集成电路可靠性设计精选(九篇)

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第1篇：集成电路可靠性设计范文

关键词：电子元器件　电子装置　可靠性设计

中国分类号：TP302.7　文献标识码：A　文章编号：1002-2422(2010)02-0057-04

1　电子元器件的正确选择

(1)对电子元器件的选择的原则之一，电子元器件的技术性能、质量、使用条件等在满足产品要求情况下；要优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高的标准元器件，应最大限度的压缩元器件的品种、规格，生产厂。

(2)对电子元器件的选择的原则之二，根据电子元器件质量等级与质量系数选用，国军标GJB／Z299B《电子设备可靠性预计手册》列出了各类电子元器件。根据不同级别的标准和质量认证所对应的可靠性质量等级及质量系数，质量系数越大表示器件的失效率越高，可靠性水平越低。美国的各类电子元器件的质量等级和质量系数可以查阅美国军用手册MIL-HDBK-217F《电子设备可靠性预计》。

(3)对电子元器件的选择的原则之三，采用元器件计数法预计装置的平均故障间隔时间，通过对使用不同质量等级的元器件的装置的MTBF进行比较，分析对可靠性影响的大小，最后，正确选择电子元器件。

2　元器件的正确使用

(1)简化设计。

①多个通道共用一个电路或器件。

②在逻辑电路的设计中，简化设计的重点应该放在减少逻辑器件的数目，其次是减少门电路或输入端的数目。

③多采用标准化、系列化的元器件，少采用特殊的或未经定型元器件。

④能用软件完成的功能，不要用硬件实现。

⑤能用数字电路实现的功能，不要用模拟电路完成。

⑥在保证实现规定功能指标的前提下，多采用集成电路，少采用分立器件，多采用较大规模的集成电路，少采用较小规模的集成电路。提高集成度可以减少元器件之间的连线、接点以及封装的数目，而这些连接点的可靠性常常是造成电路失效的主要原因。

(2)低功耗设计。可以从两方面着手，一尽量采用低功耗器件，如在满足工作速度的情况下，尽量采用CMOS电路。而不用TTL电路：二在完成规定功能的前提下，尽量简化逻辑电路，并更多的让软件来完成硬件的功能，以减少整机硬件的数量。

(3)保护电路设计。在电路设计中，根据具体情况设计必要的保护电路。如在电路的信号输入端设计静电保护电路，在电源输入端设计浪涌干扰抑制电路，在高频高速电路中加入噪声抑制或吸收网络。具体保护电路的形式根据具体情况考虑。

(4)电路的重点设计。常常有这样的情况，某个元器件的参数退化严重，但对电路性能的影响甚微；而另一个元器件稍有变化，就对电路性能产生显著影响。这是因为一个元器件对于电路可靠性的影响不仅取决于该元器件自身的质量，而且取决于该元器件在电路中关键作用。因此，在电路设计中应对电路性能影响显著的关键元器件或子电路。进行重点设计。

(5)基于元器件的稳定参数和典型特性进行设计。对于那些由于工艺离散性以及随时间、温度和其它环境应力而变化的不太稳定的性能参数，设计时应给予更为宽容的限制。对于那些不确定的无法控制的性能参数，设计时不宜采纳，有典型应用电路时，应尽可能使用。

(6)块设计。在系统分割时，应注意电路功能和结构的均衡性，这样对提高装置可靠性有利。这主要体现在两个方面：一是每块电路的功能应相对完整，尽量减少各个电路之间的联接，以削弱互连对电路可靠性的影响；二是各个电路所含元器件的数量不要过于集中带来的不可靠因素，同时也方便了装配工艺设计。

(7)冗余设计和降额设计。冗余设计也称余度设计，是在系统或设备中的关键电路部位，设计一种以上的功能通道，当一个功能通道发生故障时，可用另一个通道代替，从而可使局部故障不影响整个装置的正常工作。对采用那种冗余方式(主动冗余，备用冗余，功能冗余)也要考虑。

(8)常用集成电路的应用设计规则。在电路设计时，除了以上所述的通用设计原则之外，还要根据所用器件的具体情况，采用不同的设计规则。下面给出用几种常用集成电路进行电路设计时应该遵循的一些规则。

TIL电路应用设计规则：

①电源，稳定性应保持在±5％之内；纹波系数应小于5％：电源初级应有射频旁路。

②去耦，每使用8块TTL电路就应当用一个0.01-0.1uF的射频电容器对电源电压进行去耦。去耦电容的位置应尽可能地靠近集成电路，二者之间的距离应在15cm之内。每块印制电路板也应用一只容量更大些的低电感电容器对电源进行去耦。

③输入信号。输入信号的脉冲宽度应长于传播延迟时间，以免出现反射噪声。

④要求逻辑“0”输出的器件，其不使用的输入端应将其接地或与同一门电路的在用输端相连。

⑤要求逻辑“1”输出的器件，其不使用的输入端应连接到一个大于2.7V的电压上。为不增加传输延迟时间和噪声敏感度，所接电压不要超过该电路的电压最大额定值5.5V。

⑥不使用的器件，其所有的输入端都应按照使功耗最低的方法连接。

⑦在使用低功耗肖特基TTL电路时，应保证其输入端不出现负电压，以免电流流入输入箝位二极管。

⑧时钟脉冲的上升时间和下降时间应尽可能的短，以便提高电路的抗干扰能力。

⑨通常时钟脉冲处于高态时，触发器的数据不应改变。

⑩扩展器应尽可能地靠近被扩展的门，扩展器的节点上不能有容性负载。

(11)在长信号线的接收端应接一个500－1k的上拉电阻，以便增加噪声容限和缩短上升时间。

(12)集电极开路器件的输出负载应连接到小于等于最大额定值的电压上，所有其它器件的输出负载应连接到VCC上。

(13)长信号线应该由专门为其设计的电路驱动，如线驱动器、缓冲器等。

(14)从线驱动器到接收电路的信号回路线应是连续的，应采用特性阻抗约为100的同轴线或双扭线。

(15)某些TTL电路具有集电极开路输出端，允许将几个电路的开集电极输出端连接在一起，以实现“线与”功能。但应在该输出端加一个上拉电阻，以便提供足够的驱动信号和提高抗干扰能力，上拉电阻的阻值应根据该电路的出力来确定。

CMOS电路应用设计规则：

①电源，稳定性应保持在5％之内：纹波系数应小于5％；电源初级应有射频旁路。

②如果CMOS电路自身和其输入信号源使用不同的电源，则开机时应首先接通CMOS电源，然后接通信号源，关机时应该首先关闭信号源，然后关闭CMOS电源。

③输入信号，输入信号电压的幅度应限制在CMOS电路电源电压范围之内，以免引发闩锁；多余的输入端在任何情况下都不得悬空，应适当的连接到CMOS电路的电压正端或负端上。

④当CMOS电路由TTL电路驱动时，应该在CMOS电 路的输入端与VCC之间连一个上拉电阻。

⑤在非稳态和单稳态多谐振荡器等应用中，允许CMOS电路有一定的输入电流(通过保护二极管)，但应在其输入加接一只串联电阻，将输入电流限制在微安级的水平上。

⑥输出信号和输出电压幅度应限制在CMOS电路电源电压范围之内，以免引发闩锁。

⑦长信号线应该由专门为其设计的电路驱动，如线驱动器、缓冲器等。

⑧应避免在CMOS电流的输出端接大于500pF的电容负载。

⑨CMOS电路的扇出应根据其输出容性负载量来确定。

⑩并联应用，除三态输出门外，有源上拉门不得并联连接。只有一种情况例外，即并联门的所有输入端均并联在一起，而且这些门电路封装在同一外壳内。

3　可靠性预计

为了验证可靠性设计的效果，根据系统可靠性的要求，电路设计完成后，可对关键电路的失效率进行预计，预计所依据的模型和方法见国军标GJB299《电子设备可靠性预计手册》。

4　正确布线

4，1正确布线之一电磁兼容性设计

(1)采用正确的布线之策略。具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。

(2)选择合理的导线宽度。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能地短。对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时，即可完全满足要求：对于集成电路，印制导线宽度可在0.2－1.0mm之间选择。

(3)为了抑制高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意以下几点：

①尽量减少印制导线的不连续性，禁止环状走线等。

②时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，不要在长距离内与信号线并行。

⑧总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线，驱动器应紧挨着连接器。

④数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。

⑤在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时，应注意器件排列方式。

(4)抑制反射干扰

为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰，除了特殊需要之外，应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配，即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。

4，2正确布线之二去耦电容配置

(1)电源输入端跨接一个10-100uF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。

(2)为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4－10个芯片配置一个1-10uF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz-20MHz范围内阻抗小于1，而且漏电流很小。

(3)对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线和地线间直接接入去耦电容。

(4)去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。

4，3正确布线之三接地设计

(1)正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1-10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。

(2)将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。

(3)尽量加粗接地线。若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，应能通过三倍于印制电路板的允许电流。

(4)将接地线构成闭环路。印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

4，4正确布线之四热设计

(1)对于采用自由对流空气冷却方式的设备，最好是将集成电路按纵长方式排列，对于采用强制空气冷却的设备，则应按横长方式配置。

(2)同一块印制板上的元器件应尽可能按其发热量大小及耐热程度分区排列，发热量小或耐热性差的元器件放在冷却气流的最上游，发热量大或耐热性好的元器件放在冷却气流的最下游。

(3)在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热途径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它元器件温度的影响。

(4)温度敏感器件最好安置在温度最低的区域，千万不要将它放在发热元器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。

5　机体的设计

(1)对于用于电磁屏蔽的机箱材料的电导率、磁通率越高，屏蔽效果越好。

(2)材料的选用还受到强度、重量、散热性、工艺性等因素的制约。当屏蔽效果不太好时，可考虑对其进行表面处理。在屏蔽机体设计时，应使机体有足够的厚度以增大磁路横切面积，增加屏蔽效果；同时在垂直于磁通方向不能开口，以免增大磁阻。

(3)机体要良好接地。机体接地有二个重要作用：一是接地能使屏蔽具有较好效果，二是消除静电影响。

6　环境条件强制

在使用环境复杂情况下，可以考虑强制冷却，加温，恒温，防振等。

第2篇：集成电路可靠性设计范文

【Abstract】Along with the development of China's aerospace industry， the reliability of avionics communication equipment in the aerospace industry has attracted more and more attention from the relevant departments， the paper first introduces the significance of avionics communication equipment reliability design， and then analyzes the main influence factors of avionics communication equipment’s reliability， and finally puts forward specific measures to ensure aviation electronic communication equipment reliability design.

