电子元器件选型与可靠性应用(印刷稿)

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钽电解电容
1. 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，3 / 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。
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1. 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。
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风冷散热计算
V：强制风冷风量m3/s Q：总耗散热量W C：空气比热1000J/(Kg•℃) ρ: 空气比重1.29 kg/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。
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插针或端子材料
材料 黄铜
成分 铜锌
优点 最便宜 强度与弹性好 成形质量好 比黄铜弹性好 比黄铜更坚固 优异的导电率 强度和弹性异常好 抗腐蚀和抗磨损
缺点 受应力和腐蚀时 易裂损 比黄铜导电率低 价格比黄铜贵得多
磷青铜 铍铜 (Be-Cu)
铜锡 铜铍
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镀层材料：
锡铅合金
特性 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 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) 比金便宜； 极好的抗腐蚀性； 改善抗磨损性能； 比金难电镀 用作电镀的屏障层
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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
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电容谐振频率举例
引线长1.6mm的陶瓷电容器
容值越小，谐振频率越高，
电容量
1 µF 0.1 µF
谐振频率(MHZ) 1.7 4 12.6 19.3 33 42.5 60
ZC
实际电容
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• 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10000M 以上。高频损耗小，电容量稳定； 2. 缺点：工作温度范围不宽 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 工作电压低，DC电压40V；温度系数大； 工作电压低 3. 适用场合：高频电路。
电容datasheet示例
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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 电 容
接地平面过孔
推荐布线方式
不推荐
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电容按电介质分类：
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
电子元器件选型与可靠性应用
目
录
1、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 3 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
2
功 精度 功能
能
设
计 成本 强度
功率
降额设计 安规 可 靠 性 设 计 EMC 防腐蚀设计 热设计 可生产性 可用性 可维修性
8
8
9
10
降额总结
1. 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↑。
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• 聚丙烯电容器 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、 无感、 无感 电容量大。性能优良，易于自动化生产。 电容量大。 2. 适宜场合：收音机、电视机和录音机
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• 1. 2. 3. •
瓷介电容器： 优点：体积小，耐热性好、损耗小、绝缘电阻高 缺点：容量小， 易碎裂 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
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• 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。
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降额等级
I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 √ √ √ √ √
II级降额 III级降额 √ √ √ √ √
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电容 降额因子
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集成电路 降额因子
1. 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。
•
• • •
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• 1. 2. 3.
纸介电容： 优点：体积小、容量大 体积小、 体积小 缺点：固有电感和损耗大 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 耐热（工作温度达 耐热 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。
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1.2 器件应用热设计
热设计的目的
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R 热阻 ℃/W
=
△T 温差 ℃
/
Q 热耗 W
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风量（风速）：1CFM=0.0283m3/min 热功率密度： 热流密度：
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冷却方式选择的依据
GJB/Z 27 电子设备可靠性热设计手册 QJ 1474-88 电子设备热设计规范
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传导散热
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 Rja=Rjc+Rcs+Rsa Rjc： 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。 ：
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3.2、无源器件
1. 2. 3. 4.
电阻 电容 电感 接插件
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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
包
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① 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
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特种场合电阻选型
1. 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。
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3.1、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
差
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好
磁环、磁珠高频等效特性
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1.4 器件应用过程的容差分析
R=10K
± 0.5K ±5%
±30
±100PPM/℃ ℃ 30 ℃
30
P209 D400 U_U_UB X2-7 1 S3J 2 2 VB_PROT
6.8nF,100V
G_G_GND G_G_GND
X2-5 X2-6 GND
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D401 1 SM8S33A
C51
1.5 器件环境条件的确定
设备环境温度 ≠ 器件环境温度
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1.6 器件工艺对应用设计的影响
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1.7 器件选型对电子产品RAMS指标的影响
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2、器件选型与制造过程注意事项
2.1 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
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2.1 器件文档要素组成
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• 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 损耗角正切值小、能在较高温度 较高温度 损耗角正切值小 下工作、抗潮性能好 抗潮性能好； 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
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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。
V=3.16 Q / △T
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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。
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其它制冷方式
• •
热管制冷 相变制冷
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1、器件选型的通用规范
1.1 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
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1.1、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
金
钯镍(表面 镀薄层金)
镍
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
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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。
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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 ……
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接插件
接插件的关注指标： 1. 2. 3. 4. 5. 底座插头（定位装置或键） 插针或端子（材料） 镀层 间距（电气间隙、爬电距离、耐压） 导通电流（粗细）
1.3 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
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电阻高频等效特性
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电容高频等效特性
ESR
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阻抗(欧姆 姆)
电感高频等效特性
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导线高频等效特性
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导线高频特性应用范例
• •
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）.pdf
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2.2 器件在产品生命周期不同阶段的注意事项
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3、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IC 3.7 电控光学器件（光耦、LED） 3.8 AD/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）
0.01µF 3300 pF
理想电容
1100 pF 680 pF 330 pF
1/2π√ LC
f
C
L
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1. 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。