James Bryant

組件中的“老年”是由于物理或化學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由于微量雜質（氧氣等）和電應力的組合引起的電介質中的化學反應而死亡。隨著集成電路結構遵循摩爾定律并變得越來越小，在正常工作溫度下摻雜劑遷移導致數十年而不是幾個世紀內發生故障的風險確實會增加，并且由于磁致伸縮引起的疲勞而導致電感器的機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持續下去。

因此，在選擇組件時，最好了解其結構以及即使在理想條件下使用設備也可能運行的與年齡相關的故障機制。本專欄不是詳細討論此類機制的地方，但大多數信譽良好的制造商都會了解其產品的老化情況，并且通常準備討論使用壽命和潛在的故障機制 - 許多系統制造商都有關于其產品安全使用壽命和限制機制的出版物。

然而，在正確的工作條件下，大多數電子元件可以預期持續數十年甚至更長時間，但其中一些仍然會死亡。原因往往是未考慮的壓力。

正如我們不斷提醒讀者這個RAQ專欄的那樣，墨菲定律的一個更有用的表述是“物理定律不會因為你不注意而停止工作。許多壓力機制很容易被忽視。

每個設計用于海洋環境的電子產品的人都會考慮鹽霧和濕度的影響——他們應該這樣做，它們太可怕了！但許多電子設備可能會遇到較小但仍然具有潛在破壞性的化學挑戰。人類（和動物）的呼吸是潮濕的，略帶酸性。廚房和其他家庭環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，但我們不應該假設我們的電路將在完全保護的安全中度過一生。設計人員應始終考慮其電路將遇到的環境挑戰，并在經濟可行的情況下進行設計，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常被忽視的一種壓力機制。在制造過程中盡一切努力消除ESD的工廠中制造后，許多PCB用于沒有足夠保護免受正常處理引起的ESD的系統。充分的保護并不難，但它可能會增加幾美分的成本，因此被省略了。這可能是經濟不景氣。每個設計的一部分都應該評估系統電子設備在最極端的正常使用條件下需要哪些ESD保護及其實施。

過壓是另一個因素。很少有人期望半導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據手冊上的絕對最大值。問題在于，如果它們的電阻足夠高，它們就不會變熱，但它們可能會遭受微觀的內部電弧并慢慢偏離規格，最終短路。大型線端電阻器通常具有數百伏的擊穿電壓，因此這個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。

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

但有些組件會像保險絲一樣失效——導線或半導體芯片上的導電軌道會熔化。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半導體器件，反復的電流浪涌可能會損壞電容器本身，特別是如果是電解電容器。這是用于為小型電子設備充電的廉價低壓開關電源（“壁式電源適配器”）中特別常見的故障機制——如果在交流周期的錯誤部分插入，整流器和電容器會攜帶非常大的浪涌，當它發生多次時，最終可能會破壞它們。與整流器串聯的小電阻可限制此浪涌電流，并將問題降至最低。

如果幸運的話，ESD或過壓/過流會立即破壞組件，因此很明顯存在問題。然而，更常見的是，這種壓力可能會造成損害，導致過早死亡，在引發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。

在設計任何電路時，最好考慮所用組件的壽命和故障機制，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力損壞源。在最終設計中應考慮任何此類問題，并在可能的情況下盡量減少這些問題。

審核編輯：郭婷