【关键词】航空；设备；可靠性；技术

【Keywords】aviation； equipment； reliability； technology

【中图分类号】V243.1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0141-02

1 引言

随着我国整体科学技术的不断发展，以及近年来在航天事业上的巨大发展，在航天产业中具备极大影响的电子通信设备其可靠性越发的受到人们的重视。目前众多的电子通信生产企业在其生产理念上，已经逐渐建立起了以切实检验手段来进行产品质量保障的体系，可靠性、质量已经成为设备使用者的最重要的关注点。在此背景下，论文围绕航空电子通信设备的可靠性，分三部分展开了细致的分析探讨，旨在提供一些该方面的理论参考，以下是具体内容。

2 航空电子通信设备可靠性设计的重要意义

2.1 是通信电子设备使用寿命的直接影响因素

首先基于航空事业其本身的特点，往往使用的周期很长，这也就要求航空电子设备具备很长的使用周期。而电子通信设备的可靠性设计便是电子通信设备使用寿命的最直接影响因素。从整体上观察，电子通信设备的设计、安装以及使用和后期的维修过程，可靠性都参与其中，因此也可以说目前在通信电子设备设计上可靠性已经成为一个设计的重点所在。

2.2 是信息时代人们对电子通信设备的基本需求

随着我国科学技术的整体抬头，目前市场上的电子通信设备也越发的多元化和多样化。而随着通信电子设备数量的增多，在航空事业方面对通信电子设备的选择要求也就相应提升，除了要求通信电子设备满足基本的通信功能之外，在使用感受以及可靠性等方面，也提出了更多的要求，因此航空通信电子设备的可靠性设计是时代背景下的一个客观要求。

3 航空电子通信设备可靠性的主要影响因素

3.1 制造技术及制造条件的影响

在航空电子通信设备可靠性方面的影响因素，首先便是生产航空电子通信设备的制造技术以及制造的条件。就目前的航空电子通信设备发展趋势进行观察，便捷化、智能化以及多功能化是未来的发展趋势，而要实现这一趋势就必须在航空电子通信设备的生产环节，保障一个良好完整的生产体系。目前存在着一部分生产厂家，在生产中并不具备完备的生产的条件，进而难以保障航空电子通信设备的生产质量，在可靠性方面就会存在一定不确定性。

3.2 恶劣天气的影响

因为航空电子通信设备的使用往往位于外界，而地球的环境十分多变，在太空更是会受到诸多的宇宙因素影响。雷电天气、雨雪天气等都会对航空电子通信设备产生一定干扰和破坏，影响设备的正常工作状态，而这些因素便会对航空电子通信设备的可靠性产生一定的影响。

3.3 外界电磁的影响

航空电子通信设备在使用原理上，电磁波是其最为主要的一环，但是在航空电子通信设备使用时常常会受到一些外界电磁的影响。地球本身就是一个巨大的磁场，而这些电磁场中的电磁波所产生的辐射，便会对航空电子通信设备的正常工作产生一定的影响，进而对航空电子通信设备的可靠性造成了影响。

4 保障航空子通信设备的可靠性措施

4.1 不断优化、简化电子线路

不断进行航空电子通信设备电子线路的优化和简化，便可以极大化的减少外界磁场对航空电子通信设备可靠性的影响。而在航空电子通信设备可靠性设计时，必须在满足基本的航空电子通信设备功能以及质量的基础上，通过不断地进行技术创新，实现制造流程的优化，从而达到航空电子通信设备电子线路的简化和优化，具体而言可以从以下几个方面入手：①在元器件的使用通道设计上，可以设计为几个元器件共同使用一个通道，进而实现线路通道的减少[1]；②在元器件的使用数量上，可在保障基本功能之上，通过技术创新，尽可能减少对元器件的使用数量；③在设备组成上，尽可能使用软件对硬件进行代替；④对于设备中的一些模拟电路可使用数字电路进行代替。但在整体的线路简化、优化的过程中必须注意，不能为了最大化的简化路线，而导致元器件在使用过程中出现集成电路板被过载烧坏的现象，更不能将一些成熟性不足的技术和设计方案使用到航空电子通信设备电子线路的优化和简化中。

4.2 深化低耗功率设计

目前在航空电子通信设备可靠性提升设计方面，低耗功率设计已经得到了一定的应用，但是从整体上进行观察，低耗功率设计还有很大的进一步深化空间，因此在提升航空电子通信设备可靠性方面，可以进一步对低耗功率设计进行深化。从航空电子通信设备性能上进行观察，航空电子通信设备正逐渐朝着高密度化以及微型化的方向发展，而这一趋势直接导致了航空电子通信设备中元器件数量的增多以及集成电路在能耗方面的提升，进而在航空电子通信设备的使用过程中持续发热的现象越发凸显，而这一问题就可能会导致，航空电子通信设备使用可靠性受到影响。因此在目前已有的低耗功率设计基础上，还需要进一步深化低耗功率设计，保护航空电子通信设备电路安全，也提升航空电子通信设备的可靠性[2]。

4.3 依托维修性设计提升设备可靠性

除了设计制造环节提升航空电子通信设备可靠性之外，面对航空电子通信设备机械化工作环境和恶劣天气导致的航空电子通信设备损坏，还需要通过维修性设计，在航空电子通信设备的后期使用上提升其可靠性。具体而言，航空电子通信设备的制作人员必须保障航空电子通信设备在故障出现后的检查和拆卸十分方便；此外对于航空电子通信设备的一些元器件必须是可以在市场上买到的，不能大量使用一些不再生产和使用的元器件。

5 结语

综上所述，随着我国航天事业的整体抬头，以及通信电子设备的不断多元化和多样化，人们逐渐对通信电子设备的可靠性提出了新的要求，而通信电子设备的可靠性设计本身，也直接对通信电子设备的使用寿命产生影响，也是时代背景下的一种必然要求。航空电子通信设备可靠性方面，制造技术及制造条件、机械化工作环境、恶劣天气、外界电磁都会对其产生影响，基于这些影响因素以及结合航空电子通信设备的特殊性，不断优化、简化电子线路、深化低耗功率设计、依托于维修性设计提升设备可靠性是切实有效保障航空子通信设备可靠性的具体措施，值得相关企业充分合理地参考使用。

【参考文献】

第3篇：集成电路可靠性设计范文

 

一、微电子三级封装

 

谈到微电子封装，首先我们要叙述一下三级封装的概念。一般说来，微电子封装分为三级。所谓一级封装就是在半导体圆片裂片以后，将一个或多个集成电路芯片用适宜的封装形式封装起来，并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合(WB)、载带自动键合(TAB)和倒装芯片键合(FCB)连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)两大类，也称芯片级封装。二级封装就是将一级微电子封装产品连同无源元件一同安装到印制板或其它基板上，成为部件或整机，也称板级封装。三级封装就是将二级封装的产品通过选层、互连插座或柔性电路板与母板连结起来，形成三维立体封装，构成完整的整机系统，也称系统级封装。所谓微电子封装是个整体的概念，包括了从一极封装到三极封装的全部技术内容。在国际上，微电子封装是一个很广泛的概念，包含组装和封装的多项内容。微电子封装所包含的范围应包括单芯片封装(SCM)设计和制造、多芯片封装(MCM)设计和制造、芯片后封装工艺、各种封装基板设计和制造、芯片互连与组装、封装总体电性能、机械性能、热性能和可靠性设计、封装材料、封装工模夹具以及绿色封装等多项内容。

 

二、微电子封装技术的发展

 

(一)焊球阵列封装(BGA)

 

BGA主要有四种基本类型：PBGA、CBGA、CCGA和TBGA，一般都是在封装体的底部连接着作为I/O引出端的焊球阵列。这些封装的焊球阵列典型的间距为1.0mm、1.27mm、1.5mm，焊球的铅锡组份常见的主要有63Sn/37Pb和90Pb/10Sn两种，焊球的直径由于目前没有这方面相应的标准而各个公司不尽相同。从BGA的组装技术方面来看，BGA有着比QFP器件更优越的特点，其主要体现在BGA器件对于贴装精度的要求不太严格，理论上讲，在焊接回流过程中，即使焊球相对于焊盘的偏移量达50%之多，也会由于焊料的表面张力作用而使器件位置得以自动校正，这种情况经实验证明是相当明显的。其次，BGA不再存在类似QFP之类器件的引脚变形问题，而且BGA还具有相对QFP等器件较良好的共面性，其引出端间距与QFP相比要大得多，可以明显减少因焊膏印刷缺陷导致焊点“桥接”的问题;另外，BGA还有良好的电性能和热特性，以及较高的互联密度。BGA的主要缺点在于焊点的检测和返修都比较困难，对焊点的可靠性要求比较严格，使得BGA器件在很多领域的应用中受到限制。

 

(二)芯片尺寸封装(CSP)

 

CSP的定义是LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯面积的20%的封装称为CSP。

 

由于许多CSP采用BGA的形式，所以最近两年封装界权威人士认为焊球节距大于等于1mm的为BGA，小于1mm的为CSP。由于CSP具有更突出的优点①近似芯片尺寸的超小型封装②保护裸芯片③电、热性优良④封装密度高⑤便于测试和老化⑥便于焊接、安装和修整更换。由于CSP正在处于蓬勃发展阶段，因此，它的种类有限多如刚性基板CSP柔性基板CSP、引线框架型CSP、微小模塑型CSP、焊区阵列CSP、微型BGA、凸点芯片载体(BCC)、QFN型CSP、芯片迭层型CSP和圆片级CSP(WLCSP)等.CSP的引脚节距一般在1.0mm以下，有1.0mm、0.8mm、 0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm和0.25mm等。

 

(三)系统封装(SIP)

 

实现电子整机系统的功能，通常有两个途径。一种是系统级芯片(SystemonChip)，简称SOC。即在单一的芯片上实现电子整机系统的功能;另一种是系统级封装(Systeminpackage)，简称SIP。即通过封装来实现整机系统的功能。从学术上讲，这是两条技术路线，就象单片集成电路和混合集成电路一样，各有各的优势，各有各的应用市场。在技术上和应用上都是相互补充的关系，作者认为，SOC应主要用于应用周期较长的高性能产品，而SIP主要用于应用周期较短的消费类产品。

 

SIP是使用成熟的组装和互连技术，把各种集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电容、电感等集成到一个封装体内，实现整机系统的功能。主要的优点包括①采用现有商用元器件，制造成本较低②产品进人市场的周期短③无论设计和工艺，有较大的灵活性④把不同类型的电路和元件集成在一起，相对容易实现。美国佐治亚理工学院PRC研究开发的单级集成模块简称SLIM，就是SIP的典型代表，该项目完成后，在封装效率、性能和可靠性方面提高10倍，尺寸和成本较大下降。到2010年预期达到的目标包括热密度达到100W/cm2;元件密度达到5000/cm2;I/O密度达到3000/cm2.

