元器件可靠性应用与电路可靠性设计系列：
第3章电子元器件的可靠性运用
参考： 第1章应用可靠性基础 第2章 电子元器件的选用
原文附件下载：元器件可靠性应用与电路可靠性设计1-9(庄奕琪)
主讲：庄奕琪
3.1 防浪涌应用
3.2 防静电应用
3.3 防闩锁应用
3.4 防辐射应用
3.5 防过热应用
3.1 防浪涌应用浪涌的特征
高电压或瞬时强电流
平均功率不大，瞬态功率不小
浪涌电压dV/dt通过电容C可转化成浪涌电流i=CdV/dt，V可以是本征参数，也可以是寄生参数
浪涌电流dI/dt通过电感L转化成浪涌电压L=LdI/dt，L可以是本征参数，也可以是寄生参数
3.1 防浪涌应用实例:汽车电子设备中出现的浪涌
负载突然下降或被撤掉接通电机和螺旋管之类的感性负载点火器开关断开时会产生一个负的电压尖峰
3.1 防浪涌应用浪涌的作用
轻：逻辑电路误动作，模拟电路参数漂移
中：潜在损伤，寿命缩短，抗应力能力下降
重：即时失效或烧毁
3.1防浪涌应用数字IC开关浪涌:形成过程
TTL图腾柱
输出结构
数字IC转换状态时，会出现从电源到地的暂时低阻导通状态，形成浪涌电流 从电源到地的导通电阻越小，浪涌脉冲的幅度越大；开关信号的上升/下降沿越
缓，浪涌脉冲的宽度越大
TTL和CMOS逻辑电路均会形成开关浪涌典型值：脉冲宽度1～10ns，脉冲高度双极10mA/每门，CMOS100uA/每门
3.1防浪涌应用数字IC开关浪涌:器件速度的影响
CMOS反相器
AC为高速器件，HC为中速器件，
脉冲周期5～10ns
CMOS较TTL逻辑电路的开关浪涌更明显，因为其静态电流几乎为0 电路的速度越快，开关浪涌越严重，如CMOS通用逻辑电路，AC的浪
涌电流幅度为5mA，HC为1mA
3.1防浪涌应用数字IC开关浪涌:器件规模的影响
IC集成规模↑→同时翻转的门数↑→浪涌电流峰值↑ IC工作频率↑→过渡区越陡→浪涌脉冲宽度↓
3.1 防浪涌应用数字IC开关浪涌:浪涌电流→浪涌电压
3.1 防浪涌应用数字IC开关浪涌:地线与电源跳动在电源线和地线上出现的开关浪涌电压
3.1 防浪涌应用数字IC开关浪涌:SPICE仿真结果
对负载电容充电的浪涌电流通过封装及PCB寄生电感形成的电压变化
电感主要来自芯片内外的引线，包括电源线、地线、负载线
引线越长，寄生电感越大，引发的浪涌电压越大
3.1 防浪涌应用数字IC开关浪涌:抑制方法
芯片内
采用电感成分小的封装：小型>大型，
CSP>BGA>QFP>DIP
增加接地端的数目
限制输出电路的电流变化率
芯片外
采用去耦（旁路）电容
尽量减少PCB板电源线的电感成分
限制IC端子同时变化的信号数，尽量不要使多个输入数据线同时变化
3.1 防浪涌应用去耦电容:一般接法
是逻辑器件工作允许的电源电压值的变化。
是器件输出脉冲信号的上升沿或下降沿宽度；
式中， 是器件导通和截止两种状态下流过电源引脚的电流差；
旁路电容量的简单估算方法
3.1 防浪涌应用去耦电容:图解
为数字IC的电源端加去耦电容尽量靠近IC
（大电流、快速逻辑器件<0.5英寸，低电流、慢速器件为几英寸）
银行太远，一定要有自己的零用钱盒子在适当的频率范围内具有足够低的低阻抗（<0.5Ω）
钱盒子要能很快地打开具有足够的数量和容量
钱盒子里的钱要足够多才够用
3.1 防浪涌应用去耦电容:选型要点
片状多层陶瓷电
容的频率特性
不同容量、不同类型的电容具有不同的适用频率范围（如0.1uF电容的频率范围在3～300MHz）
注意避免去耦电容与长导线电感发生谐振（如0.01~0.1uF电容有可能产生1~10MHz的谐振）
3.1 防浪涌应用去耦电容:电容的并联
电容阻抗 若单个电容不能满足频率范围要求，可采用小电容
与大电容并联应用的方式
电解电容器的实际等效电路
分布电感大
绝缘电阻有限
不宜用于滤除25kHz以上的浪涌或干扰
3.1 防浪涌应用去耦电容:铝电解电容的局限性
3.1 防浪涌应用去耦电容:估算实例
可采用的铝电解电容
频率范围～
低频滤波：
类型：高介电常数陶瓷叠层电容器耐压：取取倍冗余及公差，则容量：因浪涌引起的电压变化高频去耦
