Hledá se pachatel

autor článku: James Bryant, Analog Devices

Otázka: Proč občas dochází bez zjevné příčiny k selhání součástek, které nejsou vystaveny elektrickému namáhání?

RAQ_130_1

 

Odpověď: Někdy přestanou fungovat v důsledku stáří, někdy je to namáhání, ale jak říkáte, příčina nebývá zjevná.

„Stáří“ znamená celkovou degradaci v důsledku fyzikálních nebo chemických změn. Je dobře známo, že elektrolytické kondenzátory a některé druhy tenkovrstvých kondenzátorů nakonec přestanou fungovat v důsledku chemických reakcí v dielektriku způsobených kombinací stopových nečistot (kyslík mimo jiné) a elektrického namáhání. Tak jak se vývoj struktur integrovaných obvodů řídí Moorovým zákonem a struktury se stále zmenšují, roste riziko migrace dotovacích příměsí při běžných provozních teplotách a následného selhání obvodů již v čase řádu desítek let, spíše než staletí. Dobře známý je rovněž jev únavy indukčností v důsledku magnetostrikce. Některé druhy odporových materiálů oxidují na vzduchu pomalu či rychleji, pokud se zvýší jeho vlhkost1 . Ani baterie nevydrží navěky.

Takže při výběru součástek je dobré rozumět jejich struktuře a možným poruchovým mechanizmům v důsledku jejich stárnutí, které se uplatňují i v případě když je zařízení provozováno v ideálních podmínkách. V tomto článku není prostor o takových mechanizmech podrobně diskutovat, ale většina uznávaných výrobců chápe otázku stárnutí součástek a jsou obvykle připraveni k diskuzi o životnosti a potenciálních poruchových mechanizmech. Mnoho výrobců zařízení má k dispozici publikace o jejich bezpečné životnosti a mechanizmech, které ji omezují2.

Tak či onak, zatímco u většiny elektronických součástek lze očekávat, že vydrží ve správných provozních podmínkách mnoho desetiletí nebo i déle, některé stále selhávají. Příčinou jsou často namáhání, která nebyla vzata v úvahu. Jednou z užitečných formulací Murphyho zákona říká: „Fyzikální zákony se nepřestanou uplatňovat jenom proto, že se právě nedíváme.“ Řadu mechanizmů vystavujících součástky namáhání je snadné přehlédnout.

Každý, kdo navrhuje elektroniku pro použití v námořním prostředí, bere v úvahu vliv slané tříště a vlhkosti – a opravdu by měl, jelikož se jedná o vliv přímo děsivý! Četná elektronická zařízení se mohou střetnout s menšími, ale stále potenciálně škodlivými chemickými výzvami. Lidský (a zvířecí) dech je vlhký a lehce kyselý. Kuchyň a jiná další domácí prostředí obsahují nejrůznější mírně korozivní výpary (bělící a desinfekční výpary, výpary z vaření, oleje a alkohol), z nichž žádný není zvláště škodlivý, ale neměli bychom předpokládat, že naše obvody stráví celý svůj život v dokonalém bezpečí. Konstruktéři by vždy měli brát v úvahu nepřízeň prostředí, které navržené obvody mají čelit, a tam kde je to možné z ergonomického hlediska, navrhovat zařízení cestou minimalizace potenciálního poškození.

Poškození elektrostatickým výbojem (ESD) je zatěžující mechanizmus, před kterým jsme trvale varováni, ale který stále bývá přehlížen. Poté co jsou DPS osazeny v továrně, kde je věnována maximální péče odstranění ESD v průběhu výrobního procesu, mnohé z nich pak slouží v zařízeních bez odpovídající ochrany před ESD, vznikajícím při běžné manipulaci. Přitom zajistit odpovídající ochranu není vůbec obtížné, ale obvykle znamená nějakou tu korunu nákladů navíc, a bývá proto vynechána. To se ale může ukázat šetřením na nepravém místě. Součástí každého návrhu by mělo být stanovení toho, jakých ochranných prostředků ESD je třeba pro elektroniku zařízení v těch nejkrajnějších provozních podmínkách a jejich realizace.

