Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: Kto popsuł mój układ scalony?

ghost666 19 Cze 2016 16:43 3501 0
  • Rzadko zadawane pytania: Kto popsuł mój układ scalony?
    Pytanie: Dlaczego czasami układy scalone, bez żadnej wyraźnej przyczyny, po prostu padają?

    Odpowiedź: Czasami umierają po prostu ze starości, a czasami przyczyna nie jest taka wyraźna.

    W przypadku komponentów elektronicznych "starość" to termin, który związany jest z degradacją elementów aktywnych układów, na skutek działania procesów fizycznych i chemicznych. Wszyscy dobrze wiedzą, że kondensatory elektrolityczne po jakimś czasie tracą swoje parametry na skutek reakcji chemicznych, jakie zachodzą pomiędzy dielektrykiem w elemencie a śladowymi zanieczyszczeniami takimi jak np. tlen, które znalazły się w elemencie. Jeśli kondensator taki jest spolaryzowany, to reakcje te istotnie przyspieszają.

    W przypadku układów scalonych prawo Moora powoduje, że struktury aktywne (tranzystory etc.) w układzie produkowane są coraz mniejsze. Im mniejszy jest element w strukturze półprzewodnikowej, tym ryzyko uszkodzenia go na skutek elektromigracji czy migracji domieszek jest większe. Zjawiska te zachodzą nawet dla temperatury pokojowej i zmniejszają oczekiwanego życia układu pracującego w systemie z setek do dziesiątek lat.

    Czas nie oszczędza też indukcyjności. Zjawiska magnetostrykcyjne w pracującej cewce naprężają ją, co doprowadza do osłabienia i w konsekwencji uszkodzenia mechanicznego tego elementu. W przypadku rezystorów największym problemem jest utlenianie materiału oporowego, które - o ile powolne w suchym powietrzu - nasila się dla wielu elementów wraz ze wzrostem wilgotności. Akumulatory są tak doskonale znanym przykładem "zużywania się" elementów, że wystarczy tylko dodać je do tej listy.

    Tak więc warto pamiętać, że np. dobierając elementy do konstrukcji urządzenia elektronicznego, trzeba być świadomym, jakie są potencjalne awarie poszczególnych komponentów i jaka jest skala czasowa ich występowania. Oba te czynniki są zależne od warunków pracy układu, ale nawet w idealnym środowisko układy będą się starzeć. Istnieje sporo literatury na ten temat, z którą można się zapoznać, aby uzyskać dokładniejsze dane.

    Jednakże czas życia większości elementów elektronicznych, pracujących w warunkach mieszczących się w ich specyfikacji, to co najmniej dziesiątki lat. Mimo to czasami zdarza się, że układy odchodzą z tego świata znacznie szybciej, a przyczyną tego są różne, często nieuwzględniane, czynniki wpływające na dany element. Jak często przypominano na łamach Rzadko Zadawanych Pytań "Prawa fizyki obowiązują nawet, jak nie patrzymy" - wynika to bezpośrednio z samej fizyki, ale i praw Murphy'ego - to, że przeoczyliśmy np. jakiś mechanizm degradacji układu, nie oznacza, że nie będzie on postępował - najczęściej wręcz przeciwnie. ;)





    Wszyscy inżynierowie projektujący systemy mające pracować na morzu uwzględniają wpływ soli i wilgotności na działanie układu, co jest w pełni uzasadnione - czynniki te bardzo negatywnie wpływają na elementy elektroniczne. Jednakże układy pracujące na lądzie też są wystawione na niebezpieczne czynniki chemiczne. Na przykład ludzki czy zwierzęcy oddech - nie dość, że zawiera sporo pary wodnej, to charakteryzuje się lekko kwaśnym pH.

    Układy elektroniczne pracujące w domu, np. w kuchni, narażone są na wiele różnych par czy sprejów, środków stosowanych w domu - wybielacze, płyny do dezynfekcji, oleje czy substancje powstające przy np. gotowaniu. Żaden z tych czynników nie jest tak niebezpieczny jak np. woda morska, ale ich obecność sprawia, że nie możemy zakładać, że nasz system całe swoje życie spędzi w 100% bezpiecznych warunkach, izolowanych od otoczenia. Projektując urządzenia domowe, pamiętajmy o tym i starajmy się, aby były one możliwie zabezpieczone przed uszkodzeniem na wskutek kontaktu z "prawdziwym światem".

    Innym mechanizmem, mogącym wpływać na skrócenie czasu życia elementów elektronicznych czy wręcz na ich uszkodzenie, są wyładowania elektrostatyczne. Wszyscy doskonale wiedzą o tym, jak łatwo wyładowania ESD mogą zabić układ scalony, a mimo to często producenci układów nie dbają o wprowadzenie w projekcie odpowiednich zabezpieczeń przed tym zagrożeniem. Oczywiście, zwiększa to minimalnie koszt produkcji układu, ale jest to bardzo ważne, gdyż niezabezpieczone urządzenie uszkodzone może zostać nawet podczas normalnej pracy i ostrożnym obchodzeniu się z nim. Istotnym krokiem podczas projektowania urządzenia powinna być ocena układu pod kątem możliwych zagrożeń wyładowaniami ESD i wprowadzenie odpowiednich zabezpieczeń, jeśli okaże się to potrzebne.

