元器件突然失效有哪些原因?如何找到并更換？

為什么有時元器件會無緣無故失效？集成電路結(jié)構(gòu)遵循摩爾定律，變得越來越小。正常工作溫度下物的遷移導(dǎo)致器件在幾十年內(nèi)失效的風(fēng)險增加。此外，磁致伸縮引起的疲勞會導(dǎo)致電感機(jī)械疲勞，這是一種廣為人知的效果。有些類型的電阻材料會在空氣中緩慢氧化，當(dāng)空氣變得更加潮濕時，氧化速度會加快。

因此，在選擇設(shè)備時，有必要了解其結(jié)構(gòu)和可能的老化相關(guān)失效機(jī)制。即使在理想條件下使用設(shè)備，這些機(jī)制也可能受到影響。然而，在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下，大多數(shù)電子設(shè)備的預(yù)期壽命可以達(dá)到幾十年甚至更長，但有些仍然過早失效。原因往往是不被注意的壓力。任何在海洋環(huán)境中設(shè)計電子產(chǎn)品的人都會考慮鹽霧和濕度。事實上，許多電子設(shè)備可能會遇到不那么可怕的化學(xué)挑戰(zhàn)，但仍然可能造成傷害。設(shè)計師必須考慮電路遇到的環(huán)境挑戰(zhàn)。在經(jīng)濟(jì)可行的情況下，任何潛在的危害都應(yīng)該通過設(shè)計降到最低。

靜電損傷(ESD)是一種壓力機(jī)制，相關(guān)警告最常見，但我們往往視而不見。在PCB生產(chǎn)過程中，工廠會采取充分的措施來消除制造過程中的ESD，但是在交付之后，很多PCB般操作造成的ESD保護(hù)措施不足的系統(tǒng)。做好充分的保護(hù)并不難，只是會增加一點成本，所以經(jīng)常被忽視。評估系統(tǒng)電子器件在正常使用的最極端情況下需要什么樣的ESD保護(hù)，并考慮如何實現(xiàn)，應(yīng)該是所有設(shè)計的一部分。

另一個因素是過壓。很少有人要求半導(dǎo)體或電容即使受到重大過壓也是健康的，但大值電阻遇到遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)手冊中絕對最大值的電壓是常見現(xiàn)象。問題是:雖然其電阻值足夠高，不會變熱，但內(nèi)部可能會產(chǎn)生微小的電弧，導(dǎo)致其緩慢漂移，偏離規(guī)格，最終短路。大型繞線電阻通常有數(shù)百伏擊穿電壓，所以這個問題在過去并不常見，但現(xiàn)在小型表貼電阻被廣泛使用，擊穿電壓可能低于30伏，相當(dāng)容易受到過壓的影響。

大電流也會造成問題。大家都很熟悉普通的保險絲——它是一根導(dǎo)線。如果電流過大，會變熱熔斷，防止電源短路等類似問題。然而，如果一個非常小的導(dǎo)體有很高的電流密度，導(dǎo)體可能不會變得很熱，但最終可能會失效。原因是所謂的電遷移。也就是說，導(dǎo)電電子和擴(kuò)散金屬原子之間的動量傳遞導(dǎo)致體內(nèi)離子逐漸運動，產(chǎn)生物質(zhì)運輸效果。這著時間的推移，攜帶大直流電流的薄導(dǎo)體越來越薄，最終失效。

但有些部分會像保險絲一樣失效，即熔斷，如導(dǎo)線或半導(dǎo)體芯片上的導(dǎo)電接線。這種現(xiàn)象的一個常見原因是電容充電電流過大?？紤]到ESR為1ω的1HF電容，如果連接到110V和60Hz的交流電源，大約41mA的交流電流流過其中。但是，當(dāng)電壓處于最大值(110√2=155.6V)時，只有ESR會限制流量，峰值電流會達(dá)到155.6A，雖然它的持續(xù)時間不到1μs，但也足以損壞許多小信號半導(dǎo)體器件。

重復(fù)浪涌可能會損壞電容本身，尤其是電解電容。這是一種特別常見的故障機(jī)制，用于給小型電子設(shè)備充電。如果插入一個交流周期的錯誤時間，整流器和電容器將攜帶非常大的浪涌電流，如果多次發(fā)生，最終可能會損壞設(shè)備。用小電阻與整流器串聯(lián)，可以限制浪涌電流，最大限度地減少問題。

運氣好的話，ESD或過壓/過流事件會立即損壞設(shè)備，所以很容易知道問題。但更常見的情況是，壓力造成的損壞導(dǎo)致設(shè)備故障，最初導(dǎo)致故障的壓力已經(jīng)消失。診斷這種失效的原因是非常困難甚至不可能的。無論設(shè)計什么電路，都需要考慮所用設(shè)備的工作壽命和失效機(jī)制，以及在允許的極端使用條件下是否存在潛在問題或壓力源，以及設(shè)備是否會損壞。任何這樣的問題都要考慮，在最終的設(shè)計中盡量最小化。

那么如何有效地找到無效的電子元器件，更換或修復(fù)問題呢？

當(dāng)調(diào)試過程中，當(dāng)電路不能工作或工作異常時。首先，通過動態(tài)觀察法，在線路設(shè)備通電的情況下，通過聽、看、摸、聞等方法判斷電子元件的故障。例如：聽設(shè)備是否有異常聲音仔細(xì)看電路內(nèi)是否有冒煙、火花等情況；摸摸元件，電路是否發(fā)燙；聞聞是否有焦糊等氣味。也可以通過萬用表測量電路中的通斷，通過測量正常和異常電路中的各種值來判斷。

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