最も故障しやすい電子部品とは何ですか？

投稿日 2021/12/7 火曜日
更新日 2024/07/1 月曜日

新しい回路基板のコンポーネントを選択する際、部品レベルの信頼性を保証し、部品の故障を防ぐかのように、ボードレベルの信頼性により多くの焦点を当てる傾向があります。これはある程度まで真実です：賢明な回路基板設計とPCBAの決定は、コンポーネントの故障を引き起こす可能性のある問題を抑制または防止することができます。しかし、特定の場合に他よりも故障しやすいコンポーネントもあります。

故障するコンポーネントの問題を悪化させる別の実践があります。多くの製品において、故障が発生した場合に単にボードを捨てたり、ボード全体を交換したりする傾向があります。これは、故障の根本原因を調査するのではなく、多くの故障は1つ以上の故障したコンポーネントに遡ることができるので、最も一般的に故障する電子コンポーネントを知っておくことが重要です。また、これらの一般的な故障に寄与する可能性のあるボードレベルの問題を知り、システムの寿命を延ばすために使用すべき代替コンポーネントを知ることも役立ちます。

最も一般的な電子コンポーネントの故障

さらに詳しく述べることなく、いくつかの一般的な電子コンポーネントの故障を見てみましょう。見ていくと、一般的な故障は特定のコンポーネントに限定されているわけではなく、単に機能、配置、およびコンポーネントのタイプがさまざまな方法で故障しやすくなることがあります。

高温時のBJTおよびMOSFET

他の温度評価とは異なり、コンポーネントが評価された仕様を超えても動作を続ける場合がありますが、MOSFETは定格ジャンクション温度を超えるとほぼ即座に故障します。BJTでも同様の効果が発生します。これらのコンポーネントの温度が動作中に上昇すