工程师必知的哪些元器件失效机理

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工程师必知的哪些元器件失效机理

元件的失效直接受湿度、温度、电压、机械等因素的影响。

温度导致失效

环境温度是导致元件失效的重要因素。

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：


式中：ICQ―――温度T0C时的反向漏电流
        ICQR――温度TR℃时的反向漏电流
        T－TR――温度变化的绝对值

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。

温度与允许功耗的关系如下：
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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

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。

温度变化对电阻的影响

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。

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。

对于NTC，它的特点是其电阻值随温度的升高而减小。

温度变化对电容的影响

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。

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。

湿度导致失效

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。

湿度过高也是引起漏电耦合的主要原因。

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。

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过高电压导致器件失效

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。

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。

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。



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。

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