對(duì)電子元件進(jìn)行合適的保護(hù)，以延長(zhǎng)使用壽命

許多關(guān)鍵應(yīng)用要求設(shè)備必須運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，甚至幾十年。對(duì)于航空航天、國(guó)防、能源和醫(yī)療行業(yè)來(lái)說(shuō)尤其如此。為了保持設(shè)備正常運(yùn)行，必須在其整個(gè)生命周期內(nèi)持續(xù)供應(yīng)組件。解決此問(wèn)題的一個(gè)方法是在生產(chǎn)結(jié)束后長(zhǎng)期存儲(chǔ)半導(dǎo)體組件。此解決方案可讓您在設(shè)備的整個(gè)使用壽命期間持續(xù)供應(yīng)組件。

長(zhǎng)期耐用

如果沒(méi)有組成電子設(shè)備的零部件，電子設(shè)備就無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)和材料的快速變化、零部件的生命周期太短以及新產(chǎn)品的上市速度比以往任何時(shí)候都快，這些都給公司帶來(lái)了挑戰(zhàn)。迅速進(jìn)入市場(chǎng)的新產(chǎn)品可能會(huì)造成產(chǎn)品之間兼容性的未知數(shù)。這可能會(huì)導(dǎo)致維護(hù)和維修問(wèn)題，以及企業(yè)的額外成本。零部件的生命周期太短會(huì)使備件供應(yīng)出現(xiàn)問(wèn)題。

就像任何其他產(chǎn)品一樣，所有電子元件都有自己的保質(zhì)期，許多公司存儲(chǔ)它們的時(shí)間比制造商建議的要長(zhǎng)。長(zhǎng)期存儲(chǔ)階段和倉(cāng)庫(kù)管理起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用，因?yàn)殡娮釉徽J(rèn)為與化學(xué)品和食品同等重要。如今，公司有義務(wù)遵守某些環(huán)境條件，這些條件由精確的規(guī)則和協(xié)議控制。良好的存儲(chǔ)實(shí)踐是一種最佳解決方案，它不會(huì)導(dǎo)致電子元件的性能下降，從而使其相對(duì)的機(jī)械和電氣性能能夠隨著時(shí)間的推移保持不變。

在日益由消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的世界里，半導(dǎo)體組件制造商正在選擇更短的產(chǎn)品壽命。然而，許多應(yīng)用要求設(shè)備運(yùn)行數(shù)十年，這使得供應(yīng)的連續(xù)性成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。一種廣泛實(shí)施的解決方案是將半導(dǎo)體長(zhǎng)期儲(chǔ)存，即使在最終生產(chǎn)后也是如此。為了開(kāi)發(fā)新的保存技術(shù)，許多公司進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)圖 1)以確定長(zhǎng)期儲(chǔ)存對(duì)組件的影響。這些測(cè)試涉及從不同型號(hào)隨機(jī)抽取的組件樣本。正確儲(chǔ)存的組件通常不會(huì)出現(xiàn)老化或變質(zhì)的跡象，并且可以長(zhǎng)時(shí)間保持其內(nèi)部和外部的完整性和可焊性。如果保存得當(dāng)，設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)明顯的腐蝕或破損跡象。這些結(jié)果表明，半導(dǎo)體元件可以有效地存儲(chǔ)更長(zhǎng)的時(shí)間，甚至超過(guò)制造商規(guī)定的日期。

長(zhǎng)期保存涉及保護(hù)電子元件和PCB長(zhǎng)時(shí)間保存以保持其功能完整性。在電子行業(yè)，計(jì)算電子元件的正確保質(zhì)期非常復(fù)雜，因?yàn)闀r(shí)間比食品等產(chǎn)品要長(zhǎng)得多。但是，根據(jù)所需的保存時(shí)間間隔，相關(guān)技術(shù)可能會(huì)有很大不同。最新一代的保存過(guò)程雖然質(zhì)量很高，但并不能保證奇跡。目前，絕對(duì)的完美是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。例如，電池和靜態(tài)能量發(fā)生器通常就是這種情況。目前，沒(méi)有辦法讓儲(chǔ)存在倉(cāng)庫(kù)中的電池使用時(shí)間更長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，它們注定會(huì)被丟棄。然而，采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)技術(shù)可確保電子元件多年保持良好狀態(tài)。

