工程師必知的那些元器件失效機(jī)理

?溫度導(dǎo)致失效

環(huán)境溫度是導(dǎo)致元件失效的重要因素。

溫度變化對(duì)半導(dǎo)體器件的影響：構(gòu)成雙極型半導(dǎo)體器件的基本單元P-N結(jié)對(duì)溫度的變化很敏感，當(dāng)P-N結(jié)反向偏置時(shí)，由少數(shù)載流子形成的反向漏電流受溫度的變化影響，其關(guān)系為：

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式中：

ICQ―――溫度T0C時(shí)的反向漏電流

ICQR――溫度TR℃時(shí)的反向漏電流

T－TR――溫度變化的絕對(duì)值

由上式可以看出，溫度每升高10℃，ICQ將增加一倍。這將造成晶體管放大器的工作點(diǎn)發(fā)生漂移、晶體管電流放大系數(shù)發(fā)生變化、特性曲線發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)范圍變小。

溫度與允許功耗的關(guān)系如下：

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式中：

PCM―――最大允許功耗

TjM―――最高允許結(jié)溫

T――――使用環(huán)境溫度

RT―――熱阻

由上式可以看出，溫度的升高將使晶體管的最大允許功耗下降。

由于P-N結(jié)的正向壓降受溫度的影響較大，所以用P-N為基本單元構(gòu)成的雙極型半導(dǎo)體邏輯元件（TTL、HTL等集成電路）的電壓傳輸特性和抗干擾度也與溫度有密切的關(guān)系。當(dāng)溫度升高時(shí)，P-N結(jié)的正向壓降減小，其開門和關(guān)門電平都將減小，這就使得元件的低電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而變??；高電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而增大，造成輸出電平偏移、波形失真、穩(wěn)態(tài)失調(diào)，甚至熱擊穿。

溫度變化對(duì)電阻的影響

溫度變化對(duì)電阻的影響主要是溫度升高時(shí)，電阻的熱噪聲增加，阻值偏離標(biāo)稱值，允許耗散概率下降等。

但我們也可以利用電阻的這一特性，比如，有經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的一類電阻：PTC（正溫度系數(shù)熱敏電阻）和NTC（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻），它們的阻值受溫度的影響很大。

對(duì)于PTC，當(dāng)其溫度升高到某一閾值時(shí)，其電阻值會(huì)急劇增大。利用這一特性，可將其用在電路板的過(guò)流保護(hù)電路中，當(dāng)由于某種故障造成通過(guò)它的電流增加到其閾值電流后，PTC的溫度急劇升高，同時(shí)，其電阻值變大，限制通過(guò)它的電流，達(dá)到對(duì)電路的保護(hù)。而故障排除后，通過(guò)它的電流減小，PTC的溫度恢復(fù)正常，同時(shí)，其電阻值也恢復(fù)到其正常值。

對(duì)于NTC，它的特點(diǎn)是其電阻值隨溫度的升高而減小。

溫度變化對(duì)電容的影響

溫度變化將引起電容的到介質(zhì)損耗變化，從而影響其使用壽命。溫度每升高10℃時(shí)，電容器的壽命就降低50％，同時(shí)還引起阻容時(shí)間常數(shù)變化，甚至發(fā)生因介質(zhì)損耗過(guò)大而熱擊穿的情況。

此外，溫度升高也將使電感線圈、變壓器、扼流圈等的絕緣性能下降。

濕度導(dǎo)致失效

濕度過(guò)高，當(dāng)含有酸堿性的灰塵落到電路板上時(shí)，將腐蝕元器件的焊點(diǎn)與接線處，造成焊點(diǎn)脫落，接頭斷裂。

濕度過(guò)高也是引起漏電耦合的主要原因。

而濕度過(guò)低又容易產(chǎn)生靜電，所以環(huán)境的濕度應(yīng)控制在合理的水平。

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過(guò)高電壓導(dǎo)致器件失效

施加在元器件上的電壓穩(wěn)定性是保證元器件正常工作的重要條件。過(guò)高的電壓會(huì)增加元器件的熱損耗，甚至造成電擊穿。對(duì)于電容器而言，其失效率正比于電容電壓的5次冪。對(duì)于集成電路而言，超過(guò)其最大允許電壓值的電壓將造成器件的直接損壞。

電壓擊穿是指電子器件都有能承受的最高耐壓值，超過(guò)該允許值，器件存在失效風(fēng)險(xiǎn)。主動(dòng)元件和被動(dòng)元件失效的表現(xiàn)形式稍有差別，但也都有電壓允許上限。晶體管元件都有耐壓值，超過(guò)耐壓值會(huì)對(duì)元件有損傷，比如超過(guò)二極管、電容等，電壓超過(guò)元件的耐壓值會(huì)導(dǎo)致它們擊穿，如果能量很大會(huì)導(dǎo)致熱擊穿，元件會(huì)報(bào)廢。

振動(dòng)、沖擊影響

機(jī)械振動(dòng)與沖擊會(huì)使一些內(nèi)部有缺陷的元件加速失效，造成災(zāi)難性故障，機(jī)械振動(dòng)還會(huì)使焊點(diǎn)、壓線點(diǎn)發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致接觸不良；若振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)線不應(yīng)有的碰連，會(huì)產(chǎn)生一些意想不到的后果。

可能引起的故障模式，及失效分析。

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電氣過(guò)應(yīng)力（Electrical Over Stress，EOS）是一種常見(jiàn)的損害電子器件的方式，是元器件常見(jiàn)的損壞原因，其表現(xiàn)方式是過(guò)壓或者過(guò)流產(chǎn)生大量的熱能，使元器件內(nèi)部溫度過(guò)高從而損壞元器件（大家常說(shuō)的燒壞），是由電氣系統(tǒng)中的脈沖導(dǎo)致的一種常見(jiàn)的損害電子器件的方式。

審核編輯：湯梓紅