电子元器件选型与可靠性应用(印刷稿)

电子元器件选型与可靠性应用21、器件选型的通用规范2、器件选型与制造过程注意事项3、元器件的选型指标与可靠性应用4、可编程器件的嵌入式软件可靠性设计5、器件可靠性应用的设计目录3可靠性设计可维修性可生产性热设计防腐蚀设计EMC安规降额设计功能设计可用性精度功能功率成本强度…………41.1降额参数和系数1.2器件热设计应用计算1.3器件高频等效特性及对EMC的影响1.4器件应用过程的容差分析1.5器件环境条件的确定1.6器件工艺对应用设计的影响1.7器件选型对电子产品RAMS指标的影响1、器件选型的通用规范51.1、降额参数与系数1.降额等级的确定2.降额参数与降额因子3.结温—功率降额4.负荷特性曲线6降额等级I级降额II级降额III级降额人员伤亡√设备及保护措施损坏√√高可靠性要求√√新技术新工艺√√标准化设计√不能维修√高维修费用√7电容降额因子881.中小规模集成电路降额参数是电压、电流或功率，以及结温。2.大规模集成电路主要是降低结温。集成电路降额因子910111.确定降额等级？2.相同参数、不同工艺的同类型器件降额系数的区别；3.多路与单路应用下降额幅度的差别；4.可调器件与定值器件的降额区别；5.负载类型不同对降额系数的影响；6.降额计算依据的参数为（稳态数值+干扰数值）/降额系数；7.部分器件在特定应用场合不允许降额（继电器、光耦等）；8.钽电容降额系数是否0.5？低阻应用场合（电源输入端），钽电容是否降额到0.3？9.电容器降额太大，易引起低电平失效；AC应用比DC直流应用降额要大，随频率↑降额幅度↑。降额总结121.2器件应用热设计热设计的目的13热阻温差热耗℃/W℃WR=△T/Q14风量（风速）：1CFM=0.0283m3/min热功率密度：热流密度：15冷却方式选择的依据GJB/Z27电子设备可靠性热设计手册QJ1474-88电子设备热设计规范16传导散热Rja=Rjc+Rcs+RsaRjc：Datasheet；Rcs：用导热油脂或导热垫后再与散热器安装，0.1—0.2℃/W；若器件底面不绝缘另加云母片绝缘，则选1℃/W；Rsa：散热片的热阻。Ta：环境温度40—60℃Tj：结温125℃P：热耗≈功率（对非能量转换器件）Rja：热阻171.自然冷却下，电泳涂漆或黑色氧极化处理后可提高散热效果10-15%；通风冷却下，可提高3%；2.电泳涂漆可耐压500-800V。18风冷散热计算V：强制风冷风量m3/sQ：总耗散热量WC：空气比热1000J/(Kg•℃)ρ:空气比重1.29kg/m3△T：进出口空气温差本公式忽略辐射和自然对流散热（一般约10%），因此计算出的风量会稍大。V=QC*ρ*△T19机柜温升计算Q：机柜内的散热功率（W）V：风机的体积流量（m3/min）基于机柜内耗散功率均匀分布的前提。△T=Q/V0.05V=3.16Q/△T20半导体制冷•冷却功能模块的电功率≤冷却功率*（3-6%）；•适用于器件和仪器仪表的冷却，大功率散热慎用。21其它制冷方式•热管制冷•相变制冷221.3器件高频等效特性及对EMC的影响•电阻的高频等效特性•电容的高频等效特性•电感的高频等效特性•导线的高频等效特性•磁环、磁珠的高频等效特性23电阻高频等效特性24电容高频等效特性ESR250.010.11.010.0100.00.11101001000频率(MHz)阻抗(欧姆)引线长度为0.25inch的0.05uF电容器0.05uF馈通电容器理想电容器26电感高频等效特性27导线高频等效特性28差好接地电感削弱高频滤波效果分布电容耦合干扰电流路径加粗接地线改善接地效果输入输出物理上分离，减小耦合干扰电流路径导线高频特性应用范例29磁环、磁珠高频等效特性原理符号RL等效电路5MHz50MHz500MHz40080120160200阻抗（欧姆）301.4器件应用过程的容差分析R=10K±0.5K±30Ω±100PPM/℃30℃±5%31X2-7U_U_UBX2-5G_G_GNDX2-6G_G_GNDGNDD401SM8S33A12VB_PROTD400S3J12C516.8nF,100VP209321.5器件环境条件的确定设备环境温度≠器件环境温度331.6器件工艺对应用设计的影响341.7器件选型对电子产品RAMS指标的影响352.1外购件规格书2.2器件在产品生命周期不同阶段的注意事项2、器件选型与制造过程注意事项362.1器件文档要素组成•供货商指定为生产商；•指标齐全（Esp.