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器件失效的元兇分析 | |||||
有時候器件是"壽終正寢"，有時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)險在提高。 另外，磁致伸縮引發(fā)的疲勞會使電感發(fā)生機械疲勞，這是一種廣為人知的效應(yīng)。某些類型的電阻材料會在空氣中緩慢氧化，當(dāng)空氣變得更為潮濕時，氧化速度會加快。同樣，沒有人會期望電池永遠有效。 因此，電源適配器廠家在選擇器件時，有必要了解其結(jié)構(gòu)和可能的老化相關(guān)失效機制；即使在理想條件下使用器件，這些機制也可能發(fā)生影響。 本欄目電源適配器廠家不會詳細討論失效機制，但多數(shù)聲譽良好的制造商會關(guān)注其電源適配器產(chǎn)品的老化現(xiàn)象，對工作壽命和潛在失效機制通常都很熟悉。 許多電源適配器制造商針對其產(chǎn)品的安全工作壽命及其限制機制提供了相關(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)期壽命可達數(shù)十年，甚至更長，但有些仍會過早失效。原因常常是不被人注意的壓力。 一個引用墨菲定律的有用說法是"物理定律不會僅僅因為你沒注意它而不起作用"。許多壓力機制被輕易地忽視。 任何設(shè)計海洋環(huán)境下使用的電源適配器的人，都會考慮鹽霧和濕度—這是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，因為它們太可怕了?/span> 其實，許多電源適配器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)然地認為，我們的電路會在受到完好保護的條件下"安度終生"。設(shè)計人員務(wù)必要考慮電路會遇到的環(huán)境挑戰(zhàn)，在經(jīng)濟可行的情況下，應(yīng)當(dāng)通過設(shè)計來將任何潛在危害降至較小。 靜電損害(ESD)是一種壓力機制，與此相關(guān)的警告是較常見的，但我們往往視而不見。 pcb在生產(chǎn)時，電源適配器廠家會采取充分措施來消除制造過程中的ESD，但交付后，許多pcb被用在對一般操作引起的ESD沒有足夠防護措施的系統(tǒng)中。做好充足的防護并不難，只是會增加少許成本，因而常常遭到忽略。（可能是因為經(jīng)濟不景氣）。在正常使用的較極端情況下評估系統(tǒng)電子器件需要何種ESD保護并考慮如何實現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)成為所有設(shè)計的一部分。 另一個因素是過壓。很少有人要求半導(dǎo)體或電容即使遭受重大過壓也無恙，但大值電阻遇到遠大于數(shù)據(jù)手冊所列絕對較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，后面短路。 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30V，相當(dāng)容易受過壓影響。 大電流也會造成問題。大家都很熟悉普通保險絲—它是一段導(dǎo)線，如有過大電流流經(jīng)其中，它就會變熱并熔斷，從而防止120w電源適配器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)體可能不會變得非常熱，不過后面仍可能失效。原因是所謂的電遷移（有時也稱為離子遷移）。即導(dǎo)電電子與擴散金屬原子之間的動量傳遞導(dǎo)致導(dǎo)體中的離子逐漸運動，引起物質(zhì)運輸效應(yīng)。這使得攜帶大直流電流的薄導(dǎo)體隨著時間推移而變得越來越薄，后面失效。 但有些部分會像保險絲一樣失效，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)象的一個常見原因是電容充電電流太大?？紤]一個ESR為1Ω的1μF電容，如果將它連接在110V、60Hz交流電源上，則有大約41mA的交流電流流經(jīng)其中。但如果在電壓處于較大值(110√2=155.6V)時連接到交流電源，則只有ESR會限流，峰值電流將達到155.6A，盡管其持續(xù)時間不到1μs，也足以損壞許多小信號半導(dǎo)體器件。 重復(fù)發(fā)生浪涌可能會損壞電容本身，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制。 如果在一個交流周期的錯誤時間插入，整流器和電容就會攜帶非常大的浪涌電流，這種情況若多次發(fā)生，后面可能會損壞器件。 用一個小電阻與整流器串聯(lián)，可以限制此浪涌電流，使問題較小化。 如果我們很幸運，ESD或過壓/過流事件會立即損壞器件，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，而較開始引發(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。 電源適配器廠家無論設(shè)計什么電路，都有必要考慮所用器件的工作壽命和失效機制，以及在容許的較極端使用條件下，是否有任何潛在問題或壓力源會導(dǎo)致器件受損。任何此類問題都應(yīng)當(dāng)考慮，并盡可能在后面設(shè)計中予以較小化。
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| | 發(fā)布時間：2019.01.08 來源：電源適配器廠家 |
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