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1、元器件质量与可靠性保证,可靠性与系统工程学院付桂翠fuguicui2012年09月13日,讨论,可靠性？元器件？元器件可靠性？,本课程要讲述的主要内容,课时安排及考核要求,课时安排：24学时，2学时/次。任课教师：付桂翠、张素娟课程安排：课堂教学22学时。考试2学时考试安排：平时考核和期末闭卷考试相结合 其中平时成绩占30%，期末成绩占 70%。使用教材：付桂翠，电子元器件可靠性技术教程 北航出版社。2010,第一讲 内容提要,现代元器件的发展,1,元器件的分类,2,历史回顾,电子管的诞生1906 年，美国物理学家，“电子管之父”Lee De Forest发明了真空三极管，利用这种新的元件，电
2、路能够实现放大、振荡和开关等功能；真空三极管的发明，使电子管成为实用的器件；功耗大，产生的热量过多，且极易烧坏；1946年诞生的第一台电子计算机ENIAC，其中采用了大约18,000只电子管，,占地面积170多平方米，重量约30吨，功率25KW。这台机器每隔两天发生一次故障。,历史回顾,第一个半导体晶体管的诞生1947年12月16日：William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管；评价：晶体管“使我们的社会发生了伟大变革，这场变革的深远意义不亚于钢铁的发现、蒸汽机的发明以及英国工业革命。”1950年，William
3、 Shockley又开发出双极晶体管，这是现在通行的标准晶体管；1954年5月24日，贝尔实验室使用800只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机TRADIC,功率100瓦。,历史回顾,第一块集成电路的发明1958年9月12日，基尔比研制出世界上第一块集成电路；具有五个集成元件的简单振荡电路，电路中的元器件，包括二极管、晶体管、电阻和电容等全部制造在了同一个晶片上；半导体材料：锗,杰克 基尔比-集成电路之父,第一块集成电路,历史回顾,集成电路由“发明时代”进入“商用时代”1959年7月，仙童半导体的诺伊斯(Robert Noyce)研究出一种二氧化硅的扩散技术和PN结的隔离技术，并创造性地在氧化
4、膜上制作出铝条连线，使元件和导线合成一体，从而为半导体集成电路的平面制作工艺、为工业大批量生产奠定了坚实的基础；半导体材料：硅地球上含量最丰富之一的元素，商业化价值更大，成本更低；1961年，仙童半导体公司和德州仪器公司共同推出了第一颗商用集成电路。,罗伯特.诺伊斯,世界上第一台用集成电路计算机-IBM360,现代元器件的发展,1906,1947,1958,1959,Lee De Forest,William ShockleyJohn BardeenWalter Brattain 1956年诺贝尔物理学奖,FeymanTheres Plenty of room at the bottom,Ki
5、lby2000年的诺贝尔物理学奖,元器件的分类,元器件的概念与分类,1,元器件的功能与命名,2,元器件的失效模式和失效机理,3,元器件的概念,在ESA标准中对元器件的定义为：完成某一电子、电气或机电功能，并由一个或几个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个装置；GJB4027-2000 军用电子元器件破坏性物理分析方法将元器件定义为：在电子线路或电子设备中执行电气、电子、电磁、机电或光电功能的基本单元。该基本单元可由一个或多个零件组成，通常不破坏是不能将其分解的。,元器件的分类,元件:指在工厂生产加工时不改变分子成份的成品，如电阻器、电容器、电感器；本身不产生电子，对电压、电流无控制和变换
6、作用；元件又分为：电气元件和机电元件；器件：指在工厂生产加工时改变了分子结构的成品。例如晶体管、电子管、集成电路；本身能产生电子，对电压、电流有控制、变换作用（如放大、开关、整流、检波、振荡和调制等），又称电子器件。,元器件分类总图,元器件的分类,电气元件,电阻器,电阻器能对电能进行吸收，故在电路中通常起限流、降压、分压的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻器；按照材料可分为碳膜电阻器，金属膜电阻器、氧化膜电阻、玻璃釉电阻器等。,(a)金属膜电阻器,(b)玻璃釉电阻器,(c)贴片电阻器,电阻器结构与工艺,电阻器的结构与工艺,电阻器失效,电阻膜的局部腐蚀,电阻器,标注方法直接标注法；文
