质量与可制造性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能与设备组装工艺条件相容4)稳定性稳定性在温度、湿度、频率、老化等变化的情况下，参数变化在在温度、湿度、频率、老化等变化的情况下，参数变化在允许允许的范围内的范围内 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 5)寿命和失效率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工作寿命或贮存寿命应

16、不短于使用它们的设备的预计寿命6)环境适应性，环境适应性，满足系统的工作环境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、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、高海拔等射、高海拔等7)失效模式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对元器件的典型失效模式和失效机理有充分了解失效模式失效模式：开路、短路、参数漂移等：开路、短路、参数漂移等失效机理失效机理：元器件失效的物理原因：元器件失效的物理原因失效模式分布失效模式分布：一种元器

17、件，可能有多种失效模式，不同失效：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模式出现的概率不一样 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 元器件失效模式的分布元器件失效模式的分布 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 8)可维修性和可保障性可维修性和可保障性应考虑安装、拆卸、更换是否方便，所需的工具和应考虑安装、拆卸、更换是否方便，所需的工具和熟练等级熟练等级9)可用性可用性供货商多于供货商多于1个，长期、稳定、连续、批量供货，供个，长期、稳定、连续、批量供货，供货周期满足设备制造计划进

18、度，能保证元器件失效时的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及时更换要求等10)成本，成本，元器件的价格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，考虑采用性价比高性价比高的元器件的元器件11)满足系统功能与性能的要求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、电压、电流、频率、驱动能力、功耗、体积、重量、安装方式等安装方式等 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 12)满足系统可靠性的要求满足系统可靠性的要求对系统的可靠性逐级分解并分配，对系统

19、的可靠性逐级分解并分配，对每个器件的失效率提出具体要求对每个器件的失效率提出具体要求13)考虑元器件的标准化考虑元器件的标准化选择选择符合国家标准符合国家标准的器件，方便更换和维修；的器件，方便更换和维修；选择选择经过实际应用经过实际应用证明可靠的器件证明可靠的器件14)抗静电能力抗静电能力选择抗静电能力强的器件选择抗静电能力强的器件 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 3.品种型号的选择品种型号的选择1）高可靠性元器件的特征）高可靠性元器件的特征制造商认证制造商认证：生产厂商通过了权威部门的合格认证：生产厂商通过了权威部门的合格认证生产线认证生

20、产线认证：产品只能在认证合格的专用生产线上：产品只能在认证合格的专用生产线上生产生产可靠性检验可靠性检验：产品进行并通过了一系列的性能和可：产品进行并通过了一系列的性能和可靠性试验，靠性试验，100%筛选和质量一致性检验筛选和质量一致性检验工艺控制水平工艺控制水平：产品的生产过程得到了严格的控制，产品的生产过程得到了严格的控制，成品率高成品率高标准化程度标准化程度：产品的生产和检验符合国际、国家或：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行业通用规范及详细规范要求 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2）选择型号的优先选用规则）

21、选择型号的优先选用规则(1)优先选用优先选用标准的、通用的、系列化标准的、通用的、系列化的元器件，的元器件，慎重选用新品种和非标准器件慎重选用新品种和非标准器件，最大限度地压缩元器，最大限度地压缩元器件的品种规格和承制单位的数量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先选用列入元器件优选目录优选目录的元器件的元器件(3)优先选用优先选用制造技术成熟制造技术成熟的元器件，选用能长期、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连续、稳定、大批量供货，且成品率高的定点供货单位位(4)优先选用能提供优先选用能提供完善的工艺控制数据完善的工艺控制数据、可靠性应、可

22、靠性应用指南或使用规范的厂家产品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，优先选用在质量等级相当的前提下，优先选用集成度高的集成度高的器件器件，少选用分立器件，少选用分立器件 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 元器件优选目录元器件优选目录: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：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。该设备的元器件优选清单。在应用时，根据产

23、品各研制阶段的实际需要，对元器件优选目在应用时，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录实施动态管理 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 合格产品目录（合格产品目录（QPL）：）：可由国家主管部门、行业主管部门或企业自行可由国家主管部门、行业主管部门或企业自行编制，高可靠设备必须采取编制，高可靠设备必须采取QPL内的元器件内的元器件推荐产品目录（推荐产品目录（PPL）：）：应是应是QPL的一个子集，高可靠设备应优先采用的一个子集，高可靠设备应优先采用PPL内的元器件内的元器件合格制造商目录（合格制造商目录（QML）：）：已通过

24、相关认证的厂商或者生产线已通过相关认证的厂商或者生产线 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 3）供货商应提供的可靠性信息）供货商应提供的可靠性信息详细规范及符合的标准详细规范及符合的标准：国军标、国标、行标、企标：国军标、国标、行标、企标认证情况认证情况：QPL、QML、PPL、IECQ等等质量等级与可靠性水平质量等级与可靠性水平：失效率、寿命（：失效率、寿命（MTTF）、抗静电强）、抗静电强度、抗辐照水平等度、抗辐照水平等可靠性试验数据可靠性试验数据：加速与现场，环境与寿命，近期及以往，所：加速与现场，环境与寿命，近期及以往，所采用的试验方法与

25、数据处理方法采用的试验方法与数据处理方法成品率数据成品率数据：中测（裸片）、总测（封装后）等：中测（裸片）、总测（封装后）等质量一致性数据质量一致性数据：批次间，晶圆间，芯片间，平均值、方差、：批次间，晶圆间，芯片间，平均值、方差、分布工艺稳定性数据：统计工艺控制（分布工艺稳定性数据：统计工艺控制（SPC）数据，批量生产情）数据，批量生产情况况采用的工艺和材料采用的工艺和材料：最好能提供关键工艺和材料的主要参数指：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、可靠性防护方法等标使用手册与操作规范：典型应用电路、可靠性防护方法等 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性

26、选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.2.2工艺考虑工艺考虑 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.2.3封装考虑封装考

27、虑插孔安装（插孔安装（TH）和表面贴装）和表面贴装(SMT）是目前元器件在）是目前元器件在PCB上的主要安装方式上的主要安装方式 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 针对表面安装的半导体分立器件与集成电路的封装针对表面安装的半导体分立器件与集成电路的封装形式形式针对表面安装的无源元件针对表面安装的无源元件的封装形式的封装形式 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 管脚的寄生参数管脚的寄生参数寄生参数典型值寄生参数典型值有引脚元件：寄生电感有引脚元件：寄生电感1nH/mm/引脚（越短越好），寄生电容引脚

28、（越短越好），寄生电容4pF/引脚引脚无引脚元件：寄生电感无引脚元件：寄生电感0.5nH/端口，寄生电容端口，寄生电容0.3pF/端口端口不同封装形式寄生效应的比较（寄生参数由小到大）不同封装形式寄生效应的比较（寄生参数由小到大）无引脚贴装无引脚贴装表面贴装表面贴装放射状引脚放射状引脚BGAQFPSMDDIP 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 寄生参数与封装形式的关系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，寄生电感越小脚宽长比越大，寄生电感越小电容器的串联电感

29、与封装形式的关系电容器的串联电感与封装形式的关系 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 有利于可靠性有利于可靠性 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速度 机械强度高：提高了电路抗振动和冲击的能力机械强度高：提高了电路抗振动和冲击的能力 装配一致性好：成品率高，参数离散性小装配一致性好：成品率高，参数离散性小 不利于可靠性不利于可靠性 材料不匹配性增加：某些陶瓷基材的材料不匹配性增加：某些陶瓷基材的SMT元件（如某些电阻器、元件（如某些电阻器、电容器、无引线芯片载体电容器、

30、无引线芯片载体LCC）与）与PCB基板环氧玻璃的热膨胀系基板环氧玻璃的热膨胀系数不匹配，引发热数不匹配，引发热应力失效应力失效 较易污染：较易污染：SMT元件与元件与PCB板之间不易清洁，易驻留焊剂的板之间不易清洁，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弊，目前已占了表面贴装对可靠性是利远大于弊，目前已占了90的比例的比例SMT对可靠性的影响对可靠性的影响 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 封装材料的比较封装材料的比较塑料封装塑料封装优点：成本低（约为陶瓷封装的优点：成本低（约为陶瓷封装的

31、55），重量轻（约为陶瓷封），重量轻（约为陶瓷封装的装的1/2），管脚数多，高频寄生效应弱，便于自动化生产），管脚数多，高频寄生效应弱，便于自动化生产缺点：缺点：气密性差，吸潮，不易散热，易老化，对静电敏感气密性差，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，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，布线密度高承受功率大，布线密度高缺点：成本高缺点：成本高适用性：航空、航天、军事等高端市场适用性：航空、航天、军事等高