圖 1：廣泛的 X 射線測(cè)試可發(fā)現(xiàn)最小的缺陷。(來(lái)源：羅徹斯特電子)

潛在問(wèn)題

如上所述，電子元件的保質(zhì)期是指其在不失去功能的情況下可以存放的時(shí)間。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，該元件可能會(huì)變得無(wú)法使用，或者相反，它可能會(huì)繼續(xù)正常工作，產(chǎn)品仍然可以完美使用。電子元件的長(zhǎng)期保存是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，不能掉以輕心，因?yàn)闀r(shí)間的流逝不可避免地會(huì)影響物質(zhì)的所有物理和化學(xué)現(xiàn)象。

氧化和濕度等多種因素可能會(huì)改變器件的分子結(jié)構(gòu)。為了長(zhǎng)期保存電子元件，必須采取適當(dāng)措施保護(hù)元件免受多種因素的影響。沒(méi)有單一的解決方案，但使用多種方法可以取得良好的效果。

一種策略是將元件存放在干燥、涼爽的環(huán)境中，相對(duì)濕度應(yīng)非常低。將電子元件存放在低溫環(huán)境中(通常在 10°C 至 20°C 之間)也非常有利。研究人員更喜歡在無(wú)氧環(huán)境中進(jìn)行此類(lèi)長(zhǎng)期存儲(chǔ)操作，甚至使用密封或充滿惰性氣體的容器。

污染也是一個(gè)不容小覷的大問(wèn)題。靜電荷可能會(huì)給存儲(chǔ)的設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題。因此，環(huán)境必須與外界電氣隔離，還要考慮低頻和高頻電磁輻射?；覊m也會(huì)損害電子產(chǎn)品的完整性。因此，應(yīng)將組件存放在極其干凈、無(wú)塵的環(huán)境中，并定期檢查是否有任何變化。

產(chǎn)品的保質(zhì)期取決于一系列難以預(yù)測(cè)的變量，包括熱量、機(jī)械應(yīng)力和濕度。然而，客觀事實(shí)是，如果產(chǎn)品儲(chǔ)存正確，并遵循極其謹(jǐn)慎的程序，其保質(zhì)期可以大大延長(zhǎng)。產(chǎn)品的儲(chǔ)存環(huán)境對(duì)其維護(hù)具有決定性影響，因此是該領(lǐng)域需要考慮的主要因素之一。因此，必須將組件存放在黑暗中，因?yàn)榧词故亲贤饩€也會(huì)改變它們。這也是為什么必須使用合適且耐用的包裝材料，不含可能對(duì)電子元件健康產(chǎn)生負(fù)面影響的化學(xué)物質(zhì)，即使成本可能會(huì)大幅增加的眾多原因之一。事實(shí)上，普通的紙板箱不適合此目的，因此必須使用特定的。

一個(gè)始終存在的問(wèn)題就是污染，這可能是由于附近物體的氣體排放而引起的。因此，電子元件應(yīng)單獨(dú)存放，附近不應(yīng)有其他產(chǎn)品。

PCB 也會(huì)隨著時(shí)間的推移而變質(zhì)。不僅導(dǎo)電路徑會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，而且基板甚至?xí)?jīng)歷老化過(guò)程。長(zhǎng)期保存 PCB 的有用技術(shù)之一是真空密封以消除空氣的存在。

長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，如果保存過(guò)程不完美，電子元件的可焊性可能會(huì)帶來(lái)一些風(fēng)險(xiǎn)。但如果公司嚴(yán)格遵守所有儲(chǔ)存程序，暴露后產(chǎn)生的任何(還原)氧化都不會(huì)影響元件的可焊性，因此不會(huì)受到長(zhǎng)期儲(chǔ)存的負(fù)面影響。