7、字符号法；色环标注法；数字法：101表示100的电阻，102表示1K的电阻，223表示22K。,电阻与电位器命名方法,RJ7*：金属膜精密电阻器,电阻器,特殊电阻器：指其阻值随温度、光通、电压、机械力、湿度、磁通、气体等外界因素变化的电阻器；包括熔断电阻器和敏感电阻器；熔断电阻器又称为保险丝电阻器，超过其额定功率，可以熔断，使电路开路，从而保护贵重元件，防止故障扩大；敏感电阻器也称为半导体电阻器。常见的有热敏、光敏、磁敏、气敏、力敏等电阻器。,熔断电阻器,电位器,电位器是靠电刷在电阻体上的滑动来取得电阻的变化，并在加电压时，取得与电刷位移成一定关系的输出电压的元件；实际上是连续可调的电阻器；在
8、电路中可实现信号或电量控制等作用；常见电位器绕线电位器、双联电位器、微调电位器、直滑电位器等,(a)绕线电位器(b)双联电位器(c)微调电位器(d)直滑式电位器,电位器,绕线电位器主要失效模式开路电刷接触不良(压力过低、氧化、腐蚀、线径不均)；电刷接触压力过大等引起断线。接触不良；滑动噪声大；阻值超差。,电容器,用量仅次于电阻器；电容器能被充电和放电，稳态直流电流不能通过电容器，在交流或脉冲直流电路中，电流能通过电容器；功能：滤波、调谐、旁路、耦合；电容器是由两个金属电极，中间夹一层绝缘体构成；按照材料可分为纸介电容器、薄膜电容器、瓷介电容器、云母电容器、玻璃釉电容器、电解质电容器等。,(a)
9、瓷介电容器(b)电解质电容器,低通滤波电路高通滤波电路,电容器通高频、阻低频,电容器的结构与工艺（含铝电解、液钽、固钽、瓷介）,电容器结构与工艺,电解电容器的构造,电容器,铝外壳,芯子,封口橡胶,导线,浸有电解液的隔离纸,阴极箔,阳极箔,芯子,电容器,简单的平行板电容器的基本结构是由一个绝缘的中间介质层加外两个导电的金属电极，基本结构如下：,贴片电容的结构与之类似，主要包括三大部分：陶瓷介质，金属内电极，金属外电极。贴片电容是一个多层叠合的结构，简单地说它是由多个简单平行板电容器的并联体。如右图所示：,贴片电容器,电容器,表2 电容器的主要失效模式、失效机理,电容器失效分析典型案例,防止铝电解
10、电容器失效注意事项,电容器失效分析典型案例,钽电容器,属于电解质电容器；体积小、容量大、漏电流低、使用寿命长、综合性能优异；固体钽电容器由钽粉在真空烧结炉中高温烧结而成的多孔体；电介质：钽块表面形成的阳极氧化膜；阳极：钽；阴极：覆盖在阳极氧化膜表面的固体二氧化锰薄膜；,片式钽电容的正极为经真空高温烧结而成的多孔性钽块。绝缘介质是在多孔性钽块表面，经阳极氧化生成的五氧化二钽（Ta2O5）。且由于钽和五氧化二钽的化学稳定性都很好，故片式钽电容贮存性好，可靠性高。,电容器,电感器,工作原理：自感主要用途对交流信号进行隔离；与电容器、电阻器组成谐振电路或滤波电路；分类磁芯类型:空芯电感器、磁芯电感器、
11、铁芯电感器、铜芯电感器等；容量是否可调:固定电感器、可变电感器、微调电感器等；安装方式:立式电感器、卧式电感器和贴片电感器；,(d)可调电感器(e)贴片电感器,(a)空芯电感器(b)磁芯电感器,(c)卧式电感器,变压器,工作原理：互感；功能对交流电(或信号)进行电压变换、电流大小变换或阻抗变换，可以传递信号、隔直流等；分类用途：电源变压器、音频变压器、脉冲变压器、恒压变压器、耦合变压器、隔离变压器等；磁芯的类型：E型、C型、环形等；工作频率：高频、中频、低频变压器。,(a)E型变压器(b)C型变压器(c)环形变压器,变压器,机电元件,开关,用途电路中起接通、断开、转换和连接等作用；可将电力信号
12、从一个电路转移到另一个电路。分类结构形式:旋转开关、按钮开关、组合按钮开关、微动开关、杠杆开关、双列直插式开关、拨动开关、薄膜开关、片式开关等。,按钮开关 拨动开关,杠杆开关,电连接器,用途将一个电路或传输单元的导线与另一个电路或传输单元的导线相连接；电气连接和信号传递；电路对电连接器的质量和可靠性有非常高的要求。分类低频连接器；圆形连接器、矩形连接器、印制电路连接器、网络连接器、滤波连接器 射频连接器；光缆连接器。,电连接器,(d)网络电连接器,(b)矩形电连接器,(a)圆形电连接器,(c)印制线路板电连接器,继电器,利用电磁原理、机电原理使接点闭合或断开来驱动或控制相关电路；控制器件，包括