流过电源导线形成的压降所有的开关电流为每个的静态电流仅为开关一次所需电流为该的低高电平延迟时间电源电压每个的电容值
某板上有数字个
电源浪涌电流的估算
去耦滤波电容的估算
3.1 防浪涌应用去耦电容:经验数据
每块PCB板上有一个22uF的体电容
每10个SSI/MSI逻辑或存储器芯片有一个1uF的钽电容 每2～3个LSI芯片有一个1uF的钽电容 具有多个电源引脚的LSI封装的每个电源引脚有一个10～100nF的陶瓷多层电容
每个8进制的IC或每个MSI芯片有一个10～100nF的陶瓷多层电容 每4个SSI逻辑芯片有一个10～100nF陶瓷多层电容
3.1 防浪涌应用去耦电容:作用实例1
3.1 防浪涌应用模拟输入不要直接连数字电路
模拟输入不要直接接数字逻辑门，一定要通过比较器或者施密特触发器（必要时还要做箝位或限流保护），否则会出现以下问题：
开关时间不确定，特别是针对慢模拟电压输入的情形 如果模拟电路的电源电压高于数字电路的电源电压，有可能给数字电路带
来损伤模拟输入直接接反相器
3.1 防浪涌应用电容诱发浪涌电流:容性负载接通
接有容性负载C的逻辑门的输出从截止到导通时，C两端的电压会突然由低变高，形成浪涌电流I=CdV/dt
负载电阻R及逻辑门的导通电阻越小，浪涌电流越大；负载电容C越大，则浪涌持续时间越长 TTL电路与CMOS电路均有可能产生此类浪涌
3.1 防浪涌应用电容诱发浪涌电流:整流电源接通
浪涌电流
采用储能滤波电容的整流电路在电源接通瞬间，电容两端的电压从0突然上升，形成很大的充电电流i（比正常电流大几倍甚至几十倍）级），有可能导
致输入电路的熔丝熔断、整流二极管损坏、开关的触点融化、输出电源骤降等故障
接入限流电感，但影响电路速度 采用负温度系数热敏电阻抑制电流
电容负载接通后自动断开限流电阻或电感，但电路复杂
3.1 防浪涌应用电容诱发浪涌电流:抑制方法
3.1 防浪涌应用电容诱发浪涌电流:开关电源对策
交流输入
当电源接通时SCR断开，充电电流通过R对C充电，从而限制了充电电流的峰值；充电结束后，SCR导通，R被短路R最好采用正温度系数的热敏电阻
功率开关，功率管驱动变压器或继电器负载时 输出从低电平向高电平瞬时转换时出现 电感越大，回路中的电阻越小，寄生电容越小，则浪涌电压越高 易引起器件击穿
3.1 防浪涌应用电感诱发浪涌电压:感性负载断开
并接电阻：但增加功耗
并接RC支路：易产生共振
并接二极管：可能影响电路速度
齐纳二极管：箝位电压应适当电感诱发浪涌电流:抑制方法
机械触点接通所产生的浪涌电流
接通过程：触点相碰→触点表面重复接触、分离→稳定接触，也称“触点反弹”
断开过程：基本无上述现象
3.1 防浪涌应用机械开关浪涌:形成机制
锯齿脉冲的持续时间为0.1ms至数ms，频率范围为10kHz～10MHz
3.1 防浪涌应用机械开关浪涌:对可靠性的影响
在被开关控制的信号线中产生浪涌电流，可能会损坏敏感元器件
在触点处产生高电流密度及其高热量，可能会使触点顶端的材料熔化或蒸发
在数字电路中，会影响边沿触发的可靠性，但对电平触发影响不大
3.1 防浪涌应用机械开关浪涌:抑制方法1
小电流低压触点大电流触点高压触点
RC时间常数应明显大于反弹周期，但会加长上升时间，可采用施密特触发器来恢复陡峭的信号上升沿
3.1 防浪涌应用机械开关浪涌:抑制方法2
NAND型R-S
锁存器接法
NOR型R-S锁
存器接法
利用R-S锁存器来
消除开关振荡，但
需将单刀单掷开关
改为单刀双掷开关
3.1 防浪涌应用机械开关浪涌:抑制方法3
利用硬件延迟给反弹“加窗”。
3.1 防浪涌应用白炽灯产生的浪涌
雷电
直接雷击：1000kV
雷电感应：线间6kV，对地12kV
开关
大型电气设备的通断：常规电压的3～4倍
三相电未同时投入：常规电压的2～3.5倍
接地
对地短路时：常规电压的2倍
接地开路时：常规电压的4～5倍
3.1 防浪涌应用市电交流电网产生的浪涌
对市电浪涌及干扰的抑制可采用交流滤波器及浪涌抑制元件，详见其它相关章节
3.1 防浪涌应用放大器的输入浪涌保护