多年來(lái)可能出現(xiàn)的另一個(gè)問(wèn)題是擴(kuò)散(見(jiàn)圖 2)，這是一個(gè)物理過(guò)程，在此過(guò)程中，由于原子或分子的自主熱運(yùn)動(dòng)，至少兩種或多種物質(zhì)以越來(lái)越快的速度混合。由于熱運(yùn)動(dòng)，顆粒濃度的差異會(huì)減小，直到完全混合。例如，銅基板材料可能會(huì)擴(kuò)散到錫中，形成一種全新的青銅狀材料。在這些情況下，焊接不再可能，因?yàn)槿埸c(diǎn)要高得多，錫不再能夠粘合。擴(kuò)散總是由于溫度而發(fā)生的。

圖 2：隨時(shí)間推移的擴(kuò)散問(wèn)題(來(lái)源：HTV Halbleiter-Test & Vertriebs-GmbH)

電子元件的老化方法不僅取決于所采用的保護(hù)方法，還取決于元件的類(lèi)型。最精密的元件可能是電解電容器和電池。它們顯然會(huì)由于內(nèi)部電阻而放電，但最大的問(wèn)題是它們的內(nèi)部會(huì)隨著時(shí)間的推移而干涸。電阻器是非常堅(jiān)固的元件，在一些倉(cāng)庫(kù)中，甚至在工作設(shè)備中，可以觀察到這種元件即使超過(guò) 100 年也能完美地工作。半導(dǎo)體(二極管和晶體管) 幾乎不受老化的影響，只要將它們存放在陰涼的地方。一般來(lái)說(shuō)，電子元件不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間接觸電流或通電，因?yàn)槔擞侩娏鲿?huì)損壞它們。因此，倉(cāng)庫(kù)必須存放全新且從未使用過(guò)的元件。與分立元件相比，集成電路是最脆弱的，因?yàn)樗鼈兒苋菀滓蜓趸统睗穸l(fā)生改變，從而導(dǎo)致逐漸但不可避免的退化。

平均無(wú)故障時(shí)間

平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 是一個(gè)參數(shù)，表示設(shè)備在多次故障之間的平均運(yùn)行時(shí)間，是電子行業(yè)最常用的性能指標(biāo)之一，因?yàn)樗梢院饬吭O(shè)備和電子元件的可靠性水平。該參數(shù)基于數(shù)據(jù)的收集和分析，旨在準(zhǔn)確描述電子元件的行為及其在特定操作條件下執(zhí)行所需功能的能力的可靠性。通過(guò)計(jì)算此參數(shù)，可以設(shè)計(jì)預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，幫助在潛在問(wèn)題發(fā)生之前解決它們。MTBF 提供了兩次故障之間平均預(yù)期時(shí)間的可靠評(píng)估，即一次故障發(fā)生與下一次故障發(fā)生之間的時(shí)間間隔。該參數(shù)的計(jì)算涉及部件的總運(yùn)行時(shí)間與同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的總故障次數(shù)之間的比率。一般公式如下：

當(dāng)檢查時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生故障的次數(shù)越多時(shí)，MTBF 參數(shù)的計(jì)算就越復(fù)雜。它與“壽命”參數(shù)密切相關(guān)，壽命是指電子元件在承受技術(shù)數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大應(yīng)力的情況下仍能保持運(yùn)行的總時(shí)間，超過(guò)該時(shí)間制造商將不再保證正常運(yùn)行條件。圖 3 顯示了基于工作溫度的電解電容器壽命的一個(gè)非常通用的例子。

圖 3：基于溫度的電解電容器壽命圖

長(zhǎng)期存儲(chǔ)是長(zhǎng)壽命應(yīng)用的可行解決方案。組件可以有效地存儲(chǔ)多年，確保供應(yīng)的連續(xù)性并彌補(bǔ)供應(yīng)鏈中斷。但是，重要的是要記住，所有原材料，即使是簡(jiǎn)單存儲(chǔ)，遲早都會(huì)腐爛。因此，采取措施減輕組件退化非常重要，例如使用最佳存儲(chǔ)條件和定期維護(hù)。關(guān)于最佳存儲(chǔ)條件，組件必須存儲(chǔ)在受控環(huán)境中，并保持恒定的溫度和濕度。在定期維護(hù)方面，必須定期檢查組件以發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題或退化的跡象。通過(guò)采取這些措施，即使在長(zhǎng)期存儲(chǔ)中，組件狀態(tài)也可以安全地保存多年。