工程师必知的那些元器件失效机理

QqWw11

% @1 X( V. Q+ z" U* }. Q  A
  J) d2 S3 t4 z- z: @/ e8 u元件的失效直接受湿度、温度、电压、机械等因素的影响。
, r6 y3 {: ?$ p
* h- p2 x9 @! p: d% V, q6 e温度导致失效
/ a; P4 C; b; J' X4 e' L环境温度是导致元件失效的重要因素。
) W1 b  r5 i; ^9 N9 c. C
温度变化对半导体器件的影响：构成双极型半导体器件的基本单元P-N结对温度的变化很敏感，当P-N结反向偏置时，由少数载流子形成的反向漏电流受温度的变化影响，其关系为：

( I) i  ~1 b" I6 H$ Z) g3 J式中：ICQ―――温度T0C时的反向漏电流
6 H0 d3 [3 j" H9 a3 t        ICQR――温度TR℃时的反向漏电流
8 @' M& @7 m9 d        T－TR――温度变化的绝对值

: r% P  y9 f$ x/ x+ r3 K5 J8 _由上式可以看出，温度每升高10℃，ICQ将增加一倍。这将造成晶体管放大器的工作点发生漂移、晶体管电流放大系数发生变化、特性曲线发生变化，动态范围变小。

5 S0 a! p; ?9 ?5 s/ v; g1 _5 D& [温度与允许功耗的关系如下：

6 V  a  i. |! e; e8 {" s7 h式中：PCM―――最大允许功耗
           TjM―――最高允许结温
           T――――使用环境温度
           RT―――热阻

& J5 ?- {- @) I, l" d由上式可以看出，温度的升高将使晶体管的最大允许功耗下降。

由于P-N结的正向压降受温度的影响较大，所以用P-N为基本单元构成的双极型半导体逻辑元件（TTL、HTL等集成电路）的电压传输特性和抗干扰度也与温度有密切的关系。当温度升高时，P-N结的正向压降减小，其开门和关门电平都将减小，这就使得元件的低电平抗干扰电压容限随温度的升高而变小；高电平抗干扰电压容限随温度的升高而增大，造成输出电平偏移、波形失真、稳态失调，甚至热击穿。
1 `  R2 W* q0 Q# `* F


( N9 ^5 `  l6 B+ K- K温度变化对电阻的影响
' E5 l2 s3 z8 `: D7 {4 A2 X3 N温度变化对电阻的影响主要是温度升高时，电阻的热噪声增加，阻值偏离标称值，允许耗散概率下降等。比如，RXT系列的碳膜电阻在温度升高到100℃时，允许的耗散概率仅为标称值的20％。

但我们也可以利用电阻的这一特性，比如，有经过特殊设计的一类电阻：PTC（正温度系数热敏电阻）和NTC（负温度系数热敏电阻），它们的阻值受温度的影响很大。
- w# d; U5 Z+ w- F
对于PTC，当其温度升高到某一阈值时，其电阻值会急剧增大。利用这一特性，可将其用在电路板的过流保护电路中，当由于某种故障造成通过它的电流增加到其阈值电流后，PTC的温度急剧升高，同时，其电阻值变大，限制通过它的电流，达到对电路的保护。而故障排除后，通过它的电流减小，PTC的温度恢复正常，同时，其电阻值也恢复到其正常值。

" e2 h% o3 X1 G  D2 K. _对于NTC，它的特点是其电阻值随温度的升高而减小。

) {2 l1 I& d7 n# c2 u  h) d: x' `

温度变化对电容的影响
6 u; }5 E% v0 {' w; e# k. Z6 @. Z温度变化将引起电容的到介质损耗变化，从而影响其使用寿命。温度每升高10℃时，电容器的寿命就降低50％，同时还引起阻容时间常数变化，甚至发生因介质损耗过大而热击穿的情况。
" y+ ]  \. U- W( Z' E) A
* o! D" O1 ?6 G9 M% R  e7 u此外，温度升高也将使电感线圈、变压器、扼流圈等的绝缘性能下降。


7 v- n' s9 @- I
湿度导致失效
) _; v, ^5 v7 x/ `2 H3 R$ V湿度过高，当含有酸碱性的灰尘落到电路板上时，将腐蚀元器件的焊点与接线处，造成焊点脱落，接头断裂。
, l2 m8 B; _6 l
9 U/ t& N' ?/ `3 n" A湿度过高也是引起漏电耦合的主要原因。
: F" v! t. G, B# f
而湿度过低又容易产生静电，所以环境的湿度应控制在合理的水平。

过高电压导致器件失效
, ]" L5 M" J6 b: i2 a" Q施加在元器件上的电压稳定性是保证元器件正常工作的重要条件。过高的电压会增加元器件的热损耗，甚至造成电击穿。对于电容器而言，其失效率正比于电容电压的5次幂。对于集成电路而言，超过其最大允许电压值的电压将造成器件的直接损坏。
/ q# s! r$ y, l( v1 k% U
电压击穿是指电子器件都有能承受的最高耐压值，超过该允许值，器件存在失效风险。主动元件和被动元件失效的表现形式稍有差别，但也都有电压允许上限。晶体管元件都有耐压值，超过耐压值会对元件有损伤，比如超过二极管、电容等，电压超过元件的耐压值会导致它们击穿，如果能量很大会导致热击穿，元件会报废。


$ f$ O) _' c/ o. w
振动、冲击影响
机械振动与冲击会使一些内部有缺陷的元件加速失效，造成灾难性故障，机械振动还会使焊点、压线点发生松动，导致接触不良；若振动导致导线不应有的碰连，会产生一些意象不到的后果。

可能引起的故障模式，及失效分析。

+ w& u1 y! w8 E7 D电气过应力（Electrical Over Stress，EOS）是一种常见的损害电子器件的方式，是元器件常见的损坏原因，其表现方式是过压或者过流产生大量的热能，使元器件内部温度过高从而损坏元器件（大家常说的烧坏），是由电气系统中的脉冲导致的一种常见的损害电子器件的方式。

srilri2

件的失效直接受湿度、温度、电压、机械等因素的影响。