你的元器件为什么会无缘无故地失效了?
点击上方“大鱼机器人”,选择“置顶/星标公众号”
福利干货,第一时间送达
问
为什么未遭受压力的器件有时候会无缘无故地失效?
答
有时候器件是“寿终正寝”,有时候是存在压力但不明显。
▶▶▶▶
器件的“寿终正寝”是一种源于物理或化学变化的累积性衰退效应。
大家都知道,电解电容和某些类型的薄膜电容“终有一死”,原因是在微量杂质(氧气等)和电压力的共同作用下,其电介质会发生化学反应。
集成电路结构遵循摩尔定律,变得越来越小,正常工作温度下的掺杂物迁移导致器件在数十年(而非原来的数百年)内失效的风险在提高。另外,磁致伸缩引发的疲劳会使电感发生机械疲劳,这是一种广为人知的效应。某些类型的电阻材料会在空气中缓慢氧化,当空气变得更为潮湿时,氧化速度会加快。同样,没有人会期望电池永远有效。
因此,在选择器件时,有必要了解其结构和可能的老化相关失效机制;即使在理想条件下使用器件,这些机制也可能发生影响。本文不会详细讨论失效机制,但多数声誉良好的制造商会关注其产品的老化现象,对工作寿命和潜在失效机制通常都很熟悉。许多系统制造商针对其产品的安全工作寿命及其限制机制提供了相关资料。
然而,在适当的工作条件下,大多数电子器件的预期寿命可达数十年,甚至更长,但有些仍会过早失效。原因常常是不被人注意的压力。
在这个“非常见问题解答”栏目中,我们不断地提醒读者:一个引用墨菲定律的有用说法是“物理定律不会仅仅因为你没注意它而不起作用”。许多压力机制被轻易地忽视。
任何设计海洋环境下使用的电子产品的人,都会考虑盐雾和湿度—这是理所应当的,因为它们太可怕了!其实,许多电子设备都可能遭遇不那么可怕,但仍可能造成伤害的化学挑战。
人(和动物)的呼吸含有湿气,而且略呈酸性。厨房和其他家居环境包含各类轻度腐蚀性烟雾,如漂白剂、消毒剂、各类烹饪烟雾、油和酒精等,所有这些烟雾的危害都不是很大,但我们不应想当然地认为,我们的电路会在受到完好保护的条件下“安度终生”。设计人员务必要考虑电路会遇到的环境挑战,在经济可行的情况下,应当通过设计来将任何潜在危害降至最小。
静电损害(ESD)是一种压力机制,与此相关的警告是最常见的,但我们往往视而不见。
PCB在生产时,工厂会采取充分措施来消除制造过程中的ESD,但交付后,许多PCB被用在对一般操作引起的ESD没有足够防护措施的系统中。做好充足的防护并不难,只是会增加少许成本,因而常常遭到忽略。(可能是因为经济不景气)。在正常使用的最极端情况下评估系统电子器件需要何种ESD保护并考虑如何实现,应当成为所有设计的一部分。
另一个因素是过压。很少有人要求半导体或电容即使遭受重大过压也无恙,但大值电阻遇到远大于数据手册所列绝对最大值的电压是常见现象。问题在于:虽然其阻值足够高,不会变热,但内部可能产生微小电弧,导致其缓慢漂移而偏离规格,最终短路。大的绕线电阻通常具有数百伏的击穿电压,因此,过去这个问题并不常见,但如今广泛使用小型表贴电阻,其击穿电压可能低于30 V,相当容易受过压影响。
大电流也会造成问题。大家都很熟悉普通保险丝—它是一段导线,如有过大电流流经其中,它就会变热并熔断,从而防止电源短路及其他类似问题。但是,若在非常小的导体中有极高的电流密度,导体可能不会变得非常热,不过最终仍可能失效。
原因是所谓的电迁移3(有时也称为离子迁移)。即导电电子与扩散金属原子之间的动量传递导致导体中的离子逐渐运动,引起物质运输效应。这使得携带大直流电流的薄导体随着时间推移而变得越来越薄,最终失效。
但有些部分会像保险丝一样失效,即熔断,比如导线或半导体芯片上的导电走线。大电流造成这种现象的一个常见原因是电容充电电流太大。考虑一个ESR为1 Ω的1 µF电容,如果将它连接在110 V、60 Hz交流电源上,则有大约41 mA的交流电流流经其中。但如果在电压处于最大值(110√2 = 155.6 V)时连接到交流电源,则只有ESR会限流,峰值电流将达到155.6 A,尽管其持续时间不到1 μs,也足以损坏许多小信号半导体器件。
重复发生浪涌可能会损坏电容本身,尤其是电解电容。在用于给小型电子设备充电的廉价低压开关电源(“壁式电源适配器”)中,这是特别常见的失效机制。如果在一个交流周期的错误时间插入,整流器和电容就会携带非常大的浪涌电流,这种情况若多次发生,最终可能会损坏器件。用一个小电阻与整流器串联,可以限制此浪涌电流,使问题最小化。
如果我们很幸运,ESD或过压/过流事件会立即损坏器件,这样很容易知道问题所在。但更常见的情况是,压力引起的损害导致器件失效,而最开始引发故障的压力早已消失。要诊断此类失效的原因是非常困难的,甚至是不可能的。
无论设计什么电路,都有必要考虑所用器件的工作寿命和失效机制,以及在容许的最极端使用条件下,是否有任何潜在问题或压力源会导致器件受损。任何此类问题都应当考虑,并尽可能在最终设计中予以最小化。
参考文献
1. 参见V i s h a y 应用笔记:“可预测的器件:薄膜电阻的稳定性。”
2. 来自Emerson Corp的一些有用文章包括SL-24617:“有技巧的定期预防性维护和远程监控对关键电源系统稳定性的影响,”SL-24628:“不间断电源系统中关键器件的长寿秘诀,”;以及SL-24630:“电容会老化且‘终有一死’。”
3. 请参见https://en.wikipedia.org/wiki/electromigration。
4. 对于低功率电源,适当的电阻不太可能消耗大量功率(例如在5W/110V电源中,一个33 Ω电阻会将浪涌保持在5 A以下,且功耗小于70 mW),但若此类电源较大,可能需要使用热敏电阻。
-END-
| 整理文章为传播相关技术,版权归原作者所有 |
| 如有侵权,请联系删除 |
往期好文合集
哪些元器件最容易引发电路故障?