32、端市场金属封装金属封装优点：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，管脚数有限缺点：成本高，管脚数有限适用性：小规模高可靠器件适用性：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通常称塑封为非气密封装，陶瓷和金属为气密封装 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 塑封的可靠性问题塑封的可靠性问题吸潮性问题吸潮性问题塑料封装所采用环氧树脂材料塑料封装所采用环氧树脂材料本身具有吸潮性，湿气容易在其本身具有吸潮性，湿气容易在其表面吸附表面吸附水汽会引起塑封材料自身的

33、蠕水汽会引起塑封材料自身的蠕变，如入侵到芯片内部，则会导变，如入侵到芯片内部，则会导致腐蚀以及表面沾污致腐蚀以及表面沾污气密性问题气密性问题塑料管壳与金属引线框架、半导体芯片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等材料的热膨胀系数的差异要大得多(与与陶瓷及金属管壳相比陶瓷及金属管壳相比)温度变化时会在温度变化时会在材料界面产生相当大的机械应力材料界面产生相当大的机械应力界面界面处产生缝隙处产生缝隙导致气密性劣化导致气密性劣化水汽在缝隙处聚集水汽在缝隙处聚集温度上升时迅速汽温度上升时迅速汽化而膨胀化而膨胀界面应力进一步加大界面应力进一步加大有可有可能使塑封体爆裂（能使

34、塑封体爆裂（“爆米花爆米花”效应）效应）PCB再流焊时温度可在再流焊时温度可在540s内上升到内上升到205250，上升梯度达到，上升梯度达到12再流焊（亦称回流焊）是在再流焊（亦称回流焊）是在PCB上安装表面贴装元件的主要方法。上安装表面贴装元件的主要方法。在再流焊过程中，元器件封装温在再流焊过程中，元器件封装温度可能有度可能有100200的变化的变化 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 温度适应性问题温度适应性问题塑封材料的玻璃化转换温度为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，超过此温度后塑封材料会软化，对气

35、密性也有不利影响气密性也有不利影响商用塑封器件的温度范围一般为商用塑封器件的温度范围一般为070、-40+85、40+125，难以达，难以达到军用温度范围到军用温度范围-55+125 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 引线及钝化材料的选择引线及钝化材料的选择引线涂覆形式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：质量最差热焊料浸渍涂覆：质量最差内部钝化材料的选择内部钝化材料的选择芯片表面涂覆有机涂层

36、或有机薄膜：慎用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：可用芯片表面淀积有无机材料薄膜：可用内部气氛内部气氛真空封装：抗辐照，对管壳密封性要求高真空封装：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于抵抗外界气氛侵入 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 实际电容器的简化电路模型：实际电容器的简化电路模型：由由等效电阻（等效电阻（ESR）Rs、等效串联电感（等效串联电感（ESL）Ls、静静电容电容C组成组成电容的阻抗：电容的阻抗：Zc=Rs+j（

37、2f L-1/(2fC)）电容的自谐振频率：电容的自谐振频率：电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 理想电容的阻抗是随着频率的升高降低，而实际电容的阻理想电容的阻抗是随着频率的升高降低，而实际电容的阻抗分为抗分为3个区域个区域：实际电容的阻抗图：实际电容的阻抗图：小于自谐振频率小于自谐振频率：电容保持电容的特性，其阻抗随频率电容保持电容的特性，其阻抗随频率的增加而降低，的增加而降低，等于自谐振频率等于自谐振频率：电容的阻抗最小，等于：电容的阻抗最小，等于等效电阻等效电阻（ESR）Rs大于自谐振频率大于自谐振频率：由于：由于引线长度和导线电感引线长度

38、和导线电感的影响，电的影响，电容表现为电感的作用，因此对高频噪声的滤波作用减弱，容表现为电感的作用，因此对高频噪声的滤波作用减弱，甚至消失甚至消失 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 大容量铝电解电容的自谐振频率大容量铝电解电容的自谐振频率：工艺特性原因，铝电解电容的工艺特性原因，铝电解电容的等效串联电阻等效串联电阻ESR，等效串联电感等效串联电感ESL比较难做小，因此铝电解电容的自谐比较难做小，因此铝电解电容的自谐振频率点通常都比较低，大致在振频率点通常都比较低，大致在几十几十KHz到几到几MHz范围范围在频率为在频率为几百几百MHz时，铝电解