Dalším faktorem je přepětí. Jen málo lidí očekává, že polovodiče a kondenzátory jsou schopny přežít hrubé přepětí, ale často můžeme vidět rezistory o vysokých ohmických hodnotách vystavené napětím hrubě nad absolutně nejvyšší přípustnou hodnotou uvedenou v katalogovém listu. Problém nastane tehdy, pokud jsou jejich ohmické hodnoty tak vysoké, že se nezahřívají, ale přesto trpí vnitřními mikroskopickými obloukovými výboji a postupně směřují do oblasti mimo parametry, až nakonec dojde k jejich úplnému zkratování.
Velké odpory s drátovými vývody mají obvykle průrazná napětí v hodnotách mnoha stovek Voltů, takže tento problém v minulosti obvykle nenastával, ale dnešní miniaturní odpory pro plošnou montáž mohou mít průrazné napětí pod 30 V a být tak docela zranitelné vůči přepětí.

I vysoké proudy mohou způsobit potíže. Každý zná obyčejnou tavnou pojistku – kousek vodiče, který se zahřeje a roztaví, proteče-li jím příliš vysoký proud, a tak ochrání napájecí zdroje před zkraty a podobnými událostmi. Tam, kde se ale vyskytuje velmi vysoká proudová hustota ve velice tenkých vodičích, nemusí dojít k jejich přehřátí, přesto se však mohou nakonec přerušit. Příčinou je jev zvaný elektromigrace3 (někdy nazývaná iontová migrace). Jedná se o přenos materiálu způsobený postupným pohybem iontů ve vodiči v důsledku přenosu hybnosti mezi valenčními elektrony a difuzními atomy kovu. Tento proces způsobuje, že se tenké vodiče vedoucí velké proudy časem stávají tenčími, až nakonec dojde k jejich přerušení.

Některé součástky selžou na principu tavné pojistky – vodiče nebo vodivé cesty na polovodičovém čipu se roztaví. Častou příčinou velkých proudů, které to způsobí je vysoký nabíjecí proud kondenzátorů. Vezměme kondenzátor 1 µF s ekvivalentním sériovým odporem 1 Ω: pokud je připojen k síťovému napětí 230 V / 50 Hz, bude jím protékat proud s efektivní hodnotou 72 mA. Pokud jej však připojíme přesně v okamžiku vrcholové hodnoty napětí (230 * √2 = 325,2 V) jediným omezujícím faktorem bude ekvivalentní sériový odpor a obvodem poteče špičkový proud 325,2 A, i když v čase kratším než 1 µs. I to je však dost dlouhá doba na zničení mnoha polovodičových obvodů určených pro malé signály a opakované proudové rázy mohou zničit kondenzátor samotný, zejména jedná-li se o kondenzátor elektrolytický. Toto je obzvláště častou příčinou poruch levných spínaných síťových adaptérů, které se používají pro napájení malých elektronických zařízení. Pokud se zapojí do sítě v nevhodném okamžiku střídavého cyklu, usměrňovač i kondenzátory jsou nuceny přenést velmi vysoký proudový náraz, který nakonec může, pokud se tak stane mnohokrát, adaptér zničit. Malý odpor zapojený do série s usměrňovačem proudový náraz omezí a tím i popsaný problém minimalizuje4.

Pokud máme štěstí, ESD, přepětí / nadproud zničí součástky okamžitě – takže je jasné, že máme problém. Častěji však takové namáhání způsobí poškození, které se okamžitě neprojeví. K předčasnému selhání tak může dojít dlouho poté, kdy příčina namáhání, která k poškození vedla, již dávno pominula. Určení příčiny takové poruchy je velmi obtížné a může být nemožné.

Při návrhu jakéhokoliv obvodu je dobré zvážit životnost a poruchové mechanizmy použitých součástek, a také existují-li potenciální problémy a možné zdroje poruch v důsledku namáhání u součástek, které pracují v těch nejkrajnějších přípustných podmínkách použití. Jakékoli takové problémy by měly být vzaty v úvahu, a pokud je to možné, měly by být v konečné konstrukci minimalizovány.

 

Odkazy:
[1] viz aplikační poznámka Vishay:“Predictable Components Stability of Thin Film Resistors“
[2] některé užitečné publikace z Emerson Corp obsahují SL-24617: “The Efect of Regular, Skilled Preventive Maintenance and Remote Monitoring on Critical Power System Reliability,“ SL-24628:“Longevity of Key Components in Uninterruptible Power Systems,“ a SL-24630:“Capacitors Age and Capacitors Have an End of Life.“
[3] viz https://en.wikipedia.org/wiki/electromigration
[4] U malých napájecích zdrojů není pravděpodobné, že by malý vhodný odpor měl významnou tepelnou ztrátu (např. odpor 33 Ω ve zdroji 5 W/110 V udrží nárazy pod 5 A a vzniklá tepelná ztráta bude ˂70 mW), ale u větších zdrojů tohoto typu bude třeba použití termistoru.