PhotoMOS繼電器(下)

當(dāng)今，隨著微電子化的顯著發(fā)展，在重視安全性方面，對(duì)裝置的可靠性要求逐漸提高，器件的可靠性是決定系統(tǒng)可靠性方面重要的一點(diǎn)。PhotoMOS繼電器用LED與光電元件進(jìn)行輸入輸出傳導(dǎo)，其壽命是半永久性的。

本刊上期介紹了PhotoMOS繼電器的控制電路，本期將討論PhotoMOS繼電器的壽命和可靠性。

PhotoMOS繼電器的壽命
開閉壽命
PhotoMOS繼電器是由半導(dǎo)體元件構(gòu)成的半導(dǎo)體繼電器，與機(jī)械式繼電器有所不同，若在通常額定條件內(nèi)使用，不會(huì)因切換次數(shù)而影響壽命。
LED發(fā)光效率隨使用時(shí)間的變化
PhotoMOS繼電器的輸入部分使用的是GaAs的LED，會(huì)因長時(shí)間使用而造成LED的發(fā)光效率下降。
通常，LED的通電電流越大，發(fā)光效率會(huì)越低。GaAs的LED發(fā)光效率隨使用時(shí)間而變化如圖1所示。原來的光電耦合器，因LED長時(shí)間使用而造成的發(fā)光效率降低，會(huì)對(duì)電氣特性造成非常大的影響。這是由于光電耦合器存在CTR(電流增幅率)，輸入電流會(huì)使負(fù)載電流受到限制。因此，使用時(shí)要特別注意因LED老化而造成的發(fā)光效率降低、得不到所需負(fù)載電流的情況。
另一方面，PhotoMOS繼電器是通過光電元件使LED光先轉(zhuǎn)換成電壓，再驅(qū)動(dòng)切換元件MOSFET。
因此，PhotoMOS繼電器的動(dòng)作依靠于光電元件的輸出電壓。圖2表示輸入LED電流與光電元件輸出電壓的關(guān)系。在實(shí)際使用中，輸入電流為最小值即5mA以上時(shí)，光電元件的輸出電壓處于完全飽和區(qū)以內(nèi)，另外，輸出功率MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth約為3V，因此，即使LED發(fā)光效率降低，使用時(shí)光電元件輸出電壓也幾乎不會(huì)發(fā)生變化，可充分驅(qū)動(dòng)輸出功率MOS。
根據(jù)以上情況，PhotoMOS繼電器同光電耦合器一樣，最大負(fù)載電流無變化，可作為非常穩(wěn)定的切換元件長期使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，即使按額定輸入電流即10mA(HF型)或5mA(GU、RF型)進(jìn)行10萬小時(shí)的連續(xù)通電，動(dòng)作LED電流的變化估計(jì)也只會(huì)停留在百分之幾。

圖1  LED的△Pa隨時(shí)間變化

圖2  LED電流-光電元件輸出電壓

圖3 通電時(shí)間－動(dòng)作LED電流

PhotoMOS繼電器的可靠性因素
PhotoMOS繼電器的可靠性，是由元件自身具有的應(yīng)力耐性，如對(duì)電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械性應(yīng)力、濕氣侵入等外部應(yīng)力的承受程度來決定的。因此，即使元件結(jié)構(gòu)有一部分較薄弱，應(yīng)力造成的反應(yīng)也會(huì)使該部分運(yùn)行異常，造成重大故障。
下面對(duì)影響PhotoMOS繼電器可靠性的因素進(jìn)行討論。
環(huán)境因素
在考慮PhotoMOS繼電器可靠性因素時(shí)，除產(chǎn)品內(nèi)在的故障因素外，還需要考慮加速引發(fā)這些故障的外部應(yīng)力，即：環(huán)境因素。影響可靠性的使用環(huán)境因素如表1所示。這些因素通常是錯(cuò)綜復(fù)雜的。例如：腐蝕造成斷線就是因溫度和濕度兩種因素引起的。
應(yīng)力可分為自然環(huán)境因素和人為因素兩種情況。
自然環(huán)境因素有溫度、濕度、氣壓、鹽份、雷擊造成的過電壓沖擊等。其中溫度和濕度是最重要的因素。一般情況下，溫度升高會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速度加快，就會(huì)促進(jìn)物體的變化，因此，作為主要故障的機(jī)械性故障會(huì)由于升溫而加速。實(shí)際使用中，除該環(huán)境溫度外，也需要考慮到電力消耗帶來的自身發(fā)熱和因此而造成的溫度循環(huán)。溫度變化使熱膨脹率不同的物質(zhì)的接合部發(fā)生畸變應(yīng)力，反復(fù)出現(xiàn)會(huì)引起疲勞，造成氣體密封部位密封不良、芯片焊接接合不良、焊絲斷開等。另外，斷斷續(xù)續(xù)使用時(shí)，必須考慮使用器械或元件自身的發(fā)熱造成的影響。另一方面，濕度主要是吸附在物體表面而提高表面的電導(dǎo)率，增大漏泄電流，引起產(chǎn)品特性不良、動(dòng)作不良，同時(shí)，還促進(jìn)化學(xué)及電化學(xué)的反應(yīng)而產(chǎn)生金屬腐蝕。特別是象PhotoMOS繼電器這種樹脂密封裝置，因內(nèi)部存在透過水分問題，因此，需對(duì)樹脂材料進(jìn)行大幅度改良。經(jīng)改良可達(dá)到不遜色于氣體密封的狀態(tài)，使用中幾乎不會(huì)出現(xiàn)問題。
人為因素有以下幾種：在搬運(yùn)裝載過程中發(fā)生摔落而造成的振動(dòng)、安裝時(shí)的掉落等沖擊、印刷電路板焊錫時(shí)的加熱、焊錫后印刷電路板清洗中的超聲波振動(dòng)等。
器械、系統(tǒng)組合使用時(shí)的因素
除自然環(huán)境及人為造成的物理性因素外，還有在PhotoMOS繼電器用于器械、系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的因素。使用方法不當(dāng)時(shí)就會(huì)超出產(chǎn)品規(guī)格的最大額定。例如：用超過額定電壓使用時(shí)產(chǎn)生的過電壓破壞、按照低輸入電流使用時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)作不良、負(fù)載使用超過額定負(fù)載以上時(shí)造成破壞等的不良情況。
作為參考，表2表示PhotoMOS繼電器使用中的事故與故障模式。■