使用普通二极管：适用于大信号电流，零偏时二极管内阻较低，会增加放大器的失调电压使用JFET短接二极管：
适用于小信号电流，零偏时二极管内阻较大使用电阻（>10kΩ)：适用于低频大电流
静电是自然界普遍存在的瞬态强电脉冲，其频率在1MHz～500MHz之间
3.2 防静电应用静电无处不在
摩擦：具有不同介电常数的物体之间，接触 感应：带电体与导体之间，非接触
3.2 防静电应用静电产生:形成方式
摩擦时，电子从较上的物质转向较下的物质，使较上的物质带正电荷，较下的物质带负电荷 物质离得越远，
摩擦产生的电荷量越大
静电产生:
摩擦起电序列
3.2 防静电应用静电产生:实例
人在地毯上行走产生静电
鞋底与地毯摩擦产生静电，并逐渐传输到整个人体
鞋与地毯的性质差距越大，走得越快，走的距离越远，环境湿度越小，则产生的静电就越大
人体及其衣服：接触面广，活动范围大，与大地之间的电容小(150pF左右)，串联电阻低(150Ω左右)，放电电流可达几十A，上升速度小于ns 器件载体：包装容器（袋、盒、包），夹具，传送导轨 周边环境：工作台，椅子，地板，焊接工具，装配工具
3.2 防静电应用静电产生:主要来源
运动的速度
材料性质的差异（化纤比棉织品严重）
物体之间的电容 环境湿度（北方比南方严重，内陆比沿海严重）
物体的电阻
3.2 防静电应用静电产生:影响因素
3.2 防静电应用静电放电:定义
什么是静电放电？
ESD：Electric Static Discharge 静电放电是具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移
（GB/T4365-1995)静电放电导致芯片损坏
3.2 防静电应用静电放电:基本过程
静电荷的产生
若一个电源对100pF的电容充以10-7C的电荷，可使其端电压达到100V，存贮能量50uJ
静电荷的保持与泄漏若介质漏电电阻Rg和空气放电电阻Ra之和为1013量级，则放电时间常数为103s左右
若电容不能耐1000V的电压，即会被击穿静电荷的泻放若放电电阻为100欧姆，则放电时间常数为10ns,放电电流
峰值可达10A，平均功率可达1000W若放电通道上的器件忍受不了这么大的电流，即会被烧毁
人体对器件放电（Human-BodyModel，HBM）：发生概率最大，常作为测试标准
机器对器件的放电（Machine Model，MM）：放电电阻小，破坏力大
带电器件的放电（Charged-Device Model，CDM）：器件通过摩擦或接触带电
场致放电（Field-Induced Model）：器件通过静电感应带电
3.2 防静电应用静电放电:主要形式
人体放电的典型波形
带电器件放电的典型波形
3.2 防静电应用静电放电:人体的静电放电
如果接受者是元器件，就会对元器件带来损伤或者破坏
3.2 防静电应用静电放电:对人体的损害
人在地毯上行走：鞋与地毯摩擦产生静电(假定为正电荷)
人体电荷重新分布：脚带正电荷，手带负电荷
人手接近(或触摸)键盘：键盘通过感应(或传导)带正电荷(或负电荷)，接近速度越快，距离越近，电荷越多
键盘对地放电或辉光放电：键盘上的元器件损坏
3.2 防静电应用静电放电:人行走-键盘模型
辉光放电对地放电
3.2 防静电应用静电放电:器件抗静电能力测试
I/O-to-VDD/VSS
Pin-to-Pin
VDD-to-VSS
3.2 防静电应用静电失效:失效模式
pn结击穿
金属化失效
键合线开路
突发失效（catastrophic damage)：单次高电压，功能即时丧失
隐性失效（latent damage):多次低电压，寿命缩短，抗应力能力下降
现象：MOS器件栅击穿，双极器件pn结击穿
因素：输入电阻越高，输入电容越小，越容易失效
多发器件：超大规模集成电路（薄栅氧化层），超高频功率晶体管（高压，梳状电极），声表面波器件（小间距薄层电极）
3.2 防静电应用静电失效:过电压场致失效机理
现象：直接烧毁，诱发闩锁效应或二次击穿效应
因素：电流截面越小，对地电阻越低，环境温度越高，越容易失效