13、受控系统(输入回路)和控制系统(输出回路)两部分；输入量(电、磁、光、热等物理量)达到某一定值时，输出量跃变式地由零变化到一定值(或由一定值突跳到零)，从而实现对电路的控制、保护、调节和传递信息等目的；分类电磁继电器、干簧继电器、固态继电器、温度继电器等；,(a)电磁继电器(b)干簧继电器(c)固态继电器,继电器,电磁继电器继电器中应用最早、最广泛的一种产品；工作原理：利用电磁感应原理，当线圈中通过直流时，线圈产生磁场，静接点打开，动接点闭合。当电磁线圈的电流被切断后，动接点打开，静接点闭合；失效：接点的电腐蚀引起接触不良及粘结等；75%的失效是由于接触失效所致。,继电器中的簧片疲劳断裂,电子
14、器件,半导体分立器件,二极管功能：整流、限幅、检波、温度补偿、电子开关；分类材料：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管、磷化镓二极管；用途和功能：稳压二极管、整流二极管、开关二极管、变容二极管、检波二极管、肖特基二极管、阻尼二极管、雪崩二极管、微波二极管等；结构：点接触型二极管和面接触型；封装形式：塑料封装、玻璃封装、金属封装。命名,半导体分立器件,晶体管半导体基本元器件之一，电子电路的核心元件;在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种;功能：电流放大作用：通过控制基极电流的大小使集电极电流
15、发生变化;分类按照材料：锗管、硅管、砷化镓晶体管；按照极性：NPN型和PNP型；按照用途和功能：开关晶体管、带阻晶体管、达林顿管、高反压功率管、微波功率管等；按照结构：扩散型、合金型、平面型；按照封装形式：塑料封装、玻璃封装、金属封装、陶瓷封装。,3 D A 6 C 规格号 产品序号 高频大功率管 NPN型硅材料晶体管3DG6C为NPN型硅材料高频大功率晶体管,半导体分立器件,半导体的场效应在半导体表面的垂直方向上加一电场时，电子和空穴在表面电场作用下发生运动，半导体表面载流子的重新分布，因而半导体表面的导电能力受到电场的作用而改变，即改变外加电压的大小和方向，可以控制半导体表面层中多数载流子
16、的浓度和类型，或控制PN结空间电荷区的宽度。场效应晶体管FET与双极型晶体管的比较双极型晶体管工作过程中不仅多数载流子参加导电，少数载流子也参与导电，是根据扩散理论制成的电流控制器件；而场效应管只有多数载流子参加导电，是以欧姆定律为依据的电压控制器件。,N型沟道MOS管,半导体分立器件,场效应晶体管场效应管是一种具有放大能力的三端器件；它输入阻抗高，功耗小，温度稳定性好，信号能更稳定的放大，在许多场合已经取代双极型晶体管。分类按构造和工艺不同：结型和绝缘型两类。前者有两个PN结，故称为结型；后者的栅极为绝缘体且与其他电极完全绝缘，称为绝缘栅型。,N型沟道MOS管,半导体分立器件,晶闸管：晶体闸
17、流管、可控硅整流器功能：控制电流作用，是交流电流开关器件；可实现对电量的开关、电机调速、调压、控制温度、控制湿度等；晶闸管利用控制极的微弱触发电流来导通，用电流的瞬时关断或反向流动等操作来关断；只用电子的操作来导通或关断，没有触电和机械动作零件；不会出现出点接触不良和零件机械磨损故障；分类普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管等,集成电路,采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或隧道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。分类按处理信号类型：模拟电路、数字电路、数模混合电路；按用途：接口电路、电源电路、专用电路、存储器电路
