电容器件失效的原因是什么?

大家都知道,电解电容和某些类型的薄膜电容“终有一死”,原因是在微量杂质(氧气等)和电压力的共同作用下,其电介质会发生化学反应。

集成电路结构遵循摩尔定律,变得越来越小,正常工作温度下的掺杂物迁移导致器件在数十年(而非原来的数百年)内失效的风险在提高。另外,磁致伸缩引发的疲劳会使电感发生机械疲劳,这是一种广为人知的效应。某些类型的电阻材料会在空气中缓慢氧化,当空气变得更为潮湿时,氧化速度会加快。同样,没有人会期望电池永远有效。

因此,在选择器件时,有必要了解其结构和可能的老化相关失效机制;即使在理想条件下使用器件,这些机制也可能发生影响。本文不会详细讨论失效机制,但多数声誉良好的制造商会关注其产品的老化现象,对工作寿命和潜在失效机制通常都很熟悉。许多系统制造商针对其产品的安全工作寿命及其限制机制提供了相关资料。

然而,在适当的工作条件下,大多数电子器件的预期寿命可达数十年,甚至更长,但有些仍会过早失效。原因常常是不被人注意的压力。

在这个“非常见问题解答”栏目中,我们不断地提醒读者:一个引用墨菲定律的有用说法是“物理定律不会仅仅因为你没注意它而不起作用”。许多压力机制被轻易地忽视。

任何设计海洋环境下使用的电子产品的人,都会考虑盐雾和湿度—这是理所应当的,因为它们太可怕了!其实,许多电子设备都可能遭遇不那么可怕,但仍可能造成伤害的化学挑战。

人(和动物)的呼吸含有湿气,而且略呈酸性。厨房和其他家居环境包含各类轻度腐蚀性烟雾,如漂白剂、消毒剂、各类烹饪烟雾、油和酒精等,所有这些烟雾的危害都不是很大,但我们不应想当然地认为,我们的电路会在受到完好保护的条件下“安度终生”。设计人员务必要考虑电路会遇到的环境挑战,在经济可行的情况下,应当通过设计来将任何潜在危害降至较小。

静电损害(ESD)是一种压力机制,与此相关的警告是常见的,但我们往往视而不见。

PCB在生产时,工厂会采取充分措施来消除制造过程中的ESD,但交付后,许多PCB被用在对一般操作引起的ESD没有足够防护措施的系统中。做好充足的防护并不难,只是会增加少许成本,因而常常遭到忽略。(可能是因为经济不景气)。在正常使用的情况下评估系统电子器件需要何种ESD保护并考虑如何实现,应当成为所有设计的一部分。

另一个因素是过压。很少有人要求半导体或电容即使遭受重大过压也无恙,但大值电阻遇到远大于数据手册所列较大值的电压是常见现象。问题在于:虽然其阻值足够高,不会变热,但内部可能产生微小电弧,导致其缓慢漂移而偏离规格,形成短路。大的绕线电阻通常具有数百伏的击穿电压,因此,过去这个问题并不常见,但如今广泛使用小型表贴电阻,其击穿电压可能低于30 V,相当容易受过压影响。

大电流也会造成问题。大家都很熟悉普通保险丝—它是一段导线,如有过大电流流经其中,它就会变热并熔断,从而防止电源短路及其他类似问题。但是,若在非常小的导体中有较高的电流密度,导体可能不会变得非常热,不过仍可能失效。

原因是所谓的电迁移3(有时也称为离子迁移)。即导电电子与扩散金属原子之间的动量传递导致导体中的离子逐渐运动,引起物质运输效应。这使得携带大直流电流的薄导体随着时间推移而变得越来越薄,但是后来还是失效。

但有些部分会像保险丝一样失效,即熔断,比如导线或半导体芯片上的导电走线。大电流造成这种现象的一个常见原因是电容充电电流太大。考虑一个ESR为1 Ω的1 µF电容,如果将它连接在110 V、60 Hz交流电源上,则有大约41 mA的交流电流流经其中。但如果在电压处于较大值(110√2 = 155.6 V)时连接到交流电源,则只有ESR会限流,峰值电流将达到155.6 A,尽管其持续时间不到1 μs,也足以损坏许多小信号半导体器件。

重复发生浪涌可能会损坏电容本身,尤其是电解电容。在用于给小型电子设备充电的廉价低压开关电源(“壁式电源适配器”)中,这是特别常见的失效机制。如果在一个交流周期的错误时间插入,整流器和电容就会携带非常大的浪涌电流,这种情况若多次发生,可能会损坏器件。用一个小电阻与整流器串联,可以限制此浪涌电流,使问题较小化。

如果我们很幸运,ESD或过压/过流事件会立即损坏器件,这样很容易知道问题所在。但更常见的情况是,压力引起的损害导致器件失效,而开始引发故障的压力早已消失。要诊断此类失效的原因是非常困难的,甚至是不可能的。

无论设计什么电路,都有必要考虑所用器件的工作寿命和失效机制,以及在容许的使用条件下,是否有任何潜在问题或压力源会导致器件受损。任何此类问题都应当考虑,并尽可能在设计中予以较小化。

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参考文献

1. 参见V i s h a y 应用笔记:“可预测的器件:薄膜电阻的稳定性。”

2. 来自Emerson Corp的一些有用文章包括SL-24617:“有技巧的定期预防性维护和远程监控对关键电源系统稳定性的影响,”SL-24628:“不间断电源系统中关键器件的长寿秘诀,”;以及SL-24630:“电容会老化且‘终有一死’。”

3. 请参见https://en.wikipedia.org/wiki/electromigration。

4. 对于低功率电源,适当的电阻不太可能消耗大量功率(例如在5W/110V电源中,一个33 Ω电阻会将浪涌保持在5 A以下,且功耗小于70 mW),但若此类电源较大,可能需要使用热敏电阻。