問

為什么未遭受壓力的器件有時候會無緣無故地失效？

有時候器件是“壽終正寢”，有時候是存在壓力但不明顯。

答

器件的“壽終正寢”是一種源于物理或化學變化的累積性衰退效應。

大家都知道，電解電容和某些類型的薄膜電容“終有一死”，原因是在微量雜質（氧氣等）和電壓力的共同作用下，其電介質會發(fā)生化學反應。

集成電路結構遵循摩爾定律，變得越來越小，正常工作溫度下的摻雜物遷移導致器件在數(shù)十年（而非原來的數(shù)百年）內失效的風險在提高。另外，磁致伸縮引發(fā)的疲勞會使電感發(fā)生機械疲勞，這是一種廣為人知的效應。某些類型的電阻材料會在空氣中緩慢氧化，當空氣變得更為潮濕時，氧化速度會加快。同樣，沒有人會期望電池永遠有效。

因此，在選擇器件時，有必要了解其結構和可能的老化相關失效機制；即使在理想條件下使用器件，這些機制也可能發(fā)生影響。本文不會詳細討論失效機制，但多數(shù)聲譽良好的制造商會關注其產(chǎn)品的老化現(xiàn)象，對工作壽命和潛在失效機制通常都很熟悉。許多系統(tǒng)制造商針對其產(chǎn)品的安全工作壽命及其限制機制提供了相關資料。

然而，在適當?shù)墓ぷ鳁l件下，大多數(shù)電子器件的預期壽命可達數(shù)十年，甚至更長，但有些仍會過早失效。原因常常是不被人注意的壓力。

在這個“非常見問題解答”欄目中，我們不斷地提醒讀者：一個引用墨菲定律的有用說法是“物理定律不會僅僅因為你沒注意它而不起作用”。許多壓力機制被輕易地忽視。

任何設計海洋環(huán)境下使用的電子產(chǎn)品的人，都會考慮鹽霧和濕度—這是理所應當?shù)模驗樗鼈兲膳铝耍∑鋵崳S多電子設備都可能遭遇不那么可怕，但仍可能造成傷害的化學挑戰(zhàn)。

人（和動物）的呼吸含有濕氣，而且略呈酸性。廚房和其他家居環(huán)境包含各類輕度腐蝕性煙霧，如漂白劑、消毒劑、各類烹飪煙霧、油和酒精等，所有這些煙霧的危害都不是很大，但我們不應想當然地認為，我們的電路會在受到完好保護的條件下“安度終生”。設計人員務必要考慮電路會遇到的環(huán)境挑戰(zhàn)，在經(jīng)濟可行的情況下，應當通過設計來將任何潛在危害降至最小。

靜電損害(ESD)是一種壓力機制，與此相關的警告是最常見的，但我們往往視而不見。

PCB在生產(chǎn)時，工廠會采取充分措施來消除制造過程中的ESD，但交付后，許多PCB被用在對一般操作引起的ESD沒有足夠防護措施的系統(tǒng)中。做好充足的防護并不難，只是會增加少許成本，因而常常遭到忽略。（可能是因為經(jīng)濟不景氣）。在正常使用的最極端情況下評估系統(tǒng)電子器件需要何種ESD保護并考慮如何實現(xiàn)，應當成為所有設計的一部分。 

另一個因素是過壓。

大電流也會造成問題。

但有些部分會像保險絲一樣失效，即熔斷，比如導線或半導體芯片上的導電走線。

大電流造成這種現(xiàn)象的一個常見原因是電容充電電流太大。考慮一個ESR為1 Ω的1 μF電容，如果將它連接在110 V、60 Hz交流電源上，則有大約41 mA的交流電流流經(jīng)其中。但如果在電壓處于最大值(110√2 = 155.6 V)時連接到交流電源，則只有ESR會限流，峰值電流將達到155.6 A，盡管其持續(xù)時間不到1 μs，也足以損壞許多小信號半導體器件。

重復發(fā)生浪涌可能會損壞電容本身，尤其是電解電容。

在用于給小型電子設備充電的廉價低壓開關電源（“壁式電源適配器”）中，這是特別常見的失效機制。如果在一個交流周期的錯誤時間插入，整流器和電容就會攜帶非常大的浪涌電流，這種情況若多次發(fā)生，最終可能會損壞器件。用一個小電阻與整流器串聯(lián)，可以限制此浪涌電流，使問題最小化。

如果我們很幸運，ESD或過壓/過流事件會立即損壞器件，這樣很容易知道問題所在。但更常見的情況是，壓力引起的損害導致器件失效，而最開始引發(fā)故障的壓力早已消失。要診斷此類失效的原因是非常困難的，甚至是不可能的。

無論設計什么電路，都有必要考慮所用器件的工作壽命和失效機制，以及在容許的最極端使用條件下，是否有任何潛在問題或壓力源會導致器件受損。任何此類問題都應當考慮，并盡可能在最終設計中予以最小化。