 

尽管SIP还是一种新技术，目前尚不成熟，但仍然是一个有发展前景的技术，尤其在中国，可能是一个发展整机系统的捷径。

 

三、思考

 

面对世界蓬勃发展的微电子封装形势，分析我国目前的现状，我们必须深思一些问题。

 

(一)微电子封装与电子产品密不可分，已经成为制约电子产品乃至系统发展的核心技术，是电子行业先进制造技术之一，谁掌握了它，谁就将掌握电子产品和系统的未来。

 

(二)微电子封装必须与时俱进才能发展。国际微电子封装的历史证明了这一点。我国微电子封装如何与时俱进当务之急是研究我国微电子封装的发展战略，制订发展规划。二是优化我国微电子封装的科研生产体系。三是积极倡导和大力发展属于我国自主知识产权的原创技术。

 

(三)高度重视微电子三级封装的垂直集成。我们应该以电子系统为龙头，牵动一级、二级和三级封装，方能占领市场，提高经济效益，不断发展。我们曾倡议把手机和雷达作为技术平台发展我国的微电子封装，就是出于这种考虑。

 

(四)高度重视不同领域和技术的交叉及融合。不同材料的交叉和融合产生新的材料不同技术交叉和融合产生新的技术不同领域的交叉和融合产生新的领域。技术领域已涉及电子电路、电子封装、表面贴装、电子装联、电子材料、电子专用设备、电子焊接和电子电镀等。我们应该充分发挥电子学会各分会的作用，积极组织这种技术交流。

第4篇：集成电路可靠性设计范文

关键词：大坝自动检测；可靠性设计；探究

中图分类号：TV文献标识码： A

大坝自动检测系统可以使人们了解大坝的日常信息，并且大坝的工作环境较为恶劣，通常把仪器设备摆放在了并无人烟的荒郊野岭，没有便利的交通，其气候条件较差，同时没有良好的生活工作环境。大坝信息是水库可以运行的基本保障，同时汛期大坝信息可以直接影响着整个水库的安全问题。大坝信息来源是依靠于大坝自动监测系统，其大坝自动监测系统所给出的信息能够直接影响着大坝信息是否具有可靠性，所以，可靠性设计是大坝自动监测系统中的主要内容。

一、大坝自动监测系统的组成

其自动监测系统是以分布式来进行设计，系统大致分为上位机以、下位机以及交换机。其中上位机包含了数据库服务器、数据采集计算机、数据管理计算机。而下位机则包含了交换机、PLC主站以及PLC分站和压力传感器。

二、可靠性的概念

（一）可靠性的含义

可靠性的实质是指在系统使用的期间内以及预计环境中使人们相信所设计的功能，同时其性能还能够得到相应的保证。

首先，需要较为良好的使用功能。系统在使用的过程中，可以满足设计中的功能要求以及指标，其中包含了数值的准确性，通讯的流畅性，功能的稳定性，对于自身诊断的有效性，分析数据的准确性，对于大坝的分析以及及时性。

其次，在使用的过程中其系统可以承受由于环境因素所带来影响。例如潮湿、结露、结霜、结冰、日晒雨淋、高低温所引起的锈蚀以及老化，电磁场(包括雷电电磁脉冲)、浪涌电压、瞬变电流、地电位差等扰乱，人畜、蛇鼠等对系统的破坏，交通、发电、泄洪和地震等引起的系统震动等。

而后，还要有一定的耐久性。整个系统的部件具备抗老化、抗腐蚀以及抗松动的特质，同时其测量、通讯、数据处理以及其他性能在使用时所发生的变化并不会超出设计的范畴之内。其硬件可以承受在使用过程中的各种作用，同时还可以满足使用要求；但是对于软件来说它能够兼容新旧两个版本，并且还可以进行系统更新或者自动升级以及远程下载，以此来确保系统在使用的过程中其软件不会过时。

最后，在发生事件的前后，可以保证其系统的稳定性。系统一旦受到意外因素的影响，例如在人为原因、雷击等作用时并不会产生较为严重的后果，从而不会影响到其它部分的工作，在事发后的系统可以对故障进行显示以及报警，方便故障的找寻以及恢复，同时能够花费较少的费用。

（二）可靠性指标

从大体上来说，其可靠性指标能够利用分散型工业来进行控制系统来表示，并且，可用性和平均没有故障的时间以及平均修复时间有一定的关系，即

如对于由Ⅳ台仪器构成的大坝自动监测系统，其某时刻的可靠恤为正常工作的仪器数(Ns)与总数（N)加之比，即：

NF为故障的仪器数，是系统在任一次工作中，系统中达不到设计功能和性能要求的仪器总数。即

同时将两边乘以N/NS，即

则右边说明了在t时刻内，每台仪器工作在单位时间内的故障概率，用来表示，

（三）可靠性指标的影响因素

RAS指标的实质是一个随机变量，它和系统元器件、原材料、设计及组装、现场土建、安装调试、运行维护及现场环境等因素存在一定的关系，所以需要用概率统计方法进行相应的探究。

RAS系统受到了内外部的共同干扰，其中包含了电磁、高低温变化、温度升高或者骤降、潮湿、灰尘等；同时系统内的集成电路以及材料逐渐老化；并且厂家的技术能力以及管理水平都会对系统造成一定的影响，其售后的管理以及对待客户的服务方式也会对系统的使用产生了一定的影响。

在确定系统可靠性指标之前应该分析以上影响因素系统可，并注意收集以下资料：大坝施工现场的干扰因素以及统计特征，例如空间的电磁场、雷电强度大小、空气湿度大小等；收集系统和元器件在破坏因素的作用下所出现的反应以及规律，利用室内试验来确定系统所能承受干扰的极限值以及相应的时间，例如在一定时间内系统及各部分所能承受的电压、电流、电场强度、磁性强度、湿度等，并研究系统对各元器件老化及失效速率的影响；并以此来统计系统材料的老化以及失效特征，从中总结其统计规律。

三、可靠性设计

（一）总体设计

1.加强元器件和仪器的选型

其系统内的仪器设备可靠性是系统可靠性的重要保证。通过微功耗、工业级甚至是军用级芯片对元器件进行适当的降额使用，并在此基础上对电路设计进行优化，以此来提升设备可靠性。同时传感器尽最大限度的选取无源或微功耗的基础设备，有利于能够在现场进行长期工作。在设计的过程中，应该优先选择已经通过建筑工程考验过、较为成熟的设备，这样可以提升系统的可靠性。

2.优化系统工作模式

在设计的过程中，应该尽最大限度来简化其系统的结构，同时不应该附加其他的无用功能。在实际情况中，应该采取自报式以及间断工作的手段，如果系统设备可以得到较长的间歇时间并且损耗较小，就可以提升其设备的使用年限。

3.适当的采用干扰措施

其大坝自动监测系统主要是以电子产品为基础，在设计的过程中应该考虑其雷电等各种因素的干扰。其中保护措施主包含了：测量控制装置和仪器设备需要采用直流供电，并以此来解除电源线引入的雷电干扰；在无线传输的过程中，天线安装同轴避雷器，防止雷电从天馈线引入遥测设备；并且交流供电线路应该安装电源避雷装置。并且，同频干扰以及太阳风暴能够对通讯形成一定的干扰，影响其信号的传输，从而增加的了误码率，因此需要在硬件上使用干扰纠错技术。

就目前而言，所使用的信道编码采用纠错编码技术，可以检两位，纠一位错误。除此之外，使用多级校验能够提升系统的可靠性。对通信电路以及线路的设计，需要考虑大气条件的变化，所以要在每一条电路中都要预留出一定的干扰保护度以及余度，并以此来保证其电路的余量。

（二）设备的可靠性设计

选择较为简单的合理方案，多使用积分型的电路，在模拟电路的设计中，要着重关注于工作点的稳定功能，选择合适的深度，并以此来保证其工作的稳定，以免出现自激的现象。

同时应该对所有的设备进行不定期的检测，每批机器应该依照标准规定来进行震动跌落以及高温高湿的抽样检测，以此来确保其设备能够在艰苦的条件下运行。在检测的过程中，做好相关的检测记录，并从中总结经验，完善其系统产品。

四、结束语：

综上所述，其大坝自动监测系统所分布的范围较广，同时其工作环境较为艰苦，存在较为严重的干扰现象，所以应该进行全面的系统研究，并以此来保证系统可以保证长时间的工作。创建一个适当的可靠性指标能够对系统的可靠性进行全面的评价，从而促使厂家提升其产品的质量以及售后服务质量。

参考文献：

[1] 董树民,房灵常.大坝自动监测系统的可靠性设计[J].水利水文自动化,2013(4).

[2] 刘小生,张学庄,王爱公等.边坡稳定性自动监测系统[J].煤炭学报,2012,32(5).

[3] 贾嵘,南海鹏,王涛等.大坝渗压自动监测系统[J].西安理工大学学报,2013,15(4).

[4] 杨海云.福建大坝安全自动监测系统综述[J].福建电力与电工,2013,20(3).

第5篇：集成电路可靠性设计范文

 

微电子封装主要是将数十万乃至数百万个半导体元件(即集成电路芯片)组装成一个紧凑的封装体，并由外界提供电源，且与外界进行信息交流。微电子封装所包含的范围应包括单芯片封装(SCP)设计和制造，多芯片封装(MCM)设计和制造，芯片后封装工艺，各种封装基板设计和制造，芯片互连与组装，封装总体电性能、力学性能、热性能和可靠性设计、封装材料等多项内容。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、力学性能、光性能和热性能，影响其可靠性和成本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性和成本，微电子封装越来越受到人们的重视。目前，表面贴装技术(SMT)是微电子连接技术发展的主流，而表面贴装器件、设备及生产工艺技术是SMT的三大要素。因而在微电子封装技术发展过程中，微电子连接技术也随之发展，自动化程度越来越高，加工过程也越来越精细。

 

2微电子封装的发展历程及其连接技术的应用

 

2.1发展历程

 

回顾集成电路封装的历史，其发展主要划分为3个阶段：

 

第一阶段，在20世纪70年代之前，以插装型封装为主。包括最初的金属圆形(TO型)封装、后来的陶瓷双列直插封装(CDIP)、陶瓷一玻璃双列直插封装(CerDIP)和塑料双列直插封装(PDIP)。尤其是PDIP，由于性能优良、成本低廉又能批量生产而成为主流产品。插装型器件分别通过波峰焊接和机械接触实现器件的机械和电学连接。由于需要较高的对准精度，因而组装效率较低，器件的封装密度也较低，不能满足高效自动化生产的需求。

 

第二阶段，在20世纪80年代以后，以表面安装类型的四边引线封装为主的表面安装技术迅速发展。它改变了传统的插装形式，器件通过再流技术进行焊接，由于再流焊接过程中焊锡熔化时的表面张力产生自对准效应，降低了对贴片精度的要求，同时再流焊接代替了波峰焊，也提高了组装良品率。此阶段的封装类型如塑料有引线片式裁体(PLCC)、塑料四边引线扁平封装(PQFP)、塑料小外形封装(PSOP)以及无引线四边扁平封装等。由于采用了四面引脚，引线短，引线细，间距小，因此，在很大程度上提高了封装和组装的密度，封装体的电性能也大大提高，体积减小、质量减轻、厚度减小，满足了自动化生产的需求。表面安装技术被称为电子封装技术的一大突破。

 

第三阶段，在20世纪90年代中前期，集成电路发展到了超大规模阶段，要求集成电路封装向更高密度和更高速度发展，因此集成电路封装从四边引线型向平面阵列型发展，发明了球栅阵列封装(BGA)，堪称封装技术领域的第二次重大突破，并很快成为主流产品。到了90年代后期，电子封装进入超高速发展时期，新的封装形式不断涌现并获得应用，相继又开发出了各种封装体积更小的芯片尺寸封装。也就是在同一时期，多芯片组件(MCM)蓬勃发展起来。MCM将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，然后封装在外壳内，是电路组件功能实现系统级的基础。可见，由于封装技术的发展越来越趋向于小型化、低功耗、高密度方向发展，目前典型的就是BGA技术和CSP技术。

 

2.2球栅阵列封装

 

20世纪90年代，随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种一一球栅阵列封装，简称BGA。其采用小的焊球作为元件和基板之间的引线连接。这种BGA突出的优点包括[3]:①电性能更好：BGA用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚寄生效应;②封装密度更高：由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数更高。③BGA的节距与现有的表面安装工艺和设备完全相容，安装更可靠;④由于奸料熔化时的表面张力具有‘自对准”效应，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率;⑤BGA引脚牢固;⑥焊球引出形式同样适用2.3芯片尺寸封装

 

