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1、器件失效與溫度的關(guān)系

 

器件極限溫度承受能力是高壓線，超過(guò)后失效率劇增，使用中不允許超過(guò)。在極限溫度以內(nèi)，器件失效率與溫度仍然強(qiáng)相關(guān)，失效率隨著溫度升高而增加。

 

問(wèn)題：是否存在一個(gè)安全溫度點(diǎn)，只要不超過(guò)這個(gè)溫度點(diǎn)，失效率與溫度關(guān)系就不密切？

 

答案：理論與實(shí)際表明，多數(shù)情況下不存在這樣的溫度點(diǎn)。器件的失效率始終與溫度相關(guān)，只是高于某個(gè)溫度點(diǎn)之后，失效率會(huì)急劇上升，出現(xiàn)拐點(diǎn)。

 

 

降額設(shè)計(jì)就是使元器件或產(chǎn)品工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷虍a(chǎn)品規(guī)定的額定值，從而達(dá)到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。20世紀(jì)50年代，日本人發(fā)現(xiàn)，溫度降低10℃，元器件的失效率可降低一半以上。實(shí)踐證明，對(duì)元器件的某些參數(shù)適當(dāng)降額使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性。因電子產(chǎn)品的可靠性對(duì)其電應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，故而降額設(shè)計(jì)技術(shù)和熱設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品則顯得尤為重要。

 

一款流量計(jì)的電源前期設(shè)計(jì)，未采用降額設(shè)計(jì)，其調(diào)整管僅按計(jì)算其功耗為0.8W（在常溫20℃～25℃），選用額定功率為1W的晶體管。結(jié)果在調(diào)試時(shí)和在用戶使用中發(fā)生故障頻繁。分析其原因主要是該管額定功耗1W時(shí)的環(huán)境溫度為25℃，而實(shí)際工作時(shí)該管處于的環(huán)境溫度為60℃，此管此時(shí)實(shí)際最大功耗已達(dá)1W。經(jīng)可靠性工程師分析和建議，選用同參數(shù)2W的晶體管，這時(shí)降額系數(shù)S≈0.5。因而產(chǎn)品的故障很快得到解決。

 

2、溫度循環(huán)是最惡毒的環(huán)境應(yīng)力

 

 

篩選試驗(yàn)（剔除方法）：為剔除有早期失效的產(chǎn)品進(jìn)行的試驗(yàn)。對(duì)電子設(shè)備，最有效的是溫度循環(huán)，效率：溫度循環(huán)/振動(dòng)＝3.5/1。

 

更具上面統(tǒng)計(jì)，我們可以看出溫度循環(huán)是最有效暴露缺陷的環(huán)境應(yīng)力。

 

以上為統(tǒng)計(jì)結(jié)論。同時(shí)，我們的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)械應(yīng)力疊加溫度應(yīng)力，可以觸發(fā)一些不容易復(fù)現(xiàn)的故障。

 

3、元器件特性隨著溫度漂移，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

 

一類是可恢復(fù)的軟失效

 

一類是不可恢復(fù)的硬失效

 

軟失效一般是指溫度容限不夠，可以恢復(fù)，是引起單板故障很難重現(xiàn)的一個(gè)重要原因。雖然問(wèn)題經(jīng)常觸發(fā)軟失效，但要減少軟失效，不能僅靠降低溫度，必須在分析清楚具體原因的情況下制定有針對(duì)性的改進(jìn)措施。

 

溫度引起軟失效多由器件參數(shù)的漂移導(dǎo)致。

 

案例1：參數(shù)溫度漂移，導(dǎo)致三極管不導(dǎo)通

 

1、halt試驗(yàn)溫度降到－15度時(shí)單板串口掛死，此問(wèn)題必現(xiàn)，判斷時(shí)鐘或者電源有問(wèn)題。

 

2、通過(guò)管理芯片MCU查看單板的電壓檢測(cè)結(jié)果和時(shí)鐘檢測(cè)結(jié)果，接入到MCU的電壓檢測(cè)結(jié)果都正常，檢測(cè)到單板的工作時(shí)鐘丟失