工艺选项）外购件规格书示例（电机）.pdf372.2器件在产品生命周期不同阶段的注意事项383、元器件选型3.1电子元器件的选型基本原则3.2无源元件（电阻、电容、电感、接插件）3.3二极管/三极管3.4晶振3.5散热器件3.6数字IC3.7电控光学器件（光耦、LED）3.8AD/DA及运放3.9电控机械动作器件3.10能量转换器件（开关电源、电源变换芯片、变压器）3.11保护器件（保险丝、磁环磁珠、压敏电阻、TVS管等）393.1、元器件选型原则1.功能指标2.用于容差分析的参数（精度、温度系数）3.影响可靠性的参数（热阻、环境条件、ESD/MSD防护等级、负荷特性曲线等）4.隐含特性（高频等效特性等）5.封装形式与生产工艺6.失效机理7.常用器件、已用器件8.有兼容管脚替代品的器件9.低频、缓上升沿10.为Datasheet的每个参数和图形图表匹配到其对所设计电路的影响403.2、无源器件1.电阻2.电容3.电感4.接插件41电阻1.电阻的指标2.电阻的种类3.电阻的结构、制作工艺及由此引起的特性差别42①直插定值电阻（膜式电阻和线绕电阻）②贴装定值电阻③电位器431.反馈电路，电流/电压采样检测电阻选无感电阻，精度越高越好。2.芯片或网络输入端的启动电阻或滤波吸收电阻，电压功率降额。3.高压电阻：安规认证；1KV额定电压，电阻本体长度≥10mm，4KV时本体长度≥25mm。特种场合电阻选型44电容1.电容等效特性2.电容的指标3.电容结构、因结构不同引起的不同特性4.不同特性所适用的不同场合45电容谐振频率举例引线长1.6mm的陶瓷电容器42.5680pF331100pF19.33300pF12.60.01F40.1F60330pF1.71F谐振频率(MHZ)电容量42.5680pF331100pF19.33300pF12.60.01F40.1F60330pF1.71F谐振频率(MHZ)电容量容值越小，谐振频率越高，ZC实际电容理想电容f1/2LCZC实际电容理想电容f1/2LCCL461.温度系数：2.绝缘电阻：3.漏电流：4.等效串联电阻（ESR）：5.频率特性：6.损耗正切角：在电场作用下，电容单位时间内发热而消耗的能量，含介质损耗和金属部分损耗。电容datasheet示例47贴片电容•表贴电容引脚电感≈0，总电感≈普通电容电感量/（3～5）；•自谐振频率≈同等容值插件电容自谐振频率*2；被滤波信号走线地线电容尽可能粗短，以减小等效电感电容被滤波信号走线地线电容被滤波信号走线接地平面过孔推荐布线方式不推荐48•有机介质电容器：纸介、塑料薄膜、纸膜复合介质、薄膜复合介质；•无机介质电容器：云母、玻璃釉、陶瓷；•气体介质电容器：空气、真空、充气式；•电解电容器：铝电解、钽电解电容按电介质分类：49•纸介电容：1.优点：体积小、容量大2.缺点：固有电感和损耗大3.适宜场合：低频•涤纶电容器（隶属于薄膜电容器）：1.优点：容量大（几pF—几百μF），工作电压宽，额定电压有63V、100V和160V几种，介电常数大，耐热（工作温度达120~130℃）；2.缺点：损耗大，可代替纸介电容器3.适宜场合：适于直流及脉动电路的耦合、退耦、旁路、隔直等；高频电路不宜。50•聚苯乙烯电容器：1.优点：额定DC电压范围宽，从几百到数千伏；精度可达5‰；绝缘电阻高，一般在10000MΩ以上。高频损耗小，电容量稳定；2.缺点：工作温度范围不宽，上限为+75℃。