18、、计算机电路、数字信号处理器、微波集成电路等；按制造工艺：半导体集成电路、厚薄膜混合集成电路；按照规模：小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路；,集成电路,主要失效模式漏电大或短路击穿特性劣变正向压降的劣变开路高阻,失效机理电迁移；热载流子效应；与时间相关的介质击穿(TDDB)；腐蚀,热载流子：当载流子从外界获得了很大的能量时，即可成为热载流子。热载流子所表现出来的效应称为热载流子效应。,相关机理,电迁移在强电流流过金属线时，金属离子会在电流及其它因素的相互作用下移动并在线内形成孔隙、裂纹、小丘；外因：大电流密度、温度内因：金属线线宽小；材料：不同材
19、料抗电迁移能力不同；铝、铜铝合金、铜结果：造成金属化的开路和短路，使器件漏电流增加。,化学相关的机理,银迁移（Silver Migration）外因：电场、潮湿内因：含银，间隔结果：银离子从高电位向低电位迁移，并形成絮状或枝蔓状扩展.失效模式造成无电气连接的导体间形成旁路，绝缘下降乃至短路。,腐蚀模型,材料的化学或电化学性能的退化过程称为腐蚀，腐蚀是一种依赖于时间的耗损型失效机理。腐蚀可以改变材料的电性能和热性能。腐蚀速率与材料属性、几何尺寸和离子污染物等因素有关。常见的腐蚀类型有：,均匀腐蚀：在所暴露的整个表面上都有化学反应进行，材料变得越来越薄，直到被腐蚀掉；原电池腐蚀：多种金属接触时产生
20、，材料的电化学性能差异越明显，腐蚀越严重；应力腐蚀：在腐蚀和机械应力同时作用下产生。在受到张力的部位，容易发生阳极溶解，溶解后阳极区域面积缩小，促使应力更加集中，形成恶性循环。,腐蚀的失效物理模型如下式所示：式中，A为与腐蚀面积相关的常数，RH为相对湿度，n为经验常数，一般取3，Ea为激活能，通过试验测得，k为波尔兹曼常数，T为环境温度，单位K。,腐蚀模型,2023/9/27,MOS晶体管的动作,MOS晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的开关,n+,n+,P型硅基板,栅极（金属）,绝缘层（SiO2）,半导体基板,漏极,源极,N沟MOS晶体管的基本结构,与时间相关的栅氧击穿（）,在MOS
21、器件及其集成电路中，栅极下面存在一薄层SiO2，此即通称的栅氧化层。栅氧的漏电与栅氧质量密切相关，漏电增加到一定程度即构成击穿，导致器件失效。栅氧击穿分为瞬时击穿和与时间相关的介质击穿(TDDB,Time Dependent Dielectric Breakdown)。瞬时击穿指在加高压以致电场强度达到或超过介质材料所能承受的临界击穿电场的情况下所发生的击穿；与时间相关的介质击穿指施加的电场低于栅氧的本征击穿场强，并未引起本征击穿，但经历一定时间后仍发生了击穿。这是由于施加电应力过程中，氧化层内产生并积聚了缺陷（陷阱）的缘故。,栅氧化层击穿与加在氧化层上的外加电场、激活能、温度有关。通常认为氧
22、化层击穿是热应力和电应力共同作用的结果。击穿时间还与栅极电容面积、栅极电压等有关。,与时间相关的栅氧击穿模型,光电子器件,半导体光电器件包括光电探测器件、发光二极管、LED数码管、光耦合器、激光器等；光电二极管PN结具有单向导电特性，通过它把光信号转换成电信号，用于对光信号的探测；光电二极管失效模式主要有：结构损伤、光纤断裂、开路、短路、性能参数退化和I-V特性变化等。,光电二极管,半导体光电器件,发光二极管LED由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成，当电子与空穴复合时能辐射出可见光；在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。光电耦合器以光为媒介，用来传输电信号的器件；通常是把发光器与受光器封装在同一管壳内，当输入端加电信号时，发光器发出光线，受光器接受光照后就产生光电流，由输出端引出；用于电气隔离、电平转换、级间非电耦合、开关电路及仪表计算机电路中；半导体激光器以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器；绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给PN结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射；又称为半导体激光二极管。,The End,课后作业,课后作业,1 请写出下列分立器件(二极管、晶体管)的类型。3DG180C、2AP5A、3CV30D2 请举例说明电容器、二极管、晶体管在电路中的作用。,
