為什么器件有時(shí)候會(huì)無緣無故地失效？

問題:為什么未遭受壓力的器件有時(shí)候會(huì)無緣無故地失效?

答案:

有時(shí)候器件是壽終正寢，有時(shí)候是存在壓力但不明顯。

器件的壽終正寢是一種源于物理或化學(xué)變化的累積性衰退效應(yīng)。大家都知道，電解電容和某些類型的薄膜電容終有一死，原因是在微量雜質(zhì)(氧氣等)和電壓力的共同作用下，其電介質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。集成電路結(jié)構(gòu)遵循摩爾定律，變得越來越小，正常工作溫度下的摻雜物遷移導(dǎo)致器件在數(shù)十年(而非原來的數(shù)百年)內(nèi)失效的風(fēng)險(xiǎn)在提高。另外，磁致伸縮引發(fā)的疲勞會(huì)使電感發(fā)生機(jī)械疲勞，這是一種廣為人知的效應(yīng)。某些類型的電阻材料會(huì)在空氣中緩慢氧化，當(dāng)空氣變得更為潮濕時(shí)，氧化速度會(huì)加快。同樣，沒有人會(huì)期望電池永遠(yuǎn)有效

因此，在選擇器件時(shí)，有必要了解其結(jié)構(gòu)和可能的老化相關(guān)失效機(jī)制;即使在理想條件下使用器件，這些機(jī)制也可能發(fā)生影響。本欄目不會(huì)詳細(xì)討論失效機(jī)制，但多數(shù)聲譽(yù)良好的制造商會(huì)關(guān)注其產(chǎn)品的老化現(xiàn)象，對(duì)工作壽命和潛在失效機(jī)制通常都很熟悉。許多系統(tǒng)制造商針對(duì)其產(chǎn)品的安全工作壽命及其限制機(jī)制提供了相關(guān)資料。

然而，在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下，大多數(shù)電子器件的預(yù)期壽命可達(dá)數(shù)十年，甚至更長(zhǎng)，但有些仍會(huì)過早失效。原因常常是不被人注意的壓力。

一個(gè)引用墨菲定律的有用說法是物理定律不會(huì)僅僅因?yàn)槟銢]注意它而不起作用。許多壓力機(jī)制被輕易地忽視。

任何設(shè)計(jì)海洋環(huán)境下使用的電子產(chǎn)品的人，都會(huì)考慮鹽霧和 濕度—這是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，因?yàn)樗鼈兲膳铝?其實(shí)，許多電子設(shè)備都可能遭遇不那么可怕，但仍可能造成傷害的化學(xué)挑戰(zhàn)。人(和動(dòng)物)的呼吸含有濕氣，而且略呈酸性。廚房和其他家居環(huán)境包含各類輕度腐蝕性煙霧，如漂白劑、消毒劑、各類烹飪煙霧、油和酒精等，所有這些煙霧的危害都不是很大，但我們不應(yīng)想當(dāng)然地認(rèn)為，我們的電路會(huì)在受到完好保護(hù)的條件下安度終生。設(shè)計(jì)人員務(wù)必要考慮電路會(huì)遇到的環(huán)境挑戰(zhàn)，在經(jīng)濟(jì)可行的情況下，應(yīng)當(dāng)通過設(shè)計(jì)來將任何潛在危害降至最小靜電損害(ESD)是一種壓力機(jī)制，與此相關(guān)的警告是最常見的，但我們往往視而不見。PCB在生產(chǎn)時(shí)，工廠會(huì)采取充分措施來消除制造過程中的ESD，但交付后，許多PCB被用在對(duì)一般操作引起的ESD沒有足夠防護(hù)措施的系統(tǒng)中。做好充足的防護(hù)并不難，只是會(huì)增加少許成本，因而常常遭到忽略。(可能是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)不景氣)。在正常使用的最極端情況下評(píng)估系統(tǒng)電子器件需要何種ESD保護(hù)并考慮如何實(shí)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)成為所有設(shè)計(jì)的一部分。

另一個(gè)因素是過壓。很少有人要求半導(dǎo)體或電容即使遭受重大過壓也無恙，但大值電阻遇到遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)手冊(cè)所列絕對(duì)最大值的電壓是常見現(xiàn)象。問題在于：雖然其阻值足夠高，不會(huì)變熱，但內(nèi)部可能產(chǎn)生微小電弧，導(dǎo)致其緩慢漂移而偏離規(guī)格，最終短路。大的繞線電阻通常具有數(shù)百伏的擊穿電壓，因此，過去這個(gè)問題并不常見，但如今廣泛使用小型表貼電阻，其擊穿電壓可能低于30 V，相當(dāng)容易受過壓影響。

大電流也會(huì)造成問題。大家都很熟悉普通保險(xiǎn)絲—它是一段導(dǎo)線，如有過大電流流經(jīng)其中，它就會(huì)變熱并熔斷，從而防止電源短路及其他類似問題。但是，若在非常小的導(dǎo)體中有極高的電流密度，導(dǎo)體可能不會(huì)變得非常熱，不過最終仍可能失效。原因是所謂的電遷移3(有時(shí)也稱為離子遷移)。即導(dǎo)電電子與擴(kuò)散金屬原子之間的動(dòng)量傳遞導(dǎo)致導(dǎo)體中的離子逐漸運(yùn)動(dòng)，引起物質(zhì)運(yùn)輸效應(yīng)。這使得攜帶大直流電流的薄導(dǎo)體隨著時(shí)間推移而變得越來越薄，最終失效

但有些部分會(huì)像保險(xiǎn)絲一樣失效，即熔斷，比如導(dǎo)線或半導(dǎo)體芯片上的導(dǎo)電走線。大電流造成這種現(xiàn)象的一個(gè)常見原因是電容充電電流太大?？紤]一個(gè)ESR為1 Ω的1 μF電容，如果將它連接在110 V、60 Hz交流電源上，則有大約41 mA的交流電流流經(jīng)其中。但如果在電壓處于最大值(110√2 = 155.6 V)時(shí)連接到交流電源，則只有ESR會(huì)限流，峰值電流將達(dá)到155.6 A，盡管其持續(xù)時(shí)間不到1 μs，也足以損壞許多小信號(hào)半導(dǎo)體器件。重復(fù)發(fā)生浪涌可能會(huì)損壞電容本身，尤其是電解電容。在用于給小型電子設(shè)備充電的廉價(jià)低壓開關(guān)電源(壁式電源適配器)中，這是特別常見的失效機(jī)制。如果在一個(gè)交流周期的錯(cuò)誤時(shí)間插入，整流器和電容就會(huì)攜帶非常大的浪涌電流，這種情況若多次發(fā)生，最終可能會(huì)損壞器件。用一個(gè)小電阻與整流器串聯(lián)，可以限制此浪涌電流，使問題最小化。

如果我們很幸運(yùn)，ESD或過壓/過流事件會(huì)立即損壞器件，這樣很容易知道問題所在。但更常見的情況是，壓力引起的損害導(dǎo)致器件失效，而最開始引發(fā)故障的壓力早已消失。要診斷此類失效的原因是非常困難的，甚至是不可能的。

無論設(shè)計(jì)什么電路，都有必要考慮所用器件的工作壽命和失效機(jī)制，以及在容許的最極端使用條件下，是否有任何潛在問題或壓力源會(huì)導(dǎo)致器件受損。任何此類問題都應(yīng)當(dāng)考慮，并盡可能在最終設(shè)計(jì)中予以最小化。