1994年9月，日本三菱电气公司研宄出一种芯片面积/封装面积=1:1.1的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP。CSP是整机小型化、便携化的结果。它定义为封装后尺寸不超过原芯片的1.2倍或封装后面积不超过裸片面积的1.5倍。倒装焊和引线键合技术都可以用来对CSP封装器件进行引线。它具有更突出的优点：①近似芯片尺寸的超小型封装;②保护裸芯片;③便于焊接、安装和修整更换;④便于测试和老化;⑤电、热性能优良。

 

3微电子焊接及微连接技术3.1微电子焊接研宄的重要性

 

在微电子元器件制造和电子设备组装中，焊接(或称连接)技术是决定产品最终质量的关键一环。在一个大规模集成电路中，少则有几十个焊点，多则达到几百个焊点，而在巨型计算机的印刷线路板上焊点数目达到上万。这些焊点中只要有一个焊点失效就有可能导致整个元器件或整机停止工作。有统计数字表明[4]，在电子元器件或电子整机的所有故障原因中，60%以上为焊点失效所造成的。可见焊接(连接)技术是电子工业生产技术中较为薄弱的环节。

 

3.2芯片焊接技术

 

3.2.1引线键合技术

 

引线键合(WB)技术是将芯片I/O焊盘和对应的封装体上的焊盘用细金属丝一一连接起来，一次连接一根。引线键合时，采用超声波焊将一根细引线——一般是直径25m的金属丝的两端分别键合到IC键合区和对应的封装或基板键合区上[5]。这种点到点工艺的一大优点是具有很强的灵活性。该技术通常采用热压、热超声和超声方法进行。热压键合和热超声键合都是先用高压电火花使金属丝端部形成球形，然后在IC芯片上球焊，再在管壳基板上楔焊，故又称球楔键合。其原理是：对金属丝和压焊点同时加热加超声波，接触面便产生塑性变形，并破坏了界面的氧化膜，使其活性化，通过接触面两金属之间的相互扩散而完成连接。球焊条件一般为：毛细管键合力小于0.98N，温度150300°C，毛细管和引线上施加的超声波频率在60420kHz。球楔键合在IC封装中是应用最广泛的键合方法。

 

超声键合是利用超声波的能量，使金属丝与铝电极在常温下直接键合。由于键合工具头呈楔形，故又称楔压焊。其原理是：当劈刀加超声功率时，劈刀产生机械运动，在负载的作用下，超声波能量被金属丝吸收，使金属丝发生流变，并破坏工件表面氧化层，暴露出洁净的表面，在压力作用下丝。在高密度封装中，焊盘的中心间距缩小，当中心间距小于120um时，球焊难以实现，需要采用超声波楔焊。目前，!25um金属丝、!90um焊盘中心间距的超声波楔焊机已成功地进入应用领域。

 

3.2.2载带自动键合技术

 

载带自动焊(TAB)是一种将IC安装和互连到柔性金属化聚合物载带上的IC组装技术。载带内引线键合到IC上，外引线键合到常规封装或PWB上，整个过程均自动完成。为适应超窄引线间距、多引脚和薄外形封装要求，载带自动键合(TAB)技术应用越来越普遍。虽然载带价格较贵，但引线间距最小可达到150um，而且TAB技术比较成熟，自动化程度相对较高，是一种高生产效率的内引线键合技术。

 

3.2.3倒装芯片键合技术

 

倒装芯片键合技术是目前半导体封装的主流技术，是将芯片的有源区面对基板键合。在芯片和基板上分别制备了焊盘，然后面对面键合，键合材料可以是金属引线或载带，也可以是合金奸料或有机导电聚合物制作的凸焊点。倒装芯片键合引线短，焊凸点直接与印刷线路板或其它基板焊接，引线电感小，信号间窜扰小，信号传输延时短，电性能好，是互连中延时最短、寄生效应最小的一种互连方法。

 

倒装芯片技术一般有2个较为关键的工艺。一是芯片的凸焊点的制作，另一个是凸焊点UBM的制作。凸焊点的制作方法有多种，较为常用的有：电镀法、模板印刷法、蒸发法、化学镀法和钉头法。其中化学镀法的成本最低，蒸发法成本最高。但是，化学镀法制作的凸焊点存在一个很大的问题：镀层的均匀性比较差。特别是对于Au凸焊点，化学镀镀层均匀性有可能不能满足凸焊点高度容差的要求。而钉头法制作Au凸焊点时，凸焊点下不需要有一多层金属薄膜——焊点下金属，即UBM，因而可以大大降低成本，但是，由于钉头法是逐个制作凸点，而且凸点尺寸较大，它仅适用于较少I/O端数的IC的封装(目前只占市场的0.3%)。因此，目前凸焊点的大批量制作普遍采用电镀法，占70%以上，其次是蒸发法和模板印刷法，除了部分钉头法和化学镀法制作的凸焊点外，凸焊点下都需要有UBM。UBM处于凸焊点与铝压焊块之间，主要起粘附和扩散阻挡的作用。它通常由粘附层、扩散阻挡层和漫润层等多层金属膜组成。UBM的制作是凸焊点制作的一个关键工艺，其质量的好坏将直接影响到凸焊点质量、倒装焊接的成功率和封装后凸焊点的可靠性。UBM通常采用电子束蒸发或溅射工艺，布满整个圆片。需要制作厚金属膜时，则采用电镀或化学镀工艺。

 

3.3微电子封装与组装中的焊接技术

 

微电子焊接一般用锡基奸料的奸焊技术，锡奸焊方法有多种，但适合自动化、大批量生产的主要是波峰焊和再流焊技术。

 

3.3.1波峰焊

 

波峰焊是通孔插装最常用的焊接方法[6]。组装板一般被放在一夹具上，该夹具夹着组装板通过波峰焊接机，要经历助焊剂的供给、预热区域、焊峰焊接以及与助焊剂类型有关的清洗工艺。在进行波峰焊接时，板的底部刚好碰到奸料，所有元件的引脚同时被焊接。波峰焊有时采用氮气等惰性气体来提高奸料的润湿性能。奸料和板的整个底面接触，但只是没有阻焊剂的板上金属表面才被奸料润湿。

 

波峰焊技术适合于插装型电子线路的规模化生产，在当前的电子工业中仍具有重要地位，但随着IC电路高密度、小型化的发展，体积更小的表面贴装型电路占的比例越来越大。在焊接形状变化多样、管脚间距极小的元件时，波峰焊技术有一定局限性。与此相应的再流焊技术越来越显示出其重要性。目前波峰焊技术的主要发展方向是适应无铅焊接的耐高温波峰焊。

 

3.3.2再流焊

 

所谓的再流焊(reflowsoldering)就是通过加热使预置的奸料膏或奸料凸点重新熔化即再次流动，润湿金属焊盘表面形成牢固连接的过程[7]。常用的再流焊热源有红外辐射、热风、热板传导和激光等。

 

再流焊温度曲线的建立是再流焊技术中一个非常关键的环节。按照焊接过程各区段的作用，一般将其分为预热区、保温区、再流区和冷却区等4段。预热过程的目的是为了用一个可控制的速度来提高温度，以减少元件和板的任何热损坏。保温主要是为了平衡所有焊接表面温度，使SMA上所有元件在这一段结束时具有相同的温度。再流区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰值温度，一般推荐为焊膏的熔点温度加20-40°C。而冷却过程使得奸料在退出加热炉前固化，从而得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。

 

目前再流焊工艺中比较成熟的是热风再流焊和红外再流焊。随着免清洗和无铅焊接的要求，出现了氮气焊接技术。适应无铅焊接的耐高温再流焊成为该技术重要的发展方向。

 

4无铅奸料的发展

 

长期以来，锡铅(Sn37Pb)奸料以其较低的熔点、良好的性价比以及易获得而成为低温奸料中最主要的奸料系列，研宄结果表明，铅在Sn-Pb奸料中起着重要作用：①有效降低合金的表面张力，进而促进润湿和铺展;②能阻止锡瘟”发生;③促进奸料与被焊件之间快速形成键合。但是铅是一种具害。随着人类环保意识的日益增强，大范围内禁止使用含铅物质的呼声越来越高。

 

目前，国际上公认的无铅奸料定义为：以Sn为基体，添加了Ag，Cu，Sb，In其它合金元素，而Pb的质量分数在0.2%以下的主要用于电子组装的软奸料合金。

 

选择Sn-Pb奸料的替代合金应满足以下要求[8_10]:①其全球储量足够满足市场需求;②无毒性;③能被加工成需要的所有形式;④相变温度(固/液相线温度)与Sn-Pb奸料相近;⑤合适的物理性能，特别是电导率、热导率、热膨胀系数;⑥与现有元件基板/引线及PCB材料在金属学性能上兼容;⑦足够的力学性能：抗剪强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性;⑧良好的润湿性;⑨可接受的成本价格。

 

5结语

 

在微电子封装技术方面经历了双列直插、四方扁平等阶段。目前球栅阵列封装已经成为主流产品，现在芯片尺寸封装和多芯片组件也在蓬勃发展。今后微电子封装将继续向高性能、高可靠性、多功能、小型化、薄型化、便携式及低成本方向发展，相关的连接技术也必须符合这种发展趋势。在所使用的封装材料方面有金属、陶瓷、塑料，而低成本的塑料是应用的主要方向。

 

对奸料而言，锡铅共晶奸料虽有许多优点，但鉴于Sb及其化合物的剧毒性对人类健康和生活环境的危害，要求生产各种无铅奸料。目前最吸引人的是Sn-Ag-Cu系列，另外还有Sn-0.7Cu，Sn-3.5Ag，Sn-Zn和Sn-Ag-Bi等无铅奸料。从世界发展趋势看，新型无铅奸料的成分设计趋向于合金的多元化，因多种合金元素的加入可提高其力学性能和可靠性。随着现代工业的发展，人们也更注重免清洗无铅奸料的开发和应用，这是降低生产成本和能耗、提高产品性能的有效途径。

 

参考文献：

 

[1]范琳，袁桐，杨士勇.微电子封装技术与聚合物封装材料的发展趋势[J].新材料产业，2005，7(8)：88-97.

 

[2]李枚.微电子封装技术的发展与展望[J].半导体杂志，2000，25(2)：32-36.

 

[3]刘劲松，郭俭.BGA/CSP封装技术的研宄[J].哈尔滨工业大学学报，2003，50(5)：602-604.

 

[4]王春青.微电子焊接及微连接[J].电子科技导报，1995,2(4)：30-31.

 

[5]王春青，李明雨，田艳红.电子封装中的微连接技术[A].第十次全国焊接会议论文集[C].黑龙江哈尔滨：黑龙江人民出版社，2001.107-118.

 

[6]贾永平.波峰焊接技术的应用[J].航天制造技术，2003，22(3)：6-8.

 

[7]吴念租，蔡均达.锡焊技术与可靠性[M].北京：人民邮电出版社，1993.69-89.

 

[8]WilliamB，Hampshire.T^esearchforlead-freesolders[J].Soldering&SurfaceMountTechnology，1993，14：49.

