1.3 半导体元器件

在电子装联技术中使用半导体元器件的场合很多，这里将有关半导体元器件的一些常识及使用注意事项进行简单介绍。

半导体元器件的可靠性，不仅决定元器件本身的固有可靠性因素，而且取决于用户所选择的电路条件、装配操作、使用环境等各种因素。因此，为了提高半导体元器件的可靠性，做到合理使用，有必要对使用半导体元器件的一些注意事项进行了解。

使用半导体元器件的注意事项如下：

● 半导体元器件的选择问题；

● 装配和焊接操作时的注意事项；

● 在储存、运输等方面的注意事项；

● 测试器件时的注意事项。

1.3.1 半导体元器件的选择问题

为了合理使用元器件，首先必须考虑元器件的最大额定值、降额因子及封装形式。

（1）使用中不能超过元器件的最大额定值

元器件的最大额定值是指对元器件能够安全使用的工作条件和环境条件的极限值。使用元器件时，无论条件怎样恶劣，都不允许超过规定的极限值。只能在此规定值以下使用，这样才能保证充分发挥元器件的功能，使其可靠地工作，否则就有可能使元器件性能损坏或使参数退化，大大缩短使用寿命。

因此，电路设计师在选择元器件时，应充分考虑到在初期和整个工作寿命周期中，当外界条件发生任何变化时（如电流、电压变化、设备元件变化、电路控制调整、负载变化、信号变化、环境条件变化等），都不会超过元器件所允许的最大额定值。此外，还要考虑元器件最大额定值的各参数之间是相互联系的，在设计或使用时必须兼顾考虑。例如，对于晶体管，其最大工作电流和反向工作电压是受晶体管最大耗散功率及安全工作区的限制的，如果是脉冲工作状态，则还要考虑电流、电压的瞬时峰值是否超过其规定值。

（2）降额使用

半导体元器件的电流和功率额定值与元器件所处的热环境密切相关。元器件的结温越高，运行的失效风险会越大。为了有利于提高元器件工作的可靠性，应考虑对元器件的最大额定参数进行降额使用或者选用最大额定值参数更高的元器件。

二极管、三极管的典型降额使用范围，见表1-1。

（3）正确选择封装形式

半导体的封装形式多种多样，从结构形式分，有气密封装和实体封装。气密封装是指封装腔体内在管芯周围有一定气体的空间并与外界相隔离；实体封装则指管芯周围与封装腔体形成整个实体。从封装材料上分，则有金属封装、陶瓷封装、玻壳封装、玻璃实体封装、塑料封装等。这些封装各具特色，总的来讲，实体封装不存在金属外壳气密封装有可能出现的漏气和封装多余物问题，但实体封装对封装材料要求较高，必须致密、抗潮，与管芯材料黏附和热匹配良好，而且在高温、低气压下不应产生有害气体。

金属封装具有较高的机械强度，散热性能优良，对电磁有一定屏蔽功能，因此，在功率元器件中经常使用。塑料封装的防潮性能比气密性封装要差一些，但因塑料封装可以采用自动化加工，适宜于工业化大批量生产，因而塑封器件成本低廉，在民用电子产品中普遍大量使用，其应用前景非常良好。

如果工作环境要求严格，设备寿命要求较长，或者对可靠性要求较高的场合，一般选用金属气密性封装或玻璃实体封装较好。

如果工作环境条件较好，成本要求低廉，则可以选用塑料封装。随着塑料材料致密性、抗潮性能的改进，塑料封装元器件的可靠性也随之有很大地提高。目前在军用电子设备上使用塑料封装也日趋多见。

1.3.2 半导体元器件装配焊接操作注意事项

半导体元器件使用时，装配质量的好坏对可靠性影响很大，必须有科学合理的方法。装配焊接主要从元器件引线的成形、切断、散热板的固定、在PCB上的安装、焊接、涂覆、清洗以及器件的布置等方面均应加以注意。