•聚苯乙烯薄膜电容：1.优点：介质损耗小，绝缘电阻高，温度特性和容量稳定性优于涤纶电容器，可取代部分电解电容器，性能优于电解电容。体积小，容量大。2.缺点：工作电压低，DC电压40V；温度系数大；3.适用场合：高频电路。51•聚丙烯电容器：1.优点：高频绝缘性能好，电容量和损耗对频率变化不敏感，温度变化小，介电强度随温度↑而↑，耐温性好，吸收系数小，机械性能也比聚苯乙烯好。2.适宜场合：电视机、仪器仪表的高频电路中作积分电容，或其它交流电路。•叠片形金属化聚碳酸酯电容器：1.无感式结构，高频损耗小、自愈能力强、耐脉冲性、无感、电容量大。性能优良，易于自动化生产。2.适宜场合：收音机、电视机和录音机52•云母电容器：1.优点：损耗小、温度系数小，绝缘电阻大、频率稳定性好、高频特性好•玻璃釉电容器1.优点：体积小、损耗角正切值小、能在较高温度下工作、抗潮性能好；2.适宜场合：半导体电路和小型电子仪器的直流电路和脉冲电路53•瓷介电容器：1.优点：体积小，耐热性好、损耗小、绝缘电阻高2.缺点：容量小，易碎裂3.适宜场合：高频电路。•穿心电容：1.优点：滤波频率高2.缺点：耐高温和温度冲击性能差3.适宜场合：信号输入输出端滤波用途54•电解电容；缺点：体积大，ESR大，感抗较大，温度敏感；适用场合：温度变化小、工作频率低（25kHz）场合选型规范：1.在发热元件附件使用，慎选电解电容；2.滤波电路，按（电路额定电压+噪声叠加后）的电压峰值*（1.2—1.5）选择电解电容耐压。3.两个以上电解电容串联的时候要考虑使用平衡电阻器，使各电容上电压在额定范围内；4.电解电容下面无线路，防止电解液腐蚀、生烟或着火；5.容量较大的极性电容优选表贴铝电解电容。6.额定电压*1.3作为电容器的浪涌电压；7.工作电压160V时，额定工作电压+50V作为浪涌电压；8.需快速充放电的场合禁用铝电解电容。551.与铝电解电容相比，在串联电阻、感抗、对温度的稳定性优势明显，工作电压较低。2.漏电流要求较高的场合，不选钽电解电容，需选用薄膜电容。3.耐电压冲击性较差，回路中需串联保护电阻，3Ω/V。4.钽电解电容降额要高。电源输入级或低阻抗环境使用，推荐降额到0.3，电源输出级及一般应用环境推荐降额0.5。钽电解电容56高速PCB设计中的电容选用高速PCB中选择电容的标准：1.低ESR；2.高的谐振频率。57电容特性与电路应用1.退耦储能电容2.积分电容3.采样保持电容4.滤波电容……58接插件接插件的关注指标：1.底座插头（定位装置或键）2.插针或端子（材料）3.镀层4.间距（电气间隙、爬电距离、耐压）5.导通电流（粗细）59插针或端子材料材料成分优点缺点黄铜铜锌最便宜强度与弹性好成形质量好受应力和腐蚀时易裂损磷青铜铜锡比黄铜弹性好比黄铜更坚固比黄铜导电率低价格比黄铜贵得多铍铜(Be-Cu)铜铍优异的导电率强度和弹性异常好抗腐蚀和抗磨损60特性锡铅合金多数产品标准涂层；改善抗腐蚀性和可焊接性；用于较低档次产品金用于高档次产品；极好的抗腐蚀性；价格昂贵(仅电镀接触关键部位)钯镍(表面镀薄层金)比金便宜；极好的抗腐蚀性；改善抗磨损性能；比金难电镀镍用作电镀的屏障层镀层材料：接触部分电镀的目的：改善导电性、抗腐蚀和抗磨损、提高pin可焊性61连接器失效点1.不可接受的扭曲变形2.系统间的信号退化3.通过连接器的电源损失4.高接触阻抗5.不稳定的接触阻抗6.连接器信号线引入干扰62连接器选型电气参数1.额定电压：加载的电压≤额定电压*50％；2.额定电流：加载电流≤额定电流*50％。3.多芯连接器，额定电流降额使用（esp.大电流）4.绝缘阻抗：5.抗电强度：单位时间所能耐的电压；6.接触电阻：指插针和插孔接触部分产生的电阻，高频、mV/mA级别时影响信号质量。63机械参数1.插拔寿命：2.插拔力：总拔出力=2*单脚分离力之和。优选50N≥总拔出力≥13N，低于4PIN连接器（3/2/1PIN）拔出力≥