第6篇：集成电路可靠性设计范文

【关键词】降额设计 降额等级 质量等级

1 概述

随着半导体技术的飞速发展，电子元器件以及与之相关的电子产品在工农业生产和社会生活中的应用越来越广泛，可靠性越来越受到电子研发设计人员的重视，作为提高产品可靠性的重要手段，降额设计已经成为电子产品设计人员必须面对的问题。

降额设计是为了提升电子设备的可靠性而采用的一种设计方法，主要是指构成电子设备的元器件使用中承受的应力（主要指电应力和温度应力）低于元器件本身的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。

在降额设计中，“降”的越多，要选用的元器件的性能就越好，成本也就越高，所以在降额设计中要综合考虑。为此国家制订了“降额”通用准则。但并不是所有的电子产品都可以“降额”，在实际设计过程中，应该注意如下方面：

（1）不应当将标准所推荐的降额量值绝对化，应当根据产品的特殊性适当调整；

（2）应当注意到，有些元器件的参数不能随便进行降额；

（3）一般来说，对于电子元器件，其应用应力越降低越能提高其使用可靠性，但也不完全是这样。

（4）对元器件进行降额设计时，不能将承受的各种应力孤立看待，应当进行综合权衡。

（5）不能用降额补偿的办法解决低质量元器件的使用问题，低质量的元器件要慎重使用。

2 降额等级的划分

2.1 降额等级

通常电子元器件有一个最佳降额范围，在此范围内，电子元器件工作应力的降低对其失效率的下降有显著的改善，设备的设计易于实现，且不必在设备的重量、体积、成本方面付出大的代价。

应按照设备可靠性要求、设计的成熟性、维修费用和难易程度、安全性要求，以及对设备重量和尺寸的限制等因素，综合权衡确定其降额等级。在最佳降额范围内推荐采用三个降额等级。

2.1.1 一级降额

一级降额是最大的降额，对电子元器件使用可靠性的改善最大。超过它的更大降额，通常对电子元器件可靠性的提高有限，且可能使设备设计难以实现。

一级降额适用于以下情况：设备的失效将导致人员伤亡或者装备与故障设施的严重破坏，对设备有高可靠性要求，且采用新工艺、新技术的设计；由于费用和技术原因，设备失效后无法或者不宜维修；系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。

2.1.2 二级降额

二级降额是中等降额，对电子元器件使用可靠性有明显改善，二级降额在设计上较一级降额易于实现。

二级降额适用于下述情况：设备的失效将可能引起装备与保障设施的损坏；有高可靠性要求，且采用了某些专门的设计；需支付较高的维修费用。

2.1.3 三级降额

三级降额是最小的降额，对电子元器件使用可靠性改善的相对效益最大，但是可靠性改善的绝对效果不如一级和二级降额。三级降额在设计上最容易实现。

三级降额适用于下述情况：设备的失效不会造成人员和设施的伤亡和破坏；设备采用成熟的标准设计；故障设备可迅速、经济地加以恢复我；对设备的尺寸、重量无大的限制。

通常情况下大部分的电子元器件降额设计采用三级降额，个别元器件采用一级降额或二级降额。

2.2 不同应用推荐的降额等级

根据上述降额等级的划分和规定，对不同应用推荐的降额等级见表1。

2.3 降额设计常用术语

（1）应力：在贮存/运输和工作中对于元器件产品的功能产生影响的各种外界因素，统称为应力。常遇到的有：

电应力：指元器件外加的电压/电流及功率等。

温度应力：指元器件所处的工作环境的温度。

机械应力：指元器件所承受的直接负荷、压力、冲击、振动、碰撞和跌落，等等。

环境应力：指元器件所处工作环境条件下除温度外的其它外界因素，例如：灰尘、温度、气压、盐雾、腐蚀，等等。

时间应力：指元器件承受应力时间的长短（承受应力时间越长，越易老化或失效。）

（2）基本失效率（λь）：指元器件在额定条件下工作时的失效率，也称为额定失效率或通用失效率（一般由元器件制造厂产品目录提供）。

（3）失效率（λр）：指元器件在实际运用状态下工作时的失效率，也称为现场失效率。

一般λр>λь λр =λьΠπī

（4）降额系数（S）：元器件降额应用时引入一个降额系数，降额系数定义实际上与电应力系数的定义相同，故两者可以通用。

3 质量等级的划分

对电子元器件进行降额设计首先要知道电子元器件的质量等级。根据用途，电子元器件的质量等级可分为：用于电子元器件生产控制、选择和采购的质量等级和用于电子设备可靠性预计的质量等级两类，两者有所区别，又相互联系，前者用于生产、加工过程，后者用于设计过程中。电子元器件设计过程中的质量等级还要参考生产加工中的质量等级。只有严格遵循质量等级进行选择电子元器件，才能够按照其质量等级进行降额。不同类型的电子元器件按照各自的质量等级标准划分表2。

4 降额设计准则

各种电子元器件的降额参数情况具体如下。

集成电路降额的主要目的在于降低高温集中部分的温度，降低由于器件的缺陷而可能失效的工作应力，延长器件的工作寿命。集成电路的降额参数主要有：电源电压，输出电流，频率，最高结温，在实际中主要以输入电压和输出电流为主，在保证正常工作的前提下，降低输入电压和输出电流，功率降下来了，最高结温就降下来了。

滤波器的降额参数主要有：电压、工作温度。在实际中主要以电压为主。

电源模块的降额参数主要有：电压、电流、功率、工作温度。在实际中主要以功率和工作温度为主。

高温是对二极管破坏力最强的应力，所以对二极管的功率和结温必须进行降额，电压击穿是二极管失效的另一主要原因素，因此二极管的电压也需要降额。二极管的降额参数主要有：反向电压，正向电流，功率，最高结温，在实际中主要以反向电压为主。

高结温和结点高电压是半导体光电器件的主要破坏性应力，结温受结点电流或功率的影响，所以对半导体光电器件的结温、功率和电流都需要进行降额。半导体光电器件的降额参数主要有：电压，电流，最高结温，在实际中主要以电压为主。

电阻器件的体积小，过负荷能力强，但是它们的阻值稳定性差，热和电流噪声大，电压与温度系数比较大。电阻器的降额参数主要有：电压，功率，环境温度，在实际中主要以环境温度为主。

由于电位器是部分接入负载，其功率的额定值应根据使用阻值按照比例进行降额。电位器的降额参数主要有：电压，功率，环境温度，在实际中主要以环境温度为主。

固定陶瓷电容器绝缘电阻高，对温度和频率的稳定性好。电降额参数主要有：直流工作电压，环境温度，在实际中主要以直流工作电压为主。

电解电容降额的主要参数是工作电压和环境温度，在实际中主要以工作电压为主。

为防止绝缘击穿，线圈的绕组电压应维持在额定值。工作在低于其设计频率范围的电感元件会产生过热和可能的磁饱和，使元件的工作寿命缩短，甚至导致线圈绝缘破坏。电感的降额参数主要有：热点温度，工作电流，瞬态电压/电流，介质耐压，电压，在实际中主要以工作电流为主。

开关的降额准则：连续触点电流，触点额定电压，触点额定功率，在实际中主要以触点额定功率为主。

影响电连接器可靠性的主要因素有插针和插孔的材料，接点电流，有源节点数目，插拔次数和工作环境温度。连接器的降额参数主要有：工作电流，工作电压，温度，在实际中主要以温度为主。

晶体的尺寸与它的工作频率有关。晶体降额参数主要有：驱动功率和工作温度，通常晶体的驱动功率不能降额，因为它直接影响晶体的额定频率。晶体的工作温度必须保持在规定的限制范围内，以保证达到额定的工作频率，具体工作范围为：比最低额定温度高10℃，比最高额定温度低10℃。在实际中晶体降额主要以温度为主。

各个电子元器件按照主要的降额参数，根据实际输入的参数值和该参数的额定值，就可以计算出对应的降额系数。

5 降额设计应用举例

5.1 事例1

某电子设备用质量等级B2的硅NPN管（单）用于线性电路放大。已知此管使用在GF1环境中，使用功耗为0.28W，额定功率为0.8W，即电路中采用了降额设计，环境温度为40℃，外加电压（工作电压）是额定电压的60%，按照计算公式，求出工作失效率λр。

对上述问题进行分析与比较如下：如果不采用降额设计措施，或降额设计措施不够，则元器件的基本失效率就会增大。现假定使用功耗为0.72W，额定功率为0.8W，即降额系数S=0.72/0.8=0.9，外加电压是额定电压的100%，即S2=VCE/VCEO=1，按照计算公式，求出此管的工作失效率λрl。

不采取降额设计措施与采取降额措施的比较，根据以上计算，得：

λрl/λр=4.77/0.3608=13.2

就是说，上例不采取降额设计措施NPN管的工作失效率λр是采取降额设计措施NPN管工作失效率的13.2倍。因此，降额设计是很重要的，付出的代价小，而效果大，同时在电路设计中容易实现。

5.2 事例2

某电子公司在设计光电产品时，复位信号分压部分未采用降额设计，其5伏分压在常温时满足要求。但是在进行低温时，电阻值降低，导致分压电压低于最小额定值，使得系统始终处于复位状态。对分压电路进行降额设计后，系统低温工作正常，符合使用要求。

6 结论

降额设计是电路可靠性设计中的一种常用方法，通过降额设计可以达到降低器件基本失效率、提高产品使用可靠性的目的。本文通过对各种电子元器件的降额等级、质量等级、降额准则进行详细介绍，目的在于为工程技术人员进行电子设计时提供参考，使得设计人员能够方便、快捷地选用最优电子元器件，最大限度地提高电子元器件的可靠性。

参考文献

[1]元器件降额准则（GJB/Z）[Z].2010.

[2]电子设备可靠性预计手册（GJBZ 299C）[Z].2006.

[3]鲍百荣.元器件降额 [J].质量与可靠性，2002（4）：33-36.

作者简介

郭振铎（1982-），现为中原工学院电子信息学院讲师。主要研究方向为图像处理技术和嵌入式系统开发与应用。

郭炳，现为中国电子科技集团公司第二十七研究所工程师，主要从事视频图像处理系统开发。

赵凯，现供职于中国电子科技集团公司第二十七研究所。

作者单位

第7篇：集成电路可靠性设计范文

纵观世界全局，汽车大国皆是半导体强国，拥有世界级的汽车品牌，掌握核心关键技术，具有创新引领能力是成为汽车强国的重要标志。欧美日车系各自培育了与之配套的半导体企业，如德国车系与Infineon，美国车系与Freescale，日本车系与Renesas形成了长期稳定的供应链关系；韩国汽车工业和半导体产业虽然崛起较晚，汽车企业和本土的半导体公司之间尚未形成明显的配套供应关系，但近年来三星电子与现代汽车开始策略性同步开发，积极涉足汽车半导体领域。实现汽车半导体的本土化供应，可以实现对汽车电子厂商需求快速反应和贴近服务的良性支撑，本土公司的最大优势是反应快，由于在本地，从新产品的定义、设计到制造较为迅速，这对新兴市场的快速进入尤其有利。对汽车企业而言，打造本土化的配套供应体系是高效整合产业链，提升企业竞争力的有效途径。

但是迄今为止，我国尚没有一块本土芯片“真正”应用到汽车的核心控制领域，这与我国作为全球第一汽车产销大国的地位极不相称。汽车半导体技术的缺失已成为制约我国汽车工业实现由大到强转变的瓶颈和薄弱环节。汽车芯片的短板也严重影响了我国汽车电子产业的发展。

因此，在我国由汽车大国向汽车强国实现战略转变的“十二五”关键时期，发展具有自主知识产权的汽车半导体技术和产品，对完善产业链、增强我国汽车产业竞争力具有十分重要的战略意义。