（1）引线的成形和切断

在对元器件进行成形和切断时，应尽量避免使元器件内部受到机械损伤和不合理的机械应力，否则有可能使元器件内引线折断，管壳和引线之间的玻璃绝缘子出现裂缝，甚至将外引线折断，从而降低元器件的可靠性，为此应注意以下几点：

① 在成形打弯引线时，必须在管体引出线和打弯点之前用尖嘴钳夹紧后进行弯曲，以防止将应力直接加在管体的引线处，如图1-1所示，先按箭头方向对称将元件引脚夹紧，然后再按双箭头所指方向折弯引脚。在切断引线时，也要求这样处理。

② 引线打弯必须在离管体3mm以外处进行，如图1-2（a）所示。

③ 引线弯曲角度不能大于90°，而且不要使引线反复弯折，如图1-2（b）所示。

④ 对扁形引线不允许横向弯曲，如图1-2（c）所示。

⑤ 当采用切断或成形工具对引线进行整形时，不能损伤引线表面涂层。

（2）元器件在PCB上的安装

元器件在PCB上安装操作时，必须小心，操作中应注意以下几点：

① PCB上元器件的安装孔距离要与元器件本体引出线的整形距离一致，插入时不要硬拉引线，以免造成引线和管壳间的应力过大，具体要求如图1-3所示。

沿引线轴向方向的引线拉力与引线直径有关，操作时不应超过表1-2的规定值。

② 在PCB上需要通过黏结固定器件本体时，黏结应严格在器件的引脚空间进行，避免使引线受力。

③ 在PCB和元器件之间，如果必须采用垫层的话，则应事先留有适当的空隙。

④ 当把元器件固定在PCB上时，应避免在元器件上施加应力。为此，将元器件焊接到PCB上时，必须事先将元器件固定在散热板上，再将散热板固定在PCB上。

（3）焊接

元器件不允许在高温下暴露较长的时间，因此，焊接温度与时间要尽可能地把握好。

元器件允许耐焊接的条件是260℃以下，时间不超过10s。焊接时应在距离本体至少2mm以上进行。焊接的温度过高、时间过长，器件的结温会随之上升，从而可能导致元器件性能退化或热破坏。

焊接时，不允许使用酸性或碱性强的助焊剂，否则会腐蚀引线，影响整机的可靠性。需要时可以采用中性焊剂，同时进行必要的清洗，以除去多余的焊剂。

为了提高元器件的焊接性能，有时需要对引线进行预沾锡，此时应注意沾锡方式和操作方法，否则会产生不必要的热应力，造成元器件失效。比如，引线从器件的根部引出位置是不允许沾锡的，不允许沾锡的尺寸应在工艺文件中进行规定；沾锡的温度和时间应进行规定；沾锡方式、沾锡方法等都应根据具体器件和产品使用要求在工艺文件上进行明确的规定。

具体沾锡要求如下（供参考）：

① 引线沾锡时，不能直接沾到引线的根部，必须距离器件本体一定的距离，一般在2mm以上。

② 用电烙铁沾锡时，应在电烙铁与器件本体之间用镊子夹住，以减少热量直接传向器件内部，这是一种沾锡时的散热方式。

③ 绝不允许将器件丢进锡锅内沾锡，这样会直接造成元器件失效。

④ 器件引线的沾锡一般不超过260℃，时间不超过10s。

（4）散热板的安装

在使用功率器件时，为发挥其最佳性能，通常要安装散热板，散热板的热阻Rth应与器件耗散功率相适应。为达到良好的的散热效果，在安装散热板时，要注意以下问题：

在元器件和散热板的接触面之间均匀地涂覆一层导热硅脂，以提高散热效果。

使用合适的的紧固力矩，以保证元器件与散热板之间接触良好。力矩过大会产生应力，使元器件变形，严重时甚至使芯片产生裂纹或使引线折断；力矩过小、过松则不能保证良好接触，会增大热阻。

