在電子電路設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造過程中，元器件選型是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作，它不僅考驗(yàn)著設(shè)計(jì)者的功力，還直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量水平。以下將從綜合考慮、工藝考慮、封裝考慮等多個(gè)方面，為您詳細(xì)介紹元器件選型的基礎(chǔ)知識(shí)。

綜合考慮

易產(chǎn)生應(yīng)用可靠性問題的器件

• 對(duì)外界應(yīng)力敏感的器件：不同類型的器件對(duì)外部應(yīng)力有著不同的敏感度。例如，CMOS 電路對(duì)靜電、閂鎖、浪涌較為敏感；小信號(hào)放大器對(duì)過電壓、噪聲、干擾敏感；塑料封裝器件則對(duì)濕氣、熱沖擊、溫度循環(huán)敏感。
• 工作應(yīng)力接近電路應(yīng)力的器件：功率器件在功率接近極限值時(shí)，高壓器件在電壓接近極限值時(shí)，電源電路在電壓和電流接近極限值（電源）時(shí)，高頻器件在頻率接近極限值（射頻與高速數(shù)字）時(shí)，超大規(guī)模芯片在功耗接近極限值（特別是大功率的 CPU、FPGA、DSP 等）時(shí)，都容易出現(xiàn)可靠性問題。此外，時(shí)鐘輸出電路在整個(gè)電路中頻率，且要驅(qū)動(dòng)幾乎所有數(shù)字電路模塊；總線控制與驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，頻率高；無線收發(fā)電路中的發(fā)射機(jī)功率和頻率接近極限值，這些器件也需要特別關(guān)注。

選用元器件要考慮的十大要素

1. 電特性：元器件除了要滿足裝備功能要求外，還需能經(jīng)受施加的電應(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：元器件工藝應(yīng)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，元器件參數(shù)變化應(yīng)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(jì)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(duì)元器件的典型失效模式和失效機(jī)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(jí)。
9. 可用性：供貨商應(yīng)多于 1 個(gè)，供貨周期需滿足設(shè)備制造計(jì)劃進(jìn)度，能保證元器件失效時(shí)的及時(shí)更換要求等。
10. 成本：在能同時(shí)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(jià)比高的元器件。

失效模式及其分布

失效模式是指元器件的失效形式，即元器件是如何失效的；失效機(jī)理則是指元器件的失效原因，即為什么會(huì)失效。元器件的使用者即使不能了解失效機(jī)理，也應(yīng)該了解失效模式。如果元器件有多種失效模式，那么各種失效模式發(fā)生的概率是進(jìn)行失效分析的前提。

高可靠元器件的特征

高可靠元器件通常具有制造商，即生產(chǎn)廠商通過了權(quán)威部門的合格；產(chǎn)品只能在合格的專用生產(chǎn)線上生產(chǎn)；產(chǎn)品進(jìn)行并通過了一系列的性能和可靠性試驗(yàn)，100% 篩選和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)；產(chǎn)品的生產(chǎn)過程得到了嚴(yán)格的控制，成品率高；產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗(yàn)符合國(guó)際、國(guó)家或行業(yè)通用規(guī)范及詳細(xì)規(guī)范要求。

品種型號(hào)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，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)選目錄的產(chǎn)品；優(yōu)先選用器件制造技術(shù)成熟的產(chǎn)品，選用能長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定、大批量供貨且成品率高的定點(diǎn)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(jí)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。

供貨商應(yīng)提供的可靠性信息

供貨商應(yīng)提供詳細(xì)規(guī)范及符合的標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)軍標(biāo)、國(guó)標(biāo)、行標(biāo)、企標(biāo)；情況，如 QPL、QML、PPL、IECQ 等；質(zhì)量等級(jí)與可靠性水平，如失效率、壽命（MTTF）、抗靜電強(qiáng)度、抗輻照水平等；可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括加速與現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境與壽命，近期及以往，所采用的試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理方法；成品率數(shù)據(jù)，如中測(cè)（裸片）、總測(cè)（封裝后）等；質(zhì)量一致性數(shù)據(jù)，如批次間，晶圓間，芯片間，平均值、方差、分布；工藝穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計(jì)工藝控制（SPC）數(shù)據(jù)，批量生產(chǎn)情況；采用的工藝和材料，能提供關(guān)鍵工藝和材料的主要參數(shù)指標(biāo)；使用手冊(cè)與操作規(guī)范，如典型應(yīng)用電路、可靠性防護(hù)方法等。

