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元器件失效機理有哪些?

日期:2020/11/27 9:59:13
摘要:元件的失效直接受濕度、溫度、電壓、機械等因素的影響。

1、溫度導致失效:

1.1環境溫度是導致元件失效的重要因素。
溫度變化對半導體器件的影響:構成雙極型半導體器件的基本單元P-N結對溫度的變化很敏感,當P-N結反向偏置時,由少數載流子形成的反向漏電流受溫度的變化影響,其關系為:

式中:ICQ―――溫度T0C時的反向漏電流 _ _ _ ICQR――溫度TR℃時的反向漏電流T-TR――溫度變化的絕對值
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發生漂移、晶體管電流放大系數發生變化、特性曲線發生變化,動態范圍變小。
溫度與允許功耗的關系如下:

式中:PCM―――最大允許功耗 _ _ _ TjM―――最高允許結溫 _ _ _ T――――使用環境溫度 _ _ _ 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結的正向壓降受溫度的影響較大,所以用P-N為基本單元構成的雙極型半導體邏輯元件(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系。當溫度升高時,P-N結的正向壓降減小,其開門和關門電平都將減小,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、穩態失調,甚至熱擊穿。

2、溫度變化的影響
2.1 溫度變化對電阻的影響
溫度變化對電阻的影響主要是溫度升高時,電阻的熱噪聲增加,阻值偏離標稱值,允許耗散概率下降等。比如,RXT系列的碳膜電阻在溫度升高到100℃時,允許的耗散概率僅為標稱值的20%。
但我們也可以利用電阻的這一特性,比如,有經過特殊設計的一類電阻:PTC(正溫度系數熱敏電阻)和NTC(負溫度系數熱敏電阻),它們的阻值受溫度的影響很大。
對于PTC,當其溫度升高到某一閾值時,其電阻值會急劇增大。利用這一特性,可將其用在電路板的過流保護電路中,當由于某種故障造成通過它的電流增加到其閾值電流后,PTC的溫度急劇升高,同時,其電阻值變大,限制通過它的電流,達到對電路的保護。而故障排除后,通過它的電流減小,PTC的溫度恢復正常,同時,其電阻值也恢復到其正常值。
對于NTC,它的特點是其電阻值隨溫度的升高而減小。
2.2溫度變化對電容的影響
溫度變化將引起電容的到介質損耗變化,從而影響其使用壽命。溫度每升高10℃時,電容器的壽命就降低50%,同時還引起阻容時間常數變化,甚至發生因介質損耗過大而熱擊穿的情況。
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。
3、濕度導致失效
濕度過高,當含有酸堿性的灰塵落到電路板上時,將腐蝕元器件的焊點與接線處,造成焊點脫落,接頭斷裂。
濕度過高也是引起漏電耦合的主要原因。
而濕度過低又容易產生靜電,所以環境的濕度應控制在合理的水平。


4、過高電壓導致器件失效
施加在元器件上的電壓穩定性是保證元器件正常工作的重要條件。過高的電壓會增加元器件的熱損耗,甚至造成電擊穿。對于電容器而言,其失效率正比于電容電壓的5次冪。對于集成電路而言,超過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,超過該允許值,器件存在失效風險。主動元件和被動元件失效的表現形式稍有差別,但也都有電壓允許上限。晶體管元件都有耐壓值,超過耐壓值會對元件有損傷,比如超過二極管、電容等,電壓超過元件的耐壓值會導致它們擊穿,如果能量很大會導致熱擊穿,元件會報廢。
5、振動、沖擊影響:
機械振動與沖擊會使一些內部有缺陷的元件加速失效,造成災難性故障,機械振動還會使焊點、壓線點發生松動,導致接觸不良;若振動導致導線不應有的碰連,會產生一些意象不到的后果。
可能引起的故障模式,及失效分析。

電氣過應力(Electrical Over Stress,EOS)是一種常見的損害電子器件的方式,是元器件常見的損壞原因,其表現方式是過壓或者過流產生大量的熱能,使元器件內部溫度過高從而損壞元器件(大家常說的燒壞),是由電氣系統中的脈沖導致的一種常見的損害電子器件的方式。

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