[導(dǎo)讀]本文來源于面包板社區(qū)器件選型的思考的深度和廣度,非常能考驗設(shè)計者的功力,同時最后也落實到產(chǎn)品的質(zhì)量水平上。1、綜合考慮a、易產(chǎn)生應(yīng)用可靠性問題的器件對外界應(yīng)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)...
本文來源于面包板社區(qū)
器件選型的思考的深度和廣度,非常能考驗設(shè)計者的功力,同時最后也落實到產(chǎn)品的質(zhì)量水平上。
1、綜合考慮
a、易產(chǎn)生應(yīng)用可靠性問題的器件
對外界應(yīng)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
工作應(yīng)力接近電路最大應(yīng)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)
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
b、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(yīng)力
2. 工作溫度范圍:元器件的額定工作溫度范圍應(yīng)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(yīng)高于規(guī)定值,封裝應(yīng)能與設(shè)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(yīng)不短于使用它們的設(shè)備的預(yù)計壽命
6. 環(huán)境適應(yīng)性:應(yīng)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(yīng)有充分了解
8. 可維修性:應(yīng)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(shè)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
c、失效模式及其分布
失效模式:元器件的失效形式,即是怎么樣失效的?失效機理:元器件的失效原因,即是為什么失效的?
元器件的使用者即使不能了解失效機理,也應(yīng)該了解失效模式
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。
d、高可靠元器件的特征
制造商認(rèn)證:生產(chǎn)廠商通過了權(quán)威部門的合格認(rèn)證
生產(chǎn)線認(rèn)證:產(chǎn)品只能在認(rèn)證合格的專用生產(chǎn)線上生產(chǎn)
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
工藝控制水平: 產(chǎn)品的生產(chǎn)過程得到了嚴(yán)格的控制,成品率高
標(biāo)準(zhǔn)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
e、品種型號的優(yōu)先選用規(guī)則
優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)的、通用的、系列化的元器件,慎重選用新品種和非標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(yīng)用指南或使用規(guī)范的廠家產(chǎn)品
在質(zhì)量等級相當(dāng)?shù)那疤嵯?,?yōu)先選用集成度高的器件,少選用分立器件
f、供貨商應(yīng)提供的可靠性信息
詳細規(guī)范及符合的標(biāo)準(zhǔn):國軍標(biāo)、國標(biāo)、行標(biāo)、企標(biāo)
認(rèn)證情況:QPL、QML、PPL、IECQ等
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
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
成品率數(shù)據(jù):中測(裸片)、總測(封裝后)等
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
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
采用的工藝和材料:最好能提供關(guān)鍵工藝和材料的主要參數(shù)指標(biāo)
使用手冊與操作規(guī)范:典型應(yīng)用電路、可靠性防護方法等
2、工藝考慮
以集成電路為例:
最小線條:0.35、0.25、0.18、0.13μm ? 襯底材料:Si>SOI>SiGe>GaAs>SiC
互連材料:Cu>Al(國外先進工藝)Al>Cu(國內(nèi)現(xiàn)有工藝)
鈍化材料:SiN>PSG>聚烯亞胺 無機>有機
鍵合材料:Au>Cu>Al(Si)
電路形式:數(shù)/模分離>數(shù)/模合一 RF/BB分離>RF/BB合一
CMOS芯片成品率與可靠性的關(guān)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
SPC數(shù)據(jù):合格率的表征
1、統(tǒng)計工藝控制
2、工藝準(zhǔn)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
3、封裝考慮
寄生參數(shù)典型值
有引腳元件:寄生電感1nH/mm/引腳(越短越好),寄生電容4pF/引腳
無引腳元件:寄生電感0.5nH/端口,寄生電容0.3pF/端口
不同封裝形式寄生效應(yīng)的比較(寄生參數(shù)由小到大)
無引腳貼裝>表面貼裝>放射狀引腳>軸面平行引腳
CSP>BGA>QFP>SMD>DIP
電容器的寄生電感還與電容器的封裝形式有關(guān)。管腳寬長比越大,寄生電感越小
有利于可靠性
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
機械強度高:提高了電路抗振動和沖擊的能力
裝配一致性好:成品率高,參數(shù)離散性小
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(yīng)力失效
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
表面貼裝對可靠性是利遠大于弊,目前已占了90%的比例
封裝材料的比較
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(yīng)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(dǎo)體分立器件與集成電路常規(guī)產(chǎn)品
陶瓷封裝
優(yōu)點:氣密性好,散熱能力強(熱導(dǎo)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
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
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(dǎo)致腐蝕以及表面沾污
氣密性問題
塑料管殼與金屬引線框架、半導(dǎo)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(dāng)大的機械應(yīng)力→界面處產(chǎn)生縫隙→導(dǎo)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(yīng)力進一步加大→有可 能使塑封體爆裂(“爆米花”效應(yīng))
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(yīng)。
溫度適應(yīng)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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