本文从技术、市场及产业等多个角度对世界及中国汽车半导体产业进行梳理，分析面临的机遇，并提出发展我国汽车半导体的思路和建议。

1 汽车半导体技术缺失制约了

我国整车及零部件企业发展

过去十年汽车工业的竞争是汽车电子化的竞争，平均每辆汽车采用的半导体器件数量成倍增长。根据汽车工程学会资料，从1996到2008年，一辆普通汽车中平均用到的微控制器（MCU）数量已经从6个增加到100个，一些高端车型中甚至达到了250个以上。就平均每辆汽车的半导体用量（全球汽车半导体市场除以全球汽车产量）分析，据台湾工研院IEK，2010年平均每辆汽车应用半导体成本已达308美元。依靠半导体和电子系统使汽车变得更加安全、舒适、娱乐、节能和智能化，是今后汽车工业进行技术创新的主要途径。

汽车产业的健康发展离不开强大的基础电子元器件的支撑，例如，随着半导体制造工艺的提升，采用90nm工艺的32位微控制器（MCU）的出现和应用，使得汽车电控系统的处理运算能力和控制精度大幅提升。汽车半导体包含MCU、ASIC、模拟IC、功率半导体及传感器等。2010年全球汽车半导体市场随着全球景气复苏，各地区之汽车生产数量大幅回升，呈现高度成长。根据WSTS统计，2010年全球汽车半导体市场规模可达230亿美元，年成长率高达44.4%。观察2006~2010年全球汽车半导体市场规模，其占整体半导体市场比重维持在7%~8%之间。全球汽车半导体市场2006―2010年的年均增长率为8.1%，高于整个半导体市场的平均增速。图1是2006-2014年全球汽车半导体市场规模。

从我国情况看，改革开放以来，我国汽车产业通过跨国合作，引进了资金、技术、管理和车型，促进了汽车产业的发展。但是，历经20多年发展，这种发展模式弊端日益显现。汽车产业链关键环节受制于海外，特别是发动机、底盘的电子控制系统等关键技术缺乏自主研发能力，使我国汽车产业的自主创新能力和产业整体竞争力远差于欧美、日本[1]。

我国汽车市场相比北美、欧洲、日本和韩国等成熟市场，主流产品以中低档车型为主。自主品牌汽车的电子装备率低于世界平均水平。安森美半导体汽车方案市场营销总监Herve Branquart指出，就每辆汽车中所使用的半导体产品成分而言，北美、欧洲和日韩等传统汽车市场的平均每辆汽车半导体成分是中国汽车的2倍[2]。造成这种现象的原因之一就是半导体技术缺失制约了我国本土汽车电子产业的发展。调查表明，我国本土汽车电子厂商不少的新开发项目卡在芯片上，由于国产芯片质量不过关，国外芯片价格太贵，导致新开发的系统产品成本超出整车厂可以接受的价格范围而最终放弃。因为找不到合适的芯片而导致本土创新型汽车电子项目流产的例子不在少数，某民营汽车技术开发公司肖经理告诉笔者，企业打算放弃研发两年的汽车电子技术项目。“这项技术就卡在芯片上。用国内的芯片质量不过关，用进口的芯片价格太高，成本下不来。”肖经理说，“本来有主机厂找我们，对这个产品很感兴趣。但是提到采用国外芯片价格下不来，就接受不了。”

因为找不到合适的芯片，权衡利弊，肖经理只好放弃这个项目。肖经理的经历是一个典型的例子。汽车半导体技术缺失，已严重影响了本土汽车电子和汽车产业的发展。

需要看到的是，现阶段无论是进口或者国产车型，其所采用的汽车级芯片都是国外的产品，这个市场由Infineon、Freescale、NXP、Renesas、TI等国际大厂牢牢掌握，这些国际巨头占据了超过90%的市场份额。这也直接导致了国产车在供应安全上的隐患，无论在2010年市场井喷还是2011年日本地震所造成的供应紧张状况下，这些芯片厂商首选是优先保证国际大厂，其次是合资企业，从而使得国产车厂都遇到了不同程度的采购困难，给其造成了巨大损失。

因此，无论从自主汽车品牌的供应安全性，还是基于汽车半导体快速增长的市场需求，实现汽车级芯片的国产化，都具有十分重要的现实意义及经济效益。另外，目前车载系统SoC芯片主要由Freescale、NXP、ST等国外少数芯片企业供应，国外巨头的这些车载信息芯片，虽然集成度高、功能强大，但由于其产品线兼顾了消费类、工业类及汽车类等多种应用，芯片价格非常昂贵，降低了国内汽车整车及零部件企业的竞争优势，制约了他们的发展。

2 国内汽车半导体

企业缺失的原因分析

2.1 汽车半导体的可靠性、零缺陷要求，造成技术门槛高

与一般消费用半导体的最大区别是，汽车半导体需要在极苛刻的环境下运行。例如可能要工作在-30℃的环境中，同时还要考虑振动、潮湿、灰尘、油污等其他因素，这就要求汽车半导体要有很高的可靠性和稳定性。具体而言，一是宽温度范围，一般汽车电子芯片的温度范围在-40℃～120℃，很多汽车电子芯片的温度范围都在-40℃～150℃之间；二是100%零缺陷，汽车电子厂商通常要求元器件生产商提供100%无缺陷的产品。而目前，中国厂商最缺乏的是整套完善的测试方法和测试系统；三是安全、可靠和稳定供货。汽车不同于一般电子消费品的迅速更新换代，汽车寿命一般可达10 年以上，汽车电子产品要求在10～15年内，保证安全可靠运行和稳定供货，并且汽车电子解决方案供应商要能够提供长期的技术支持。Infineon有一款16位的MCU产品C167，从1985年问世，至今还在生产，稳定供货。汽车电子产品与工业应用的区别还在于，前者稍有改动都要层层通知用户，经允许后才能做修改。四是认证严格，过程漫长。五是特殊的制造工艺。

客户对汽车、工业应用及消费性电子应用半导体产品要求的差异性，参见表1。

汽车半导体在汽车不同的环境下，所需承受的温度也有所不同。车室内的要求较低，-40℃ ~85℃；引擎盖下的则在-40℃ ~125℃；引擎上的则在-40 ~150℃。耐震、及发动后行车过程中的震动承受度也有相当的要求，而特殊环境下作业的车辆则有特殊的要求，参见表2。

上述因素客观上对汽车半导体新切入者形成相当高的技术门槛。

2.2 汽车半导体的特殊性更适合采取IDM模式企业

由于汽车应用讲求的是质量与安全，半导体产品在设计、制造、封装测试等各个环节都需符合汽车规格及获得车厂认证，因此大多数的汽车半导体供应商为能够自行掌控设计、制造与封测的IDM厂商，而且大多数半导体制造商各自拥有多项属于自己专有的半导体技术及制程工艺。

汽车半导体的高可靠性，包含设计可靠性和工艺制备可靠性。在设计过程中，需要保证芯片在极限温度、电压和工艺制造的条件下，芯片仍然能够完成符合设计要求的特定功能，在这个阶段需要运用一系列的高可靠性设计技术；在工艺制造方面，需要提供专用的汽车电子工艺库文件（Library Model）。汽车级芯片的封装同样有较高的要求，不仅需要面向汽车应用系统特定的空间包络和散热结构进行封装设计，还需要满足汽车级可靠性的振动、温度指标；对于测试和开发而言，可靠性依然是最重要的技术之一，测试厂商需要有汽车级芯片的电磁环境设备、老化设备、温度冲击设备等，应用开发过程中还需要考虑到特殊电磁干扰情况下对系统采取的冗余性设计等因素。目前绝大多数汽车专用芯片制造厂商，如Infineon、ST、Freescale、Microchip、Atmel，全部采用自己的工艺线和封装线完成芯片的工艺制备，以提高芯片的可靠性。

目前，前三大汽车半导体厂商Renesas、Infineon、Freescale均采IDM模式。

此外，MCU、传感器等产品，因与动力传动、底盘控制、安全等应用关联度较高，汽车电子厂商基于对可靠性的追求，采购心态慎重，倾向找特定厂商合作，因此，产业集中度偏高，前三大厂商市占率可高达七成以上。

但是，仍有Fabless厂商打入汽车半导体市场，包括CSR、OmniVision等，其产品为蓝牙通讯IC及CMOS图像传感器，属车载电子与车身电子次领域。此领域在质量与安全的要求上，不像动力传动、底盘控制、安全等应用般严苛。

2.3 本土IC产品进入汽车前装市场难

从需求层面分析，本土IC产品进入汽车前装市场难的主要原因：

一是整车厂合资企业外方在中国大多沿袭了与跨国汽车电子企业之间在历史上已经形成的配套关系。我国市场上的轿车产品主要由合资企业生产，合资企业的外方牢牢地控制了汽车电子产品配套的决策权。从合作模式上看，一级汽车电子供应商倾向与特定半导体厂商建立策略性的合作关系，由此特定厂商供应重要的半导体产品。例如Bosch、Delphi、Denso等欧、美、日汽车电子厂商，分别与本国或本地区的Infineon、Freescale及Renesas等汽车半导体供应商结成长期稳定的供应链关系。时至今日，即使整车厂就某些零部件供应在全球公开招标，通常亦会对投标的一级汽车电子供应商指定可供选择的芯片厂商，中标厂商只能从中挑选。在这个环节，中国个别已打入国外或合资品牌汽车供应链的本土零部件厂商，由于产品大部分直接供应给奥迪、宝马等高端客户，这些客户均指定了芯片制造商，公司只能从中挑选，所以自主选择的权利受到了一定限制。

二是整车企业对产品可靠性的追求。调研发现，我国具有自主品牌整车企业虽然有配套采购的决策权，但出于保证整车产品可靠性和规避市场风险方面的考虑，目前关键的汽车电子产品还是优先考虑采购世界跨国知名企业或其在华独资、合资企业生产的产品。

2.4 我国IC企业实力有限，切入汽车半导体的意愿不高

首先，尽管中国的汽车产销量突破1800万辆，已跃居为全球第一汽车消费大国。但相对于手机、电脑、电视等消费类电子产品，中国汽车市场的总容量和增长空间有限，中国企业过多追求眼前利益，不想将资金投入到汽车半导体的研发上，而是都集中在研发投入小，周期短，收效快的消费类电子产品上。

其次，汽车半导体的研发周期长，技术门槛高，且存在一定的风险，国际汽车半导体厂商与欧、美、日等各国汽车厂商已经形成稳固的供应链体系并占据着垄断的地位，而本土的半导体企业大多是小而散，无法单独地走自主研发和产业化的道路，与国际汽车半导体巨头无法抗衡。

此外，客户一般要求汽车半导体厂商具备超过15年的持续供货和技术支持能力，国内IC企业起步晚，技术资金实力弱，稳健经营能力差，能够持续经营10年以上的企业已不多见。

3 未来十年将是

我国汽车半导体发展的机会之窗

虽然目前汽车半导体厂商仍以IDM模式为主，但是汽车电子产业链逐渐放开的趋势明显。

一是车厂出于降低成本，提升市场竞争力的需要，对新型汽车电子零部件供应逐渐转向全球采购，公开招标，同步开发模式，这就给了新进入者切入相对封闭的汽车供应链以机会。

二是近年来，随着半导体工艺技术进步所导致的研发费用飚升，传统IDM厂商转向资产轻简化（（Fab-lite）策略，汽车半导体厂商开始把部分订单委托给Foundry厂代工，如Freescale把部分汽车MCU型号委托台积电制造；Renesas公司则公开宣布在日本地震破坏后的生产线重建调整中，将把汽车MCU产品交由全球晶圆（Globalfoundry）在新加坡的Foundry厂生产。目前台积电、联电、上海先进等Foundry厂以及日月光等封装测试厂为汽车级芯片提供专业代工的生产、封测工艺已经成熟，代工产品种类较为齐全，这为我国Fabless类型的企业切入汽车半导体提供了可行的产业环境。