    Zbyt wysokie napięcie pracy to kolejny czynnik uszkodzenia elementów dyskretnych, zwłaszcza wielu elementów pasywnych - nikt nie spodziewa się, że układ scalony przeżyje podłączenie zbyt wysokiego napięcia zasilania, a mimo to wszyscy spodziewają się, że np. rezystor pracować będzie bezproblemowo przy napięciach przekraczających te, jakie zapisano w jego karcie katalogowej. Przy dużej rezystancji elementu płynący przez niego prąd nie będzie zazwyczaj duży, a układ nie będzie się grzał do wysokich temperatur, a mimo to w jego strukturze następować mogą np. mikrowyładowania - takie mikroskopowe łuki elektryczne powodować będą postępującą szybko degradację elementu, a w konsekwencji dryft jego parametrów elektrycznych. Finalnie element ten zakończyć może swój żywot, zwierając układ. Problem ten był niespotykany w przeszłości, gdyż typowe oporniki do montażu przewlekanego pracować mogą przy bardzo dużych napięciach sięgających setek woltów. Jednakże w przypadku malutkich elementów SMD sprawa ma się inaczej - wiele z tych elementów pracować może np. z napięciami nie przekraczającymi 30 V - są one bardzo podatne na uszkodzenie związane z nadmiernym napięciem.

    Tak jak zbyt wysokie napięcie, tak i za duży prąd może z czasem uszkodzić nasz element. Tak jak nadmierny prąd przepala drucik w bezpieczniku, tak duża gęstość prądu płynąca przez przewodnik w układzie scalonym może spowodować jego szybszą degradację, na skutek zjawiska zwanego elektromigracją. Elektromigracja lub jonomigracja to zjawiska, na skutek których np. metalizacja lub zaimplantowane jony ulegają transportowi w strukturze półprzewodnika na skutek płynącego przez element prądu elektryczny. (Zjawisko elektromigracji - jego fizyczne podstawy i implikacje jakie ma w dobie układów elektronicznych o nanometrowej wielkości elementach doskonale opisuje ten artykuł. Jeśli chcecie, mogę go przetłumaczyć - proszę o wspomnienie o tym w komentarzu - przyp. red.) Finalnym efektem elektromigracji jonów jest przerwanie obwodu elektrycznego i awaria układu.

    Niektóre elementy będą jednak przepalały się od razu - rezystory, ścieżki układów scalonych etc. - stopią się w zbyt wysokiej temperaturze podczas przepływania dużego prądu. Na szczególną uwagę zasługują tutaj jednakże kondensatory. Rozważmy kondensator o pojemności 1 µF z ESR równym 1 Ω; jeśli podepniemy do go sieci zasilającej 110 V, 60 Hz, to przez kondensator przepłynie niewielki prąd skuteczny 41 mA. Ale jeśli podłączony zostanie on do napięcia sieciowego, gdy osiąga ono maksimum (110 * √2 V = 155,6 V), to jedyne, co ogranicza płynący prąd, to ESR elementu, więc przez kondensator popłynie prąd 155,6 A (!) - przez około mikrosekundę. Ten czas to dostatecznie długo, aby uszkodzić zarówno rozmaite elementy elektroniczne połączone z kondensatorem, jak i sam kondensator. Ten mechanizm jest niezwykle częsty podczas awarii tanich zasilaczy wtyczkowych - jeśli mamy pecha i włożymy np. ładowarkę do gniazdka w złym momencie, to na kondensator za mostkiem prostowniczym, przyłożone zostanie bardzo wysokie napięcie, co spowoduje krótkotrwały przepływ dużego prądu. Pojedyncza sytuacja tego rodzaju nie powinna spowodować awarii, jednakże powtarzające się impulsy prądu tego rzędu mogą w końcu kondensator czy mostek prostowniczy uszkodzić. Aby ograniczyć ten prąd, stosuje się często opornik wpięty w układ szeregowo z kondensatorem, co pozwala zminimalizować prąd i negatywny wpływ na elementy w zasilaczu.

    Jeśli mamy szczęście, to zjawiska opisane powyżej - wyładowania ESD, nadmierny prąd czy napięcie pracy - zabiją układ miejscu. Wtedy przyczyna jego zgonu jest dosyć jasna, ale w wielu przypadkach jest tak, że układ jedynie starzeje się szybciej, na skutek opisanych powyżej czynników. Oczywiście, po jakimś czasie układ zawiedzie i odejdzie z tego świata, ale w takiej sytuacji analiza, co było powodem jego uszkodzenia, jest o wiele trudniejsza.

    Podsumowując, o analizie potencjalnych schematów awarii elementów elektronicznych myśleć należy już na etapie projektowania systemu. Poznanie potencjalnych problemów i źródeł zagrożeń dla naszych elementów może pozwolić: po pierwsze - na ich eliminację i uniknięcie uszkodzenia urządzenia, a po drugie, jeśli już do awarii dojdzie - na szybkie rozpoznanie przyczyny jej wystąpienia i eliminację tego rodzaju sytuacji w finalnym projekcie, który trafić ma np. do produkcji masowej.

    Źródło: Link


    Fajne!