 

3、針對(duì)時(shí)鐘丟失進(jìn)行分析

 

 

CPU工作電源模塊在電壓正常工作之后同步輸出EN信號(hào)打開(kāi)時(shí)鐘電路，而這個(gè)CPU工作電壓輸出沒(méi)有接入到MCU檢測(cè)(此電壓是0V～1.2V變化，沒(méi)有接入MCU檢測(cè))，時(shí)鐘電路得到EN信號(hào)才能正常工作；

 

邏輯檢測(cè)到電源A與電源B正常工作之后打開(kāi)CPU工作電源模塊；

 

電源A與電源B正常工作的信號(hào)是通過(guò)的兩個(gè)mos管送給CPLD檢測(cè)。

 

 

4、通過(guò)理論分析三極管的輸入電壓為1V05，通過(guò)分壓電阻分到0.7V打開(kāi)三極管，在常溫時(shí)對(duì)導(dǎo)通電壓的要求為0.58V～0.7V

 

所以0.7V導(dǎo)通沒(méi)問(wèn)題

 

 

在低溫時(shí)由于特性漂移，導(dǎo)通電壓需求已經(jīng)高于0.7V，分壓值不能滿足三極管導(dǎo)通要求。

 

 

三極管低溫時(shí)參數(shù)漂移驗(yàn)證：

 

在常溫下用一塊沒(méi)有去掉分壓電阻的單板正常運(yùn)行，用示波器測(cè)試/1V05_detect管腳，/1V05_detect信號(hào)為低電平，把示波器設(shè)置為上升沿觸發(fā)模式，然后用液氮開(kāi)始對(duì)著三極管?chē)?，只有幾秒的時(shí)間，/1V05_detect信號(hào)由低變?yōu)楦唠娖搅耍?yàn)證了三極管在低溫時(shí)，參數(shù)發(fā)生漂移，Vbe導(dǎo)通門(mén)檻變高。

 

4、溫度導(dǎo)致器件損壞

 

對(duì)于后一種硬失效，失效的原因很離散，器件制造過(guò)程中多多少少存在難以完全避免的雜質(zhì)和缺陷，這些各種各樣的微小缺陷在器件運(yùn)行期間逐漸生長(zhǎng)擴(kuò)展，當(dāng)影響到器件外部功能時(shí)就導(dǎo)致了器件失效，溫度在缺陷的生長(zhǎng)擴(kuò)展中通常會(huì)起到加速的作用，經(jīng)常需要電應(yīng)力的協(xié)同。

 

器件極限溫度承受能力是高壓線，超過(guò)后失效率劇增，使用中不允許超過(guò)。在極限溫度以內(nèi)，器件失效率與溫度仍然強(qiáng)相關(guān)，失效率隨著溫度升高而增加。

 

焊接和使用過(guò)程中溫度過(guò)高，導(dǎo)致BGA焊球開(kāi)裂

 

 

5、對(duì)系統(tǒng)的溫度進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)

 

有些處理器內(nèi)部有溫度傳感器，處理器內(nèi)部通過(guò)溫度傳感器來(lái)感測(cè)核心溫度，當(dāng)前處理器的溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器(Digital thermal sensor)。

 

在多核處理器中，intel集成多個(gè)DTS，用于監(jiān)控不同區(qū)域的溫度，每個(gè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)可以通過(guò)MSR寄存器讀取。

 

數(shù)字溫度傳感器只在C0(normal operating)狀態(tài)時(shí)有效。

 

過(guò)溫也是通過(guò)數(shù)字溫度傳感器測(cè)試出來(lái)的，并且也在MSR寄存器中的一個(gè)比特位表現(xiàn)出來(lái)。

 

溫度傳感器的數(shù)值是單板進(jìn)入TM1，TM2狀態(tài)的信息源。

 

我們還可以在關(guān)鍵點(diǎn)位增加溫度傳感器，來(lái)改善熱環(huán)境。當(dāng)發(fā)現(xiàn)過(guò)溫了，進(jìn)行告警、降頻、重啟等自動(dòng)操作。