James Bryant

組件中的“老年”是由于物理或化學(xué)變化引起的累積降解。眾所周知，電解電容器和某些類型的薄膜電容器最終會(huì)由于微量雜質(zhì)（氧氣等）和電應(yīng)力的組合引起的電介質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)而死亡。隨著集成電路結(jié)構(gòu)遵循摩爾定律并變得越來越小，在正常工作溫度下?lián)诫s劑遷移導(dǎo)致數(shù)十年而不是幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)會(huì)增加，并且由于磁致伸縮引起的疲勞而導(dǎo)致電感器的機(jī)械疲勞是眾所周知的影響。某些類型的電阻材料在空氣中氧化緩慢，隨著空氣變得更加潮濕，氧化速度更快。也沒有人希望電池能永遠(yuǎn)持續(xù)下去。

因此，在選擇組件時(shí)，最好了解其結(jié)構(gòu)以及即使在理想條件下使用設(shè)備也可能運(yùn)行的與年齡相關(guān)的故障機(jī)制。本專欄不是詳細(xì)討論此類機(jī)制的地方，但大多數(shù)信譽(yù)良好的制造商都會(huì)了解其產(chǎn)品的老化情況，并且通常準(zhǔn)備討論使用壽命和潛在的故障機(jī)制 - 許多系統(tǒng)制造商都有關(guān)于其產(chǎn)品安全使用壽命和限制機(jī)制的出版物。

然而，在正確的工作條件下，大多數(shù)電子元件可以預(yù)期持續(xù)數(shù)十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，但其中一些仍然會(huì)死亡。原因往往是未考慮的壓力。

正如我們不斷提醒讀者這個(gè)RAQ專欄的那樣，墨菲定律的一個(gè)更有用的表述是“物理定律不會(huì)因?yàn)槟悴蛔⒁舛Ｖ构ぷ鳌ＴS多壓力機(jī)制很容易被忽視。

每個(gè)設(shè)計(jì)用于海洋環(huán)境的電子產(chǎn)品的人都會(huì)考慮鹽霧和濕度的影響——他們應(yīng)該這樣做，它們太可怕了！但許多電子設(shè)備可能會(huì)遇到較小但仍然具有潛在破壞性的化學(xué)挑戰(zhàn)。人類（和動(dòng)物）的呼吸是潮濕的，略帶酸性。廚房和其他家庭環(huán)境含有各種類型的輕度腐蝕性煙霧（漂白劑、消毒劑、各種烹飪煙霧以及油和烈酒）——這些都不是非常有害的，但我們不應(yīng)該假設(shè)我們的電路將在完全保護(hù)的安全中度過一生。設(shè)計(jì)人員應(yīng)始終考慮其電路將遇到的環(huán)境挑戰(zhàn)，并在經(jīng)濟(jì)可行的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)，以盡量減少任何潛在損害。

靜電損傷（ESD）是我們不斷被警告但仍然經(jīng)常被忽視的一種壓力機(jī)制。在制造過程中盡一切努力消除ESD的工廠中制造后，許多PCB用于沒有足夠保護(hù)免受正常處理引起的ESD的系統(tǒng)。充分的保護(hù)并不難，但它可能會(huì)增加幾美分的成本，因此被省略了。這可能是經(jīng)濟(jì)不景氣。每個(gè)設(shè)計(jì)的一部分都應(yīng)該評(píng)估系統(tǒng)電子設(shè)備在最極端的正常使用條件下需要哪些ESD保護(hù)及其實(shí)施。

過壓是另一個(gè)因素。很少有人期望半導(dǎo)體或電容器能夠承受粗過壓，但通常看到高值電阻承受的電壓大大大于數(shù)據(jù)手冊(cè)上的絕對(duì)最大值。問題在于，如果它們的電阻足夠高，它們就不會(huì)變熱，但它們可能會(huì)遭受微觀的內(nèi)部電弧并慢慢偏離規(guī)格，最終短路。大型線端電阻器通常具有數(shù)百伏的擊穿電壓，因此這個(gè)問題在過去并不常見，但今天的微型表面貼裝電阻器的擊穿電壓可能低于30 V，并且非常容易受到過壓的影響。

大電流也會(huì)引起問題。每個(gè)人都熟悉常見的保險(xiǎn)絲 - 一根電線，如果電流過大，它會(huì)加熱并熔化，從而保護(hù)電源免受短路和類似問題的影響。但是，在非常小的導(dǎo)體中存在非常高的電流密度時(shí)，它們可能不會(huì)變得很熱，但最終仍可能失效。原因是電遷移3（有時(shí)稱為離子遷移）。這是由于導(dǎo)電電子和擴(kuò)散金屬原子之間的動(dòng)量轉(zhuǎn)移，由導(dǎo)體中離子逐漸運(yùn)動(dòng)引起的材料傳輸。這會(huì)導(dǎo)致承載高直流電流的細(xì)導(dǎo)體隨著時(shí)間的推移而變薄，并最終失效。

但有些組件會(huì)像保險(xiǎn)絲一樣失效——導(dǎo)線或半導(dǎo)體芯片上的導(dǎo)電軌道會(huì)熔化。造成這種情況的高電流的常見原因是高電容器充電電流。考慮一個(gè)ESR為1 Ω的1 μF電容：如果它連接在110 V、60 Hz電源上，則其中將流過約41 mA rms的交流電。但是，如果它在確切的時(shí)間連接到電源，則電壓為最大值（110√2 = 155.6 V），唯一的電流限制是ESR，并且將流動(dòng)155.6 A的峰值電流，盡管不到一微秒。但這足以破壞許多小信號(hào)半導(dǎo)體器件，反復(fù)的電流浪涌可能會(huì)損壞電容器本身，特別是如果是電解電容器。這是用于為小型電子設(shè)備充電的廉價(jià)低壓開關(guān)電源（“壁式電源適配器”）中特別常見的故障機(jī)制——如果在交流周期的錯(cuò)誤部分插入，整流器和電容器會(huì)攜帶非常大的浪涌，當(dāng)它發(fā)生多次時(shí)，最終可能會(huì)破壞它們。與整流器串聯(lián)的小電阻可限制此浪涌電流，并將問題降至最低。

如果幸運(yùn)的話，ESD或過壓/過流會(huì)立即破壞組件，因此很明顯存在問題。然而，更常見的是，這種壓力可能會(huì)造成損害，導(dǎo)致過早死亡，在引發(fā)故障的壓力消失很久之后。診斷這種故障的原因非常困難，可能是不可能的。

在設(shè)計(jì)任何電路時(shí)，最好考慮所用組件的壽命和故障機(jī)制，以及在最極端的允許使用條件下是否存在任何潛在問題和可能的應(yīng)力損壞源。在最終設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮任何此類問題，并在可能的情況下盡量減少這些問題。

審核編輯：郭婷