器件选型引发的问题讨论

shuzhiguang

器件选型的思考的深度和广度，非常能考验设计者的功力，同时最后也落实到产品的质量水平上。
1、综合考虑
a、易产生应用可靠性问题的器件
对外界应力敏感的器件
CMOS电路：对静电、闩锁、浪涌敏感
小信号放大器：对过电压、噪声、干扰敏感
塑料封装器件：对湿气、热冲击、温度循环敏感 工作应力接近电路最大应力的器件
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：功耗接近极限值频率与功率都大的器件时钟输出电路：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
b、选用元器件要考虑的十大要素
电特性：元器件除了满足装备功能要求之外，要能经受最大施加的电应力
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
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
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
寿命：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
环境适应性：应能良好地工作于各种使用环境，特别是如潮热、盐雾、沙尘、酸雨、霉菌、辐射、高海拔等特殊环境
失效模式：对元器件的典型失效模式和失效机理应有充分了解
可维修性：应考虑安装、拆卸、更换是否方便以及所需要的工具和熟练等级
可用性：供货商多于1个，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
成本：在能同时满足所要求的性能、寿命和环境制约条件下，考虑采用性价比高的元器件
c、失效模式及其分布
失效模式：元器件的失效形式，即是怎么样失效的？
失效机理：元器件的失效原因，即是为什么失效的？
元器件的使用者即使不能了解失效机理，也应该了解失效模式
失效模式分布：如果元器件有多种失效模式，则各种失效模式发生的概率是进行失效分析的前提。d、高可靠元器件的特征
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
e、品种型号的优先选用规则
优先选用标准的、通用的、系列化的元器件，慎重选用新品种和非标准器件，最大限度地压缩元器件的品种规格和承制单位的数量。
优先选用列入元器件优选目录
优先选用器件制造技术成熟的产品，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
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
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f、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、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、工艺考虑
以集成电路为例：最小线条： 0.35、0.25、0.18、0.13μm
衬底材料： Si>SOI>SiGe>GaAs>SiC
互连材料：Cu>Al（国外先进工艺）Al>Cu（国内现有工艺）
钝化材料：SiN>PSG>聚烯亚胺 无机>有机
键合材料：Au>Cu>Al(Si）
电路形式：数/模分离>数/模合一 RF/BB分离>RF/BB合一
CMOS芯片成品率与可靠性的关系
成品率（有时称为质量）：出厂或老化筛选中在批量器件发现的合格器件数
可靠性：经历一年以上的上机时间后的失效器件数
一般而言，器件的质量与成品率越高，可靠性越好。但质量与成品率相同的器件，可靠性并非完全相同统计工艺控制工艺准确度和工艺稳定性是决定产品成品率和可靠性的重要因素，可用统计工艺控制（SPC，Statistical Process Control）数据来定量表征
合格率的表征参数
成品率(yield）：批产品中合格品所占百分比
ppm（parts per million）：每一百万个产品中不合格品的数量，适合于批量大、质量稳定、成品率高的产品表征
工艺偏移和离散的表征
不合格品的产生主要来自元器件制造工艺不可避免地存在着的偏移和离散
工艺参数的分布通常满足正态分布（下图），其均值为μ、标准偏差为σ
3、封装考虑寄生参数典型值
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）
无引脚贴装>表面贴装>放射状引脚>轴面平行引脚
CSP>BGA>QFP>SMD>DIP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弊，目前已占了90％的比例。
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
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5～40s内上升到205～250 ℃ ，上升梯度达到1～2℃/s ，容易产生上述效应。
温度适应性问题
塑封材料的玻璃化转换温度为130～160 ℃ ，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0～70 ℃ 、-40~+85 ℃ 、－40～+125℃ ，难以达到军用温度范围-55~+125 ℃

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