表1-3列出了不同标称螺纹直径器件及对应的紧固力矩和最大使用的紧固力矩数值，供读者参考。

1）对散热板的安装要求如下：

① 散热板凹、凸弯度与螺栓孔之间的间隔应小于0.05mm，如图1-4所示。

② 采用铝板、铜板、铁板作散热板时，应保证无冲压张力，且螺栓孔应倒角。

③ 散热板与器件的接触面必须平滑，其平整度一般要求小于25μm，否则需进行适当研磨。

④ 在器件板表面不允许有裂纹、起泡、起皮。局部机械损伤最大深度不超过0.5mm。

在紧固器件时，不能对管壳施加机械应力，否则有可能损坏管芯、折断引线或使玻璃绝缘子碎裂。

在散热板安装好以后，不允许对器件的散热片和管壳进行机械加工或整形，否则将产生应力或增大热阻。

图1-5和图1-6给出了几种常见封装元器件中的散热板安装说明。

2）在散热板安装使用螺钉时，还应注意以下几点：

① 不能使用沉头螺钉，因为沉头螺钉容易将不正常的应力加到元器件上，故应使用非沉头螺钉，如圆头或柱头螺钉等。

② 使用攻丝螺钉时，应采取合适的扭转力矩。

③ 散热板螺孔不宜过大、过小，否则都容易引起不正常的应力，损伤元器件。

散热板可以根据实际情况，选用适当的形状和面积，放置在通风较好的地方，还可以采用风冷、水冷等一系列辅助性散热措施。在散热板安装时还应注意散热板的安装方向，应适合空气的对流，形成良好的散热。

（5）元器件的位置

在整机装配时，元器件位置排列是否合适，对元器件的使用可靠性影响也是很大的。在元器件排列时应注意下面几种问题：

① 使元器件尽量远离大的电阻器、变压器等发热源，以避免热量传到散热板上或使元器件周围环境温度升高。

② 元器件应当放置在不易积聚灰尘的地方，以防止绝缘性能下降，也可以采取在元器件或PCB上涂覆一层防水树脂（器件体上涂覆应有具体工艺规范，因有的元器件上不能涂敷）。

③ 应特别注意避免在高压、高频电子设备中由于各种感应而引起的元器件击穿。

1.3.3 半导体元器件的储存和运输

① 产品应储存在温度-10～40℃和相对湿度不大于80%的干燥、通风、无腐蚀性气体影响的库房内。

② 在库房内储存超过36个月的器件，在上机使用前，应对主要参数及可焊性进行测试和检验，以确保器件质量可靠。

③ 产品运输时应牢固包装箱，箱外应有符合规定的“小心轻放”、“防湿”等标志。装有产品的包装箱允许用任何运输工具运输。运输中应避免雨、雪等的直接淋袭和机械撞击。

1.3.4 半导体元器件的测试

① 标准测试条件：

如无其他规定，半导体元器件应在下述条件下进行电测试：

环境温度：25℃±5℃；

相对湿度：45%～75%；

大气压力：86～106kPa。

② 测试时，半导体元器件不应承受超过元器件最大额定值的工作条件。作为预防措施，应避免引线误接、反接、短路；应注意防止因开启、关闭而造成的浪涌电压加到元器件上。

③ 测试截止电流或反向电流小（如nA级）的元器件时，要注意保证测试夹具与测试仪器连接电路的寄生电流或外部漏电流远小于被测试元器件的截止电流或反向电流。

④ 当可施加的测试条件有可能对元器件产生功率耗散时，为了避免元器件发热引起的测量误差或损伤元器件，应采取脉冲测试。除非有特别规定，一般脉冲时间tp不大于10ms，占空比最大为2%。在此范围内，脉冲宽度必须大至足以适应试验设备的能力和所要求的准确度，小至足以避免过热。

⑤ 在进行较大电流测试时，为了避免因引线压降所引起的测量误差，应尽可能采用具有开尔文连接功能的测试仪器和测试夹具。