39、电容呈现时，铝电解电容呈现感性感性，损耗，损耗过大时，用在大功率场合，过大时，用在大功率场合，会发热而烧坏会发热而烧坏 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 注意以下问题：注意以下问题：1）74系列、系列、54系列集成电路系列集成电路：最大工作电压最大工作电压(5V)比较低比较低HTL、CMOS集成电路集成电路：最大工作电压达到：最大工作电压达到15V或更或更高高不同的集成电路延时也不一样不同的集成电路延时也不一样2)与门、与非门不用的输入端：与门、与非门不用的输入端：通过通过1个几个几K欧姆电阻接欧姆电阻接高电平高电平，或不用的输入端并，或不用的

40、输入端并联在有用的输入端联在有用的输入端或门、或非门不用的输入端：或门、或非门不用的输入端：接到接到地上地上，或与其他有输入信号的输入端接到一起，或与其他有输入信号的输入端接到一起其它芯片不用的输入端其它芯片不用的输入端：接到保证器件正常工作的状态接到保证器件正常工作的状态 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 3）注意电路的驱动能力）注意电路的驱动能力不同的数字集成电路，其负载性能、驱动性能、不同的数字集成电路，其负载性能、驱动性能、工作速度、输出电平不一样工作速度、输出电平不一样负载性能：负载性能：IIL（低电平输入电流）、（低电平输入电流）、

41、IIH（高电平输入电流）、（高电平输入电流）、CIN（输入等效电容）（输入等效电容）驱动性能参数：驱动性能参数：IOH（高电平输出的电流）、（高电平输出的电流）、IOL（低电平输出电流）、（低电平输出电流）、CP（输出等效电容）（输出等效电容）电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 4）MOS、CMOS器件：器件：防止静电损坏器件。防止静电损坏器件。人体静电人体静电：KV、十几、十几KV 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2.3电阻器的选择和使用电阻器的选择和使用1、电阻的主要参数、电阻的主要参数（1

42、）电阻值）电阻值厂家只生产厂家只生产标准电阻值标准电阻值的电阻的电阻上表中的电阻可以乘以上表中的电阻可以乘以10的的n次方次方在设计时，必须选择标准电阻值的电阻在设计时，必须选择标准电阻值的电阻 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 色环电阻：色环电阻：电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 电阻的色码表示方法电阻的色码表示方法4722四色环电阻：四色环电阻：五色环电阻：五色环电阻：电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 （2）额定功率）额定功率每种电阻都有额定

43、功率每种电阻都有额定功率选择电阻时选择电阻时：电阻的额定功率必须大于电阻实际消耗电阻的额定功率必须大于电阻实际消耗的功率的功率在脉冲工作情况下在脉冲工作情况下：平均功率不能大于额定功率平均功率不能大于额定功率常见功率常见功率：1/4W、1/8W 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 大功率电阻大功率电阻：1W、2W等等 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 （3）高频特性）高频特性每种电阻都存在每种电阻都存在分布电容、引线电感分布电容、引线电感，等效电路为：，等效电路为：Lx：引线电感：引线电感Cx：分

44、布电容：分布电容，由于电路的分布，由于电路的分布特点而具有的电容特点而具有的电容其大小其大小：和电阻的种类和材料、：和电阻的种类和材料、频率有关频率有关高频特性：高频特性：薄膜电阻薄膜电阻最好，合成电阻较好，线绕电阻最差最好，合成电阻较好，线绕电阻最差薄膜电阻薄膜电阻：频率大于：频率大于100MHz时，其阻值保持不变时，其阻值保持不变 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 （4）电阻噪声）电阻噪声电阻工作时，产生噪声电阻工作时，产生噪声：在电阻两端产生无规律的：在电阻两端产生无规律的噪噪声电压声电压。k：玻尔兹曼常数，等于：玻尔兹曼常数，等于1.3