三是未来十年将是新能源汽车的技术成熟期和市场导入期，新能源汽车半导体的兴起将成为我国IC厂商跨入汽车半导体的产业机遇。

3.1 中国汽车产业链尚在发展，合资与自主品牌车厂皆有IC厂商空间

以往全球汽车市场以欧、美、日等发达国家为主，但近年来以我国为首的新兴国家，经济成长快速，汽车销售量占全球比重持续上升，已使我国成为全球最大单一国家市场。我国政府亦利用此情势，全力发展汽车及相关产业。相对于欧、美、日等国汽车及相关产业之成熟完备，我国自主品牌汽车及汽车电子产业仍处于发展阶段，尚未形成稳固的供应链体系，本土IC厂商较有机会导入。

我国汽车企业可分为中外合资车厂与自主品牌车厂两类。中外合资的车厂由外商主导技术和采购环节，与汽车电子相关的采购多延袭原有的供应体系；但因终端市场是中国，平均售价比成熟市场要低，成本也需随之向下调整，既有零部件供应商不一定可满足此需求，而给新进厂商带来商机。另一方面，我国自主品牌车厂为增强整车产品的市场竞争力，有提高零部件国产化配套率，建构以本土厂商为主的供应体系的客观需要，亦提供本土IC厂商发展空间。

3.2 IC厂商可由车身控制电子、车载电子等应用领域跨入

由于驾驶或乘坐汽车与人身安全直接相关，车厂对零组件的采购以质量为重，与价格导向的3C产业迥异。为了配合质量的要求，车厂对汽车零组件的认证时程动辄超过两年，为新进厂商设下高门坎。汽车产业链相对封闭，各车厂都有长期配合的一级零部件供应商，甚至二、三级厂商的供应关系也相当稳固。

对有意跨入汽车半导体的IC厂商来说，动力传动、底盘控制与安全等领域为汽车的核心结构单元，对质量的要求最高，车厂与汽车电子厂商不会轻易引进新的零组件或半导体供应商。而车身控制与车载电子等相对周边的领域，新进厂商较有切入的空间。

目前在车身控制与车载电子用MCU或ASIC产品，已有本土IC厂商投入并取得进展。而IC厂商已有移动电话或液晶电视等应用领域的多媒体应用处理器与相关通讯IC产品，以此为基础，可跨入车载电子用ASIC。

3.3 新能源汽车半导体成长性高，前景广阔

受到政府激励项目的影响及混合动力汽车在市场上获得成功的推动，越来越多的汽车厂基于电动机的汽车型号。但是半导体市场还没有为此类汽车技术做好准备，目前为这类汽车开发出的大多数元器件是源自应用于工业或商业应用的现有产品。未来新能源汽车将更加依赖汽车半导体和电子系统，新能源车所采用的电子元器件数量是传统汽车的两倍，所需要的半导体器件数量是现在汽车的5倍。另外，研究表明，2010-2020年将是以纯电动车为代表的新能源汽车的技术成熟期和市场导入期，2020年新能源汽车的销售预计将占市场销售汽车的5-10%的份额。5%的市场份额乘以高出5倍的半导体产品成分，相当于占整体半导体市场的五分之一。电源IC及功率晶体管受新能源车驱动成长性高，但技术门坎亦高。

在全球政府积极推动新能源车之下，使此市场深具成长潜力，吸引包含既有车厂及新进车厂的关注与投入。新能源车在动力传输等部分，异于以引擎为动力的传统车，形成包括电池、马达、变频器、电源及电池管理IC、功率晶体管等供需缺口。

由于动力传输部分为汽车核心组成单元，既有车厂仍以自行开发或与既有汽车电子厂商合作为主，不足之处亦以新进大厂为优先选择。但如美国Tesla等电动车厂，由于规模小，在布局供应链时不一定能吸引大厂与之配合，而为中小型厂商提供了发展契机。

不过，用于新能源车的电源及电池管理IC、功率晶体管，需用远高于3C应用的高压制程制作，并具备对电池更为复杂严谨的保护与管理能力。就现阶段相关IC厂商之技术水准来看，较上述要求仍有相当差距。

4 我国汽车半导体发展现状

看到汽车产业蓬勃发展给半导体企业带来的机遇，国内部分有实力和远见的汽车电子企业开始了这方面的积极探索和尝试，并取得一定的进展。同时，一些中国集成电路设计企业在成功介入并占据消费电子、工业电子部分细分市场之后，开始瞄准有着庞大市场容量但介入门槛较高的汽车半导体领域。

启明信息技术股份有限公司成立于2000年10月，其前身是中国第一汽车集团公司电子计算处，目前是国内唯一一家专门从事汽车业管理软件与汽车电子产品研发、制造及服务的高科技企业。启明公司是一汽集团车载电子产品核心支撑资源，一直承接一汽集团自主车载电子产品的研发与产业化工作，已经开发汽车电子控制系统、车载信息系统等汽车电子产品40余项。其中，车载导航视听系统、3G车载信息终端、汽车智能防盗报警器、GPS车载监控终端等19项产品已形成产业化规模，并取得了可观的经济效益。启明公司下设车载集成电路创新中心，由留美海归苏杰博士领导，中心目前有车载集成电路专业设计工程师39人，核心团队成员有10年以上在国际著名汽车电子芯片公司的设计工作经验。至今已经完成了4款车载核心芯片的总体方案设计，芯片功能定义，SoC框架设计。2010年初与协作单位联合开发的车控SoC芯片已经流片成功，完成系统样机设计，正在整车考核平台测试考核验证。

艾科创新2006年开始累计投入4000余万元设计车载信息终端核心芯片及产业化方案，基于国外成熟的汽车电子芯片生产工艺，对EMC、ESD、Latch up以及宽温区苛刻环境下核心芯片可靠性设计，积累了大量经验，是目前国内唯一一家在该市场领域实现量产销售的芯片设计公司。其第一/二代（0.18/0.13um工艺）芯片累计实现近100万片的销量，第二代芯片已进入国内知名车厂的前装应用；公司第三代芯片（65nm工艺）测试样片功能性能经测试达到预期设计目标。

深圳比亚迪微电子有限公司作为比亚迪股份公司的全资子公司，成立于2004年，经过七年的发展，现有员工总人数2500多人，在深圳、宁波拥有两大生产基地。目前产品主要覆盖功率半导体器件、IGBT功率模块、电源管理IC、CMOS图像传感器、传感及控制IC、音视频处理IC等。产品应用领域覆盖了对光、电、磁及声等信号的感应、处理及控制，提供IC产品及完整的解决方案。客户包括华为、诺基亚、三星、比亚迪汽车等。当前已开展IGBT、FRD、MOSFET、VDMOS、MEMS等新产品的研发，这些产品将为比亚迪集团在电池，新能源汽车方面的发展战略提供保障。

比亚迪微电子在车载多媒体主控芯片方面，有一款产品已经完成开发，由其制作的车载多媒体整机正在整车厂进行测试。比亚迪微电子母公司是自主品牌汽车生产企业，很好地结合了行业、技术、人才及应用的基础优势,是其在汽车相关半导体设计及应用上得天独厚的优势。

上海海尔集成电路自2000年成立，海尔集团作为投资方之一，在产品研发和产品应用方面给与了大力支持。凭借集团的支持，上海海尔集成电路打开了国内白色家电、电表、工业控制、汽车电子等MCU市场。目前，该公司研制的三款汽车MCU芯片已在HID车灯控制器和汽车空调控制器中投入使用，累计销售芯片超过千万颗。

此外，上海飞乐股份有限公司与上海大学联合研发了汽车电子控制器专用芯片,目前该芯片已经随相关控制模块进入汽车配套渠道;上海小糸与上海信耀联合开发的灯光控制模块和芯片，已经成功应用于奥迪等车型;上海森太克的车速、压力、温度、制动传感器也接到一级汽车电子供应商的订单。高浪科技研发了传感器集成电路以及其他汽车专用双极产品。西安华讯公司研发的GPS导航芯片与其他产品集成，形成具备导航和移动电视功能的模块，进入了某国产品牌汽车中。这些Fabless涉足的汽车电子产品包括了MCU、功率器件、传感器、GPS芯片以及照明控制芯片等。

5 发展建议

5.1 把发展汽车半导体和汽车电子作为打造汽车支柱产业的主要议题

未来中长期发展规划中继续体现与落实，政府在政策导向方面应引导企业往汽车电子高端领域发展；应有利于促进汽车整机厂采用具有国际先进水平的国产化产品。

5.2 紧密结合国内汽车和零部件企业，开发适用于汽车前装的汽车级芯片

结合新能源汽车的发展契机，以实现芯片国产化配套，提升自主品牌汽车竞争力为诉求；以汽车半导体产业化一条龙工程为抓手带动国内汽车电子、相关零部件及汽车产业发展。世界范围内汽车产业发展的历史表明：只有整车自己做，才能扶持出自己的发动机、变速器等零部件产业；只有发动机自己做，才能扶持出自己的EMS企业；只有ECU自己做，才能扶持出自己的汽车半导体产业、软件开发产业。因此，汽车半导体的国产化只能走依靠自主品牌汽车崛起的道路。

5.3 成立汽车半导体创新应用联盟，构建包括芯片与整车厂在内的大产业链

政府主导，吸纳整合国内汽车产业链各环节上的优势企业，成立跨行业的汽车半导体创新应用联盟，支持联盟内设计、制造、封装测试和应用等各个环节的企业开展针对汽车半导体特殊性要求的研发和产业化，实施汽车半导体产业化一条龙工程。在重大科技专项中，设立汽车半导体课题，协调一、二专项，以联盟为实施载体，对汽车半导体的研发和产业化进行重点支持，支持要长期不懈。

5.4 扶持具有整车企业背景的汽车电子厂商，培育自主品牌龙头企业

扶优、扶大、扶强，培育龙头企业，发挥示范带头作用。帮助中小企业与国内整车商进行更深入的合作。

5.5 结合我国实际、参考国际标准，尽快出台汽车电子相关标准

参考文献

[1] 汽车：自主创新能力显著提高 产业竞争能力未尽人意，周劲，中国经济导报，2010，4。

[2] 2011慕尼黑上海电子展“汽车电子主题馆”系列报道，Big-Bit大比特资讯网,2010、12。

[3] 全球车用半导体车用市场前景可期，彭国柱，《电子与电脑》，2011年3期。

[4] 全球汽车市场结构转变下台湾发展车用半导体产业的策略，彭国柱，ITIS智网。

第8篇：集成电路可靠性设计范文

随着电子技术的飞速发展以及国家出台的节能降耗政策，与电子设备密不可分的开关电源技术在人们生活、工作中的得到越来越广泛的应用，任何的电子设备离不开可靠的电源，相应地它们对电源的要求越来越高。为了开关电源的快速发展也为促进我国的国民经济进一步发展做出贡献必须坚持走技术创新之路，坚持可持续发展观，将节能减排与技术发展紧密结合。

