低溫對電子元器件影響是什么？電子元器件低溫失效原因有哪些？

隨著科技的進(jìn)步和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，人們對于電子元器件的質(zhì)量和可靠性要求也越來越高，因?yàn)殡娮釉骷牡蜏厥?huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和壽命。今天我們就來詳細(xì)了解一下低溫對電子元器件的影響及其失效原因。

1. 低溫對電子元器件的影響

低溫是指物體的溫度在0℃以下的狀態(tài)。在這種環(huán)境下，電子元器件的物理、化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

1.1 電性能力變化

低溫會(huì)使電子元器件的電性能力大幅度降低，尤其是對于集成電路、二極管和 MOSFET 等器件來說非常明顯。因?yàn)榈蜏叵拢娮雍?Lattice 晶格的相互作用增加，電子在介質(zhì)中的移動(dòng)速度變慢，所需的激活能變大，這些都會(huì)導(dǎo)致器件的導(dǎo)電能力降低。

1.2 絕緣能力變差

低溫環(huán)境下，電子元器件的絕緣能力變差，主要原因是介質(zhì)的極化率和雙極分子的極化率減小，而極化率是絕緣強(qiáng)度的重要影響因素。此外，在低溫環(huán)境下，材料的晶格振動(dòng)減小，導(dǎo)致了氧化物介電常數(shù)的降低，從而也影響器件的絕緣能力。

1.3 熱穩(wěn)定性變差

低溫下，材料的熱穩(wěn)定性明顯降低，尤其是熱穩(wěn)定性差的材料，在低溫環(huán)境下更容易分解和失效。而化學(xué)反應(yīng)的速度也隨著溫度的降低而減緩，導(dǎo)致一些元器件在低溫下反應(yīng)速度變慢，從而影響其正常工作。

1.4 機(jī)械特性變差

低溫環(huán)境下，材料的強(qiáng)度和韌性都隨之降低，主要原因是材料經(jīng)過冷卻后晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶粒尺寸的變小和晶界活性的降低也影響了材料的機(jī)械特性。除此之外，低溫環(huán)境還會(huì)引起材料的收縮和振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)件變形、松動(dòng)，甚至破裂。

2. 電子元器件低溫失效原因

不同的電子元器件在低溫下表現(xiàn)出來的失效原因也不一樣，下面我們來分別介紹一下。

2.1 集成電路低溫失效

在低溫環(huán)境下，集成電路的電性能會(huì)顯著下降，主要是由以下幾個(gè)問題導(dǎo)致的。

2.1.1 寄生效應(yīng)

寄生效應(yīng)是指元器件中的一些電阻、電容和電感等插入元件中的細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)會(huì)相互影響，從而影響整個(gè)電路的性能。而低溫會(huì)使得這些插入元件細(xì)節(jié)的寄生效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致電路的性能明顯下降。

2.1.2 載流子和耗散導(dǎo)致的溫度升高

由于低溫下載流子的移動(dòng)速度變慢，導(dǎo)致集成電路中的部分器件因載流子移動(dòng)受到影響，致使電路產(chǎn)生了更多的熱量，因此集成電路的功率密度也會(huì)越來越高，進(jìn)而可能出現(xiàn)故障。

2.1.3 晶體管非線性

在低溫下，N型晶體管和P型晶體管的非線性特性都會(huì)增強(qiáng)，這會(huì)導(dǎo)致基極電流的變化，使得電流放大系數(shù)產(chǎn)生變化，最終影響整個(gè)電路的工作狀態(tài)。

2.1.4 金屬線膨脹系數(shù)差異

集成電路中的導(dǎo)線和電極是由不同的材料組成的。他們在低溫下由于熱膨脹系數(shù)的不同，會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)張系數(shù)差異，從而會(huì)發(fā)生一些溝槽和開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致電路的失效。

2.2 二極管低溫失效

二極管在低溫下容易產(chǎn)生反向漏電流，從而導(dǎo)致電流和電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而影響電路的正常工作。導(dǎo)致二極管低溫失效的原因主要有以下幾點(diǎn)。

2.2.1 漏電流

在低溫環(huán)境下，二極管會(huì)產(chǎn)生額外的漏電流，從而導(dǎo)致整個(gè)電路的電流電壓不穩(wěn)定。

2.2.2 晶體管非線性

在低溫下，二極管晶體管非線性會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致漏電流增加和正向電路電流下降，從而使整個(gè)電路失效。

2.2.3 寄生效應(yīng)

低溫環(huán)境下，電路中的寄生效應(yīng)比正常溫度下更加明顯，導(dǎo)致整個(gè)電路的寄生電容和寄生電阻增加，進(jìn)而影響整個(gè)電路的正常工作。

2.3 MOSFET低溫失效

MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）在低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)功能失效和參數(shù)不穩(wěn)定的問題，導(dǎo)致 MOSFET 低溫失效的原因主要有以下幾個(gè)方面。

2.3.1 漏電流

低溫環(huán)境下，MOSFET的漏電流會(huì)增加，導(dǎo)致電流電壓不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致整個(gè)電路失效。

2.3.2 寄生效應(yīng)

MOSFET中的寄生電容和寄生電阻在低溫下會(huì)增加，這會(huì)影響到 MOSFET 的參數(shù)，尤其是閾值電壓、漏電流和導(dǎo)通電阻。

2.4 電解電容低溫失效

在低溫環(huán)境下，電解電容器會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通不良、電容值下降和嚴(yán)重泄漏等現(xiàn)象，其主要失效原因有以下幾個(gè)。

2.4.1 電解質(zhì)干化

低溫下，電解質(zhì)的黏度會(huì)增大，導(dǎo)致電解質(zhì)不能正常地流動(dòng)，從而導(dǎo)致電容器失效。

2.4.2 寄生電壓和電流

在低溫環(huán)境下，電容器的寄生電壓和電流會(huì)增加，從而影響到電容的耐壓和容值。

2.4.3 滯后特性

電解電容器在低溫下的滯后特性會(huì)更加顯著，導(dǎo)致容值的不穩(wěn)定性和電容器的失效。

3. 總結(jié)

電子元器件在低溫環(huán)境下的影響和失效原因是非常復(fù)雜的，這既涉及到電性能、絕緣能力、熱穩(wěn)定性和機(jī)械特性等多個(gè)方面的問題。因此，對于電子元器件的開發(fā)和生產(chǎn)過程中，必須對其在低溫環(huán)境下的性能和失效特點(diǎn)進(jìn)行充分考慮，以提高電子元器件的質(zhì)量和可靠性。