多发器件：反偏pn结，小面积pn结，高温工作条件
甚敏感器件
MOS器件：MOSFET，VDMOS，MOS电容
栅控器件：JFET，SCR
微波与射频器件： GaAs MESFET，HEMT，MIMIC
敏感器件
MOS数字电路：CMOS，NMOS，存储器与微处理器
小信号模拟电路：运算放大器，A/D&D/A
双极数字电路：TTL，STTL，ECL
中等敏感器件
双极器件：pn二极管，双极晶体管
阻容元件
3.2 防静电应用静电敏感性:器件分类
3.2 防静电应用静电敏感性:CMOS与双极器件
nMOSFET
VGS>VGD
pMOSFET
VSG>VDG
MOS 器件比双极器件更容易被静电损坏
输入为绝缘层，无放电通道，静电容易产生及积累
输入电容很小（几pF)，耐压不高（通常在±15V～±40V），积累较少的静电电荷（约100pC）即可发生击穿
栅-源比栅-漏更容易发生击穿，因为在器件的正常工作条件下，栅-源电压的绝对值大于栅-漏电压的绝对值
3.2 防静电应用静电敏感性:发射结与收集结
发射结比收集结更容易发生静电放电击穿导致双极晶体管静电
放电热破坏的功率密度与脉冲宽度关系曲线
发射结理论拟合曲线
实验数据
收集结理论拟合曲线
3.2 防静电应用静电敏感性:正偏与反偏pn结
正偏pn结
结区压降小，中性区压降大
中性区截面积大，厚度大，故电流密度小，电场强度低，不易发生静电损伤
反偏pn结
结区压降大，中性区压降小
结区截面积小，厚度小，故电流密度大，电场强度高，易发生静电损伤
3.2 防静电应用静电敏感性:温度的影响
对于静电放电热致失效，环境温度越高，发生失效所需的静电能量越低，越容易发生此类失效
3.2 防静电应用片内静电保护:MOS单管
3.2 防静电应用片内静电保护:二极管保护电路
保护电路实现结构等效电路
3.2 防静电应用片内静电保护:电阻-二极管保护电路
保护电路实现结构等效电路
3.2 防静电应用片内静电保护:FET保护电路
利用栅-源短路的MOSFET代替二极管来箝制静电势和泻放静电能
利用高阈值电压（40～50V）的p沟道MOSFET的开关特性来进行静电保护
利用MOSFET的漏-源穿通特性进行静电保护
3.2 防静电应用片内静电保护: 扩散与多晶硅电阻
多晶硅电阻：相对较差，因为其周围的氧化层阻碍散热，必须采用更大的条宽，并接近输入端，但因无寄生二极管，抗闩锁
能力较强
扩散电阻：相对较好，因为其硅衬底可提供有效热阱，但因有寄生二极管，抗闩锁能力较弱
3.2 防静电应用片内静电保护: 静电-闩锁双重防护
既保护输入端，也保护输出端 既防止正的过电压，也防止负的过电压
3.2 防静电应用片内静电保护: 双极器件对策1
梳状发射区
圆形发射区
尽可能扩大发射区面积和周长，可减少静电损伤
静电损伤阈值
电压测试电路
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3.2 防静电应用片内静电保护: 双极器件对策2
限流电阻箝位二极管
采用箝位二极管限制输入端、电源端、地线端之间不会产生过电压，
采用限流电阻限制输入端流入电流
电阻阻值通常在200Ω ～2kΩ，限制电流<10mA（输入端与输出端）
3.2 防静电应用片外静电保护:限流与限压
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3.2 防静电应用片外静电保护:PCB对策1
采用限流和泄放电阻（对输入阻抗有影响）
采用射级跟随器（对速度有影响）
3.2 防静电应用片外静电保护:PCB对策2
采用互补放大器（失真度小）
采用光电耦合器（隔离地线干扰）
3.2 防静电应用片外静电保护:PCB插拔保护
3.2 防静电应用片外静电保护:插入缓冲器
未加缓冲器，静电耐压1～2kV
加入缓冲器，静电耐压3～5kV
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3.2 防静电应用环境防护:防静电工作区
静电防护区
I类：静电电位100V
II类：静电电位500V
III类：静电电位1000V
