器件失效的元凶分析

2020-08-27 作者:ren_2008 分享


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, 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(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1Ω的1μF电容,如果将它连接在110V、60Hz交流电源上,则有大约41mA的交流电流流经其中。但如果在电压处于最大值(110√2=155.6V)时连接到交流电源,则只有ESR会限流,峰值电流将达到155.6A,尽管其持续时间不到1μs,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。
电源适配器厂家无论设计什么电路,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。
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