1、高频化

理论分析以及实践经验表明， 当我们把供电频率提高的时候，用电设备的体积重量以其供电频率的平方根成反比地减小。这正是开关电源新技术得以实现功率变频而带来明显效益的根本原因。以此方法应用到电镀、电解、电加工、充电、浮充电、合闸用等各种直流电源类整机加以类似地改造，其主要材料可以节约90%甚至更高， 还可以做到省电30%及以上。技术升级带来物质材料的减少，从而降低了成本，提高了市场竞争力，也节约了各种物资。这些经济效益的反应体现了技术含量的价值。如果单纯地追求高频化，开关电源的噪声也会随之而增大。采用部分谐振转换回路技术，原理上在提高频率的同时又可以降低噪声。所以，开关电源的又一发展方向是尽可能地降低噪声影响。

2、数字化

传统的开关电源技术中，是靠模拟式信号控制来设计和工作的。几十年前，开关电源技术完全是建立在模拟电路的基础之上的。但是数字信号处理技术日臻完善成熟，越来越多的优点被显示出来：便于计算机处理和控制，可以使模拟信号传递的真实可靠，提高其抗干扰的能力，便于软件包调试和遥感、遥测、遥调，也便于其它技术的植入。目前，在整个的电子模拟电路系统中，网络、电视、通讯、音响设备、照片处理等都逐步实现了数字化，而最后一个没有数字化的领域就是电源。近年来，数字电源的研究势头旺盛，成果也越来越多。开关电源的发展离不开数字化。

3、模块化

模块化指功率器件的模块化以及电源单元的模块化。生活中常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块（SPM）。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力（表现为过电压、过电流、毛刺）。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM），它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路（ASIC）。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。

4、绿色化

电源系统的绿色化有两层含义： 一是发电容量的节约，发电过程对环境造成了很大的污染，节电就意味着为环境的绿化做了贡献。二这些电源尽可能少地或不对电网产生污染，许多电子设备向电网诸如严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压出现很多问题甚至缺角和畸变。国际电工委员会（IEC）对此还制定了一系列标准，如IEC555、IECl000、IEC917等。在当今，节能环保被人们越来越重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，对电能的合理利用也是非常重要的。在开关电源的广泛应用发展下，开关电源的体积变小了，效率提高了， 正向着小型化和高频化的方向发展，但也存在着能量的损耗，所以节能对于开关电源也有重要意义。首先，开关电源的节能就是提高开关电源的效率，对开关电源的能耗进行分析可知对开关电源的电路结构和元器件进行改进可以提高开关电源效率，从而达到节能目的。其次，降低开关电源的开关损耗方法主要是软开关技术，理论上说是可以将开关电源的开关损耗降低到零，使其更加节能环保。可见开关电源小型化的发展趋势与开关电源的节能是相辅相成的。在大力提倡节能环保的环境下， 对开关电源节能的研究、提高开关电源的效率就显得意义重大，它适应了当今科技发展的潮流， 也符合人们生活的需要。

开关电源的发展趋势将以“四化”为主流即应用技能的智能化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化，这些会使产品性能可靠、成熟、经济、实用。

5、开关电源技术发展的前景展望

当开关电源按照理想的发展趋势发展下去，将标志着开关电源技术的成熟。随着电力电子技术的不断创新，开关电源产业发展前景更加广阔，我国的开关电源也得到快速发展。近年来，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，吸引了国内外一大批科技人员对其进行研究和开发，开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋。我国产品的性能虽然有了很大提高，能基本满足国内用户的要求，但与国外比起来，在设计技术、生产规模、制造工艺、可靠性重视程度和产品更新速度等方面，仍然存在不小的差距。因此，为了把具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源产业牢牢占据。我国应提高质量管理、加强可靠性设计、降低产品的设计和生产成本、加快产品创新开发、实现产品的标准化和系列化， 成为国内电源生产厂商迎接挑战，壮大自身实力。

参考文献

[1]周志敏，周纪海，开关电派实用技术设计与应用.北京人民邮电出版社，2003.

第9篇：集成电路可靠性设计范文

关键词：纯电动轿车；CAN总线；拓扑

中图分类号：U469.72+2文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.010

Development of CAN System in Electric Vehicles

Wang Huan，Du Quanhui，Yin Huajun，Shan Rongming

(EV Research & Development Center，China Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 400039，China)

Abstract：A new controller area network （CAN） bus system in electric vehicles was developed based on the original CAN bus system in a conventional gasoline vehicle according to ISO11898―1. The CAN network topology, application layer protocols, requirements specification and test specification were designed based on the target requirement of electric vehicle power train system. The function and performance of the new CAN system was tested and verified by simulation and an actual test. The test results show that the designed CAN network meets the requirements of design specification and guarantees the safety and reliability of the communication in electric vehicles and that the method and procedure proposed in this paper are applicable for the CAN bus system development.

Key words：electric vehicle；CAN bus；topology

CAN（Controller Area Network）是控制器局域网的简称。针对CAN总线技术，国际标准委员会已经推出了ISO 11898―1/2/3/4/5相关标准，其中，ISO 11898―1标准对CAN总线的物理层和数据链路层进行了详细描述和定义[1]。

CAN总线各节点采用串行总线方式实现通讯，节点物理层采用专用的集成电路块，将诸如数据的CRC校验、出错初步处理、接收滤波等功能都在集成电路中完成[2]。CAN总线数据链路层规定了通讯数据的内容格式，CAN2.0A定义了11位ID标准格式，CAN2.0B新增定义29位ID扩展格式[3]。目前，基于ISO 11898对CAN总线物理层和数据链路层的规定，针对不同应用领域，已形成部分应用层通讯协议，包括商用车应用层协议SAEJ1939[4]，针对航空应用领域的CANAerospace以及CANopen、DeviceNet等；就轿车而言，目前没有形成公开标准的应用层协议标准，开发者需针对不同的应用对象，开发制定满足各自应用需求的CAN总线应用层通讯协议。

1 整车CAN网络系统开发

本文基于原车CAN网络系统的解析，设计了纯电动轿车CAN总线网络拓扑结构、应用层通讯协议和相关开发规范。

1.1 SX4原车CAN总线网络解析

SX4车型为手动挡配置，原车共包括1个CAN网段[5]，其拓扑结构（图1）共包括4个CAN节点：发动机控制单元ECU、车身管理单元BCU、制动防抱死控制系统ABS、仪表显示单元ICU。

采用CANoe总线仿真测试分析工具得到原车CAN网段采用11位ID标准帧、通讯速率为500 kbps，原车网络各节点报文如图2所示。

YY5纯电动轿车取消了发动机及其ECU。整车控制器作为原车CAN网络与纯电动车动力总成CAN网络之间的网关代替发送ECU相关信号以保证去掉ECU后原车网络其它节点的正常工作。因此，必须对ECU节点接收和发送的关键信息进行专门解析，解析结果见表2。

1.2 整车CAN网络系统设计

1.2.1 拓扑结构设计

本文开发设计的纯电动轿车整车CAN网络共包括3个网段，分别为CAN1、CAN2、CAN3。整车网络拓扑结构如图3所示。

CAN1网段由原车去掉ECU后剩余节点构成；CAN2网段由纯电动轿车动力总成关键部件构成，主要包括整车控制器EVCU、电池管理系统BMS、电机控制器IPU、多媒体显示系统ICM；CAN3网段用于充电过程中电池管理系统BMS、充电机控制系统CCS以及ICM的信息交互。

1.2.2 应用层通讯协议设计

为保证与原车网络的兼容性，设计纯电动轿车整车CAN网络通讯速率为500 kbps，数据链路层采用11位ID格式标准帧，帧结构如图4所示[3]。

本文重点设计了动力总成系统CAN2网段的应用层通讯协议，定义了网络报文数目、报文ID、报文长度、报文发送类型、发送周期以及信号内容等，各节点发送报文及其周期见表3。各报文发送的信号内容主要分为3类：控制信号、状态信号以及故障诊断信息，其中故障诊断信息报文主要参考ISO 15765―3[6]。

1.2.3 规范制定

结合ISO 11898以及汽车行业相关标准，本文针对节点及系统制定了开发需求规范和测试规范，内容包括物理层、数据链路层、交互层、网络错误处理以及网络管理[7-8]。

2 仿真分析与实物测试

2.1 仿真分析结果

为验证所设计的整车CAN网络的可靠性和实时性，重点针对3个网段的网络负载以及节点报文周期抖动的最大延迟时间进行了仿真测试，测试结果见表4。

从表4可知，CAN2网络最高总线负载率为12.3%，总线负载率均满足YY5纯电动轿车CAN网络开发需求规范[7]。

以整车动力总成系统CAN2网段为例，仿真测试得到各节点报文传输的最大延迟时间见表5。仿真过程中，针对事件型报文，为测试其周期抖动的最大延迟时间，假设该报文以10 ms周期发送。

从表5可知，各报文的最大延迟时间均不超过报文周期的10%，满足需求规范的要求[7]。

仿真结果表明，本文设计的CAN总线系统满足需求规范与测试规范要求，可依据该拓扑结构和通讯协议实施各节点通讯模块的开发。

2.2 实物测试分析

为验证各实物节点构成网络后的通讯性能，本文依据测试规范，采用CANoe对各实物节点及整车CAN网络系统进行了测试分析。

2.2.1 物理层测试

物理层测试主要包括总线输出电压、上升/下降沿时间测试[8]。

以CAN2网段中电池管理系统BMS节点为例，监测得到该节点发送的显性位和隐性位的电压波形分别如图4和图5所示。

分析电压波形测试结果，得到节点物理层测试结果见表6。

测试结果表明，该节点CAN输出电压满足测试规范要求，物理层电路设计满足需求规范要求[7]。

2.2.2 单个节点实时性测试

以整车动力总成系统CAN2网段为例，测试得到各单个实物节点发送周期型报文的最大延迟时间见表7。

测试结果表明，该网段内各节点单独发送周期型报文的最大延迟时间不超过1%，满足需求规范对报文发送周期抖动延迟时间的要求[7]。

2.3 仿真与实物测试结果对比分析

对比表5与表7分析发现，单个节点发送报文的周期延迟时间小于所有节点构成网络时的仿真测试结果，原因在于，仿真整个网络实时性时，消息的发送周期依赖于同一仿真工具CANoe，并且各节点消息间存在冲突竞争，因此，消息的延迟时间较大，但最大延迟时间满足网络测试规范要求，为该网络的可靠性设计提供了理论依据；而对于单个实物节点，报文周期只取决于各节点软件结构及通讯模块硬件电路，发送报文不存在竞争，报文发送延迟时间较小。测试结果证明，各节点通讯模块设计符合需求规范要求，为实物节点构成的CAN网络的实时性和可靠性奠定了基础。

3 结论

本文针对基于传统汽油轿车研发的YY5纯电动轿车，设计开发了整车CAN总线网络通讯系统，采用CAN总线仿真分析与测试工具CANoe对所设计的CAN网络进行了仿真测试，对实物节点的CAN通讯性能进行了实物测试验证，仿真与实物测试结果表明，按照本文设计的需求规范和应用层通讯协议开发的CAN总线节点及其构成的网络系统满足相关标准与测试规范要求，能够保证整车通讯网络的安全性与可靠性；本文制定的开发流程适用于基于传统车型的纯电动轿车CAN网络系统的开发。

参考文献(References):

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