你买过假芯片吗?元器件专家为您揭秘假冒芯片的套路!
速查手册|电子元器件电路符号+实物图+命名规则大全
最 后
若觉得文章不错,转发分享,也是我们继续更新的动力。
5T资源大放送!包括但不限于:C/C++,Linux,Python,Java,PHP,人工智能,PCB、FPGA、DSP、labview、单片机、等等!
在公众号内回复「更多资源」,即可免费获取,期待你的关注~
你的元器件为什么会无缘无故地失效了?相关推荐
- 芯片之家精选文章合集 (二):收藏起来慢慢看
文 | 晓宇 上一次文章合集是2019.02.24-2020.03.28期间的: 芯片之家精选文章合集 (一):收藏起来慢慢看 (点击阅读) 本次,我们重新整理下过去一年写的文章,本次的文章合集是20 ...
- 可靠性设计原则1000条
A1 在确定设备整体方案时,除了考虑技术性.经济性.体积.重量.耗电等外,可靠性是首先要考虑的重要因素.在满足体积.重量及耗电等于数条件下,必须确立以可靠性.技术先进性及经济性为准则的最佳构成整体方案 ...
- 地图采集车的那些事 | 硬件质量篇
1.背景及术语 地图采集车是一个较复杂的集成系统,理论上复杂度与可靠性具有一定负相关性.那么,如何提升可靠性,让这些常年累月干活的地图采集车多干活,少生病呢?本文将分享地图采集车造车人在硬件方面所做的 ...
- 有铅喷锡和无铅喷锡的选择
有铅喷锡和无铅喷锡(SAC) 在生产中工艺要求是一个非常重要的因素,他直接决定着一个PCB板的质量和定位,比如喷锡.镀金.沉金,相对来说沉金就是面对高端的板子,沉金由于质量好,相对于成本也是比较高,所 ...
- 功能安全标准ISO26262-1翻译
前言 本文主要对 ISO 26262-1 词汇表进行了翻译. ISO26262是基于IEC61508标准演化而来的一项标准,旨在满足道路车辆电子电气系统领域的特定需求. 这种改编适用于由电子电气元件和 ...
- [转]航天可靠性设计原则1000条
转:引言: 一位航天可靠性老专家过世,一位同学整理老先生的遗物时,发现了一本<可靠性设计原则1000条>复印本,都是一些比较基础而且比较实用的设计技巧,下面是这1000条可靠性设计的具体原 ...
- 本质安全设备标准(IEC60079-11)的理解(三)
本质安全设备标准(IEC60079-11)的理解(三) 对于标准中"fault"的理解 第一,标准中对fault的定义是这样的: 3.7.2 fault any defect of ...
- 多级增益的音频放大器
摘 要 音频放大器是现代音响系统中不可或缺的重要组成部分,它能够将音频信号放大,使其能够驱动扬声器发出更大的声音.因此,设计一个性能稳定可靠的音频放大器对于提高音频播放的音质和响亮度具有重要的意义. ...
- 无法确定当前的订阅失效日期_元器件失效率与失效分布
在汽车电子进行可靠性计算时,首先需要分析各个元器件的失效率与失效分布.元器件真实的失效率与失效分布应该是基于大量的实际数据统计得到的,但由于汽车电子没有专门的失效数据库,通常采用的是预估失效率的方法. ...
最新文章
- 轻松理解汉诺塔问题(图解java描述)
- 详细理解JS中的继承
- python数据结构推荐书-腾讯十年Python开发老司机推荐的入门书籍,你确定不看吗?...
- python输入文字、成为字典_Python 字典(Dictionary)操作详解
- 小余学调度:学习记录(2022.4)
- solr6.6+jetty+centos+mysql
- dynamicparams java_spring-dynamic-params
- VSCode 拓展插件推荐
- c语言标准函数模板,c – 标准库容器的通用函数模板
- 【指纹识别】基于matlab GUI指纹识别匹配门禁系统【含Matlab源码 587期】
- Java+SSM+Jsp+Mysql项目大学生健康管理系统
- C#如何获取指定周的日期范围
- 单片机学习笔记(一)——概述
- pygame基本实现塔防游戏
- 厦门大学计算机专业录取分数线2019,厦门大学录取分数线2019年各省及各专业分数线...
- Oracle Dataguard基于rac主库搭建rac备库
- 数学史上的三次数学危机
- 互联网络业的十大发展趋势
- 【提问的智慧】-[How To Ask Questions The Smart Way]
- 财务管理----记账凭证的输入格式设计与数据库设计
热门文章
- SAP UI5 StandardListItem和ObjectListItem的区别
- SAP UI5 Extension getCustomProperties
- Angular multiple binding debug
- SAP ui5 单元测试框架 - OPA
- pagefile.sys巨型文件在windows10下的尺寸调整
- Customer Material Info in CRM and C4C
- 一个Java多线程练习的调试
- How to Use Command to Execute Git Push with Review from Sean
- 016. Remove me test
- ANSYS CFX 脚本详细设置,实现循环计算