工藝考慮

以集成電路為例，在工藝方面有多個(gè)關(guān)鍵因素需要考慮。線條方面，常見的有 0.35、0.25、0.18、0.13μm 等；襯底材料的性能排序?yàn)?Si>SOI>SiGe>GaAs>SiC；互連材料方面，國(guó)外先進(jìn)工藝中 Cu>Al，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工藝中 Al>Cu；鈍化材料的性能排序?yàn)?SiN>PSG > 聚烯亞胺，無機(jī) > 有機(jī)；鍵合材料的性能排序?yàn)?Au>Cu>Al (Si）；電路形式上，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之間存在一定的關(guān)系。成品率是指出廠或老化篩選中在批量器件發(fā)現(xiàn)的合格器件數(shù)，可靠性是指經(jīng)歷一年以上的上機(jī)時(shí)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。統(tǒng)計(jì)工藝控制（SPC）數(shù)據(jù)可以定量表征工藝準(zhǔn)確度和工藝穩(wěn)定性，這是決定產(chǎn)品成品率和可靠性的重要因素。合格率的表征參數(shù)包括成品率（批產(chǎn)品中合格品所占百分比）和 ppm（每一百萬個(gè)產(chǎn)品中不合格品的數(shù)量，適用于批量大、質(zhì)量穩(wěn)定、成品率高的產(chǎn)品表征）。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，工藝參數(shù)的分布通常滿足正態(tài)分布。

封裝考慮

寄生參數(shù)典型值

有引腳元件的寄生電感為 1nH/mm/ 引腳（越短越好），寄生電容為 4pF / 引腳；無引腳元件的寄生電感為 0.5nH / 端口，寄生電容為 0.3pF / 端口。不同封裝形式寄生效應(yīng)由小到大的順序?yàn)闊o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(zhǎng)比越大，寄生電感越小。

對(duì)可靠性的影響

• 有利于可靠性：引線極短可以降低分布電感和電容，提高抗干擾能力和電路速度；機(jī)械強(qiáng)度高可以提高電路抗振動(dòng)和沖擊的能力；裝配一致性好可以提高成品率，減小參數(shù)離散性。
• 不利于可靠性：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，會(huì)引發(fā)熱應(yīng)力失效；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。不過，表面貼裝對(duì)可靠性是利遠(yuǎn)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(diǎn)是成本低（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(dòng)化生產(chǎn)；缺點(diǎn)是氣密性差，吸潮，不易散熱，易老化，對(duì)靜電敏感。適用于大多數(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(diǎn)是氣密性好，散熱能力強(qiáng)（熱導(dǎo)率高），高頻絕緣性能好，承受功率大，布線密度高；缺點(diǎn)是成本高。適用于航空、航天、軍事等高端市場(chǎng)。
• 金屬封裝：優(yōu)點(diǎn)是氣密性好，散熱能力強(qiáng)，具有電磁屏蔽能力，可靠性高；缺點(diǎn)是成本高，管腳數(shù)有限。適用于小規(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(huì)引起塑封材料自身的蠕變，如入侵到芯片內(nèi)部，則會(huì)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(shí)會(huì)在材料界面產(chǎn)生相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生縫隙，從而使氣密性劣化。水汽在縫隙處聚集，溫度上升時(shí)迅速汽化而膨脹，界面應(yīng)力進(jìn)一步加大，有可能使塑封體爆裂（“爆米花” 效應(yīng)）。PCB 再流焊時(shí)溫度可在 5 - 40s 內(nèi)上升到 205 - 250℃，上升梯度達(dá)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(huì)軟化，對(duì)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(dá)到軍用溫度范圍 - 55~ + 125℃。

綜上所述，在進(jìn)行元器件選型時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)方面的因素，權(quán)衡利弊，選擇適合的元器件，以確保產(chǎn)品的可靠性和性能。