3.2 防静电应用环境防护:防静电工作桌
所有的桌垫、腕带、地毯等均
通过1MΩ电阻接地
3.2 防静电应用静电环境防护:防静电台面
绝缘材料＋半导电添加剂放电电流与时间适中
105~109Ω/□（体电阻率104~1011Ω·cm)
静电耗散材料
抗静电材料109~1014Ω/□ 木制品、纸制品、棉制品放电时间过长导电防护材料<109Ω/□ 金属材料和体导电塑料放电电流过大
分类表面电阻率构成放电情况
3.2 防静电应用环境防护:湿度影响
塑料文件袋7，000V 600V
RH 10～20％ RH 65～90％
坐在椅子上的工人6，000V 100V
在塑料地板上走动12，000V 250V
在地毯上走动35，000V 1500V
抗静电能力很弱
（如大陆性气候）
抗静电能力很好（如海洋性气候，但易被腐蚀）
3.2 防静电应用环境防护:湿度控制
接地回路应有足够的载流量
操作人员、导电物体接地必须接有适当阻值的电阻（100k），以保安全 不能与避雷地、交流地共用， 视情况可以与电气保护地、电磁屏蔽地等共用
3.2 防静电应用环境防护:接地控制
插拔：禁止带电插拔，插上器件或印刷板后才通电，断电后才拔出器件或印刷板
安装：只接触器件外壳不接触引脚，接触器件前先放电，焊接与装配器具接地
调试：禁止不带电加信号，不要将电源加到非电源端，不要插错腿，不使用的输入端最好接地
动作：尽可能减少动作的频度和速度
3.2 防静电应用环境防护:操作控制
3.2 防静电应用环境防护:包装与运送要求
3.3 防闩锁应用CMOS电路的闩锁现象
闩锁（latch）发生时的电流-电压曲线
电路正常工作电流
电路正常工作最高电压
发生静电损伤的最低电压
3.3 防闩锁应用闩锁的起因系
3.3 防闩锁应用闩锁形成机制1
正常工作情况：n沟道和p沟道MOSFET源-漏零偏→VT1和VT2的发射结零
偏→VT1和VT2均处于截止状态→对电路无影响
3.3 防闩锁应用闩锁形成机制2
正闩锁触发情况：强正向外来触发电压（>VDD）加到电源端→形成触发电流流过RS→产生压降大于VT1的发射结正向导通压降（~0.6V） → VT1导通→ IC1通过RW产生压降使VT2
导通→IC2继续加大流过RS的电流→IC1加大→IC2加大，如此周而复始，电流不断上升，最终使电路烧毁。
3.3 防闩锁应用闩锁形成机制3
输入保护网络情况：若输入电压Vi大于电源电压VDD，即会使输入保护二极管导通，形成正向电流。若二极管距离p阱较近，就会使p+/n衬底/p阱构成
的寄生pnp管导通，从而诱发闩锁
..
3.5 防过热应用热分析的步骤
估计IC中产生的热量（结温）
估计电路板或散热片散掉的热量（热阻）
估计IC工作时的环境温度
热设计的目的
减少元器件的发热量
减少元器件及周边媒介的热阻
改善散热条件
改善PCB温度均匀性
热设计影响因素
元器件本身的发热
元器件耐热和对热的敏感程度
与周围环境的换热
3.5 防过热应用热设计的目的
3.5 防过热应用散热的一般途径
加快传导
选用导热系数大的材料制造元器件
加大与导热元器件的接触面积
缩短热传导的路径，在传导路径中不应有绝热或隔热元件
加快对流
加大温差，即降低周围对流介质的温度
加大流体与固体间的接触面积，如把散热器做成肋片、直尾形、叉指形等
加大周围介质的流动速度，使它带走更多的热量
加快辐射
在发热体表面涂上散热的涂层
加大辐射体与周围环境的温差，亦即周围温度愈低愈好
加大辐射体的表面面积
3.5 防过热应用强制风冷时的风速-热阻关系
风速越大，热阻越小
3.5 防过热应用实例:功率晶体管的散热路径
绝缘垫散热片热阻
绝缘垫散热片热阻
总热阻功率管芯片绝缘垫热阻
考虑散热器热容之后的等效热路
散热器热容
如果热量输入是稳态的，则热容不会影响最终的稳态温度，只会影响达到此温度所需的时间；如果热量输入是瞬态的（特别是占空比低、冷却时间长的热脉冲），则热容可能会明显影响最终的温度
3.5 防过热应用实例:PCB上器件的散热路径
3.5 防过热应用器件环境温度≠室温
第3章电子元器件的可靠性使用
主讲：庄奕琪