45、810-23J/KT：绝对温度：绝对温度B：电阻的工作带宽：电阻的工作带宽R：电阻值：电阻值例如例如：100K的电阻，工作带宽为的电阻，工作带宽为5MHz，环境温度为，环境温度为300K（摄氏（摄氏27）时，噪声电压为）时，噪声电压为100V，如果有效信号，如果有效信号为几十为几十V，则有用信号被噪声淹没，则有用信号被噪声淹没噪声电压噪声电压为：为：电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 （5）温度系数）温度系数每种电阻都有自己的温度系数，每种电阻都有自己的温度系数，温度系数温度系数：指温度改变：指温度改变1时，电阻值的变化量时，电阻值的变化量设计系

46、统时设计系统时：要考虑：要考虑温度变化温度变化对阻值的影响对阻值的影响（6）最高允许电压）最高允许电压指电阻两端的最高允许电压指电阻两端的最高允许电压实际使用时，不能超过实际使用时，不能超过最高允许电压最高允许电压 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 2、电阻的类型和特点、电阻的类型和特点（1）合成电阻）合成电阻由导电材料（例如：石墨）、填充料（例如：由导电材料（例如：石墨）、填充料（例如：黏土）、黏合剂制成。黏土）、黏合剂制成。优点优点：体积小，价格低、抗过载能力强，失效率低体积小，价格低、抗过载能力强，失效率低缺点缺点：阻值稳定性差、噪声大、

47、温度系数大、高频特阻值稳定性差、噪声大、温度系数大、高频特性差性差使用场合：使用场合：频率不高、稳定性要求不高的场合频率不高、稳定性要求不高的场合 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 （2）薄膜电阻）薄膜电阻分为分为碳膜电阻、金属薄膜电阻碳膜电阻、金属薄膜电阻碳膜电阻：碳膜电阻：优点优点：阻值广、价格低、频率特性好：阻值广、价格低、频率特性好缺点缺点：温度范围小，阻值稳定性差：温度范围小，阻值稳定性差金属薄膜电阻：金属薄膜电阻：分为分为金属膜电阻、金属氧化膜电阻金属膜电阻、金属氧化膜电阻优点优点：高频性能好、噪声小、温度系数小、阻值：高频性能好、

48、噪声小、温度系数小、阻值准确稳定、温度范围大准确稳定、温度范围大缺点缺点：功耗小：功耗小使用场合：使用场合：高稳定、高寿命、高精度的场合，适用在高频电高稳定、高寿命、高精度的场合，适用在高频电路、高速数字电路中路、高速数字电路中 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 （3）线绕电阻）线绕电阻使用使用合金细丝合金细丝绕制绝缘体中制成绕制绝缘体中制成优点：优点：阻值准确、工作稳定、温度系数小、噪声电压低、阻值准确、工作稳定、温度系数小、噪声电压低、功率大、温度性能好功率大、温度性能好缺点：缺点：不能用于高频不能用于高频(50KHz以上以上)、体积大、价

49、格高、阻值、体积大、价格高、阻值小小场合：场合：功率大、频率低、阻值要求精确功率大、频率低、阻值要求精确（4）合成电位器）合成电位器稳定性不高、精度不高稳定性不高、精度不高（5）线绕电位器）线绕电位器有精密型、半精密型有精密型、半精密型 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 3.嵌入式系统中常用的特种电阻嵌入式系统中常用的特种电阻（1）热敏电阻）热敏电阻1）PTC热敏电阻热敏电阻正温度系数，随温度的升高，电阻值增加正温度系数，随温度的升高，电阻值增加电阻在电阻在RminRmax之间对温度变化之间对温度变化2）NTC功率热敏电阻功率热敏电阻负温度系数

50、负温度系数：温度增加时，电阻值减小温度增加时，电阻值减小当有大电流（当有大电流（110A）通过这种电阻时：）通过这种电阻时：由于电阻消耗电能，而发热，电阻值减小由于电阻消耗电能，而发热，电阻值减小使用场合使用场合：电源系统中使用，保护整流器电源系统中使用，保护整流器 电子元器件的可靠性选用电子元器件的可靠性选用 电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计 例如：例如：无电阻无电阻Rt时时：当开机加电时，：当开机加电时，大的电解电容对电源呈现短路状态，大的电解电容对电源呈现短路状态，会产生很大的冲击电流，损耗整流器会产生很大的冲击电流，损耗整流器有电阻有电阻Rt时时：当开机加电时，：当开机加电时，当过