为什么无应力部件有时会无缘无故地失效

James Bryant

组件中的“老年”是由于物理或化学变化引起的累积降解。众所周知，电解电容器和某些类型的薄膜电容器最终会由于微量杂质（氧气等）和电应力的组合引起的电介质中的化学反应而死亡。随着集成电路结构遵循摩尔定律并变得越来越小，在正常工作温度下掺杂剂迁移导致数十年而不是几个世纪内发生故障的风险确实会增加，并且由于磁致伸缩引起的疲劳而导致电感器的机械疲劳是众所周知的影响。某些类型的电阻材料在空气中氧化缓慢，随着空气变得更加潮湿，氧化速度更快。也没有人希望电池能永远持续下去。

因此，在选择组件时，最好了解其结构以及即使在理想条件下使用设备也可能运行的与年龄相关的故障机制。本专栏不是详细讨论此类机制的地方，但大多数信誉良好的制造商都会了解其产品的老化情况，并且通常准备讨论使用寿命和潜在的故障机制 - 许多系统制造商都有关于其产品安全使用寿命和限制机制的出版物。

然而，在正确的工作条件下，大多数电子元件可以预期持续数十年甚至更长时间，但其中一些仍然会死亡。原因往往是未考虑的压力。

正如我们不断提醒读者这个RAQ专栏的那样，墨菲定律的一个更有用的表述是“物理定律不会因为你不注意而停止工作。许多压力机制很容易被忽视。

每个设计用于海洋环境的电子产品的人都会考虑盐雾和湿度的影响——他们应该这样做，它们太可怕了！但许多电子设备可能会遇到较小但仍然具有潜在破坏性的化学挑战。人类（和动物）的呼吸是潮湿的，略带酸性。厨房和其他家庭环境含有各种类型的轻度腐蚀性烟雾（漂白剂、消毒剂、各种烹饪烟雾以及油和烈酒）——这些都不是非常有害的，但我们不应该假设我们的电路将在完全保护的安全中度过一生。设计人员应始终考虑其电路将遇到的环境挑战，并在经济可行的情况下进行设计，以尽量减少任何潜在损害。

静电损伤（ESD）是我们不断被警告但仍然经常被忽视的一种压力机制。在制造过程中尽一切努力消除ESD的工厂中制造后，许多PCB用于没有足够保护免受正常处理引起的ESD的系统。充分的保护并不难，但它可能会增加几美分的成本，因此被省略了。这可能是经济不景气。每个设计的一部分都应该评估系统电子设备在最极端的正常使用条件下需要哪些ESD保护及其实施。

过压是另一个因素。很少有人期望半导体或电容器能够承受粗过压，但通常看到高值电阻承受的电压大大大于数据手册上的绝对最大值。问题在于，如果它们的电阻足够高，它们就不会变热，但它们可能会遭受微观的内部电弧并慢慢偏离规格，最终短路。大型线端电阻器通常具有数百伏的击穿电压，因此这个问题在过去并不常见，但今天的微型表面贴装电阻器的击穿电压可能低于30 V，并且非常容易受到过压的影响。

大电流也会引起问题。每个人都熟悉常见的保险丝 - 一根电线，如果电流过大，它会加热并熔化，从而保护电源免受短路和类似问题的影响。但是，在非常小的导体中存在非常高的电流密度时，它们可能不会变得很热，但最终仍可能失效。原因是电迁移3（有时称为离子迁移）。这是由于导电电子和扩散金属原子之间的动量转移，由导体中离子逐渐运动引起的材料传输。这会导致承载高直流电流的细导体随着时间的推移而变薄，并最终失效。

但有些组件会像保险丝一样失效——导线或半导体芯片上的导电轨道会熔化。造成这种情况的高电流的常见原因是高电容器充电电流。考虑一个ESR为1 Ω的1 μF电容：如果它连接在110 V、60 Hz电源上，则其中将流过约41 mA rms的交流电。但是，如果它在确切的时间连接到电源，则电压为最大值（110√2 = 155.6 V），唯一的电流限制是ESR，并且将流动155.6 A的峰值电流，尽管不到一微秒。但这足以破坏许多小信号半导体器件，反复的电流浪涌可能会损坏电容器本身，特别是如果是电解电容器。这是用于为小型电子设备充电的廉价低压开关电源（“壁式电源适配器”）中特别常见的故障机制——如果在交流周期的错误部分插入，整流器和电容器会携带非常大的浪涌，当它发生多次时，最终可能会破坏它们。与整流器串联的小电阻可限制此浪涌电流，并将问题降至最低。

如果幸运的话，ESD或过压/过流会立即破坏组件，因此很明显存在问题。然而，更常见的是，这种压力可能会造成损害，导致过早死亡，在引发故障的压力消失很久之后。诊断这种故障的原因非常困难，可能是不可能的。

在设计任何电路时，最好考虑所用组件的寿命和故障机制，以及在最极端的允许使用条件下是否存在任何潜在问题和可能的应力损坏源。在最终设计中应考虑任何此类问题，并在可能的情况下尽量减少这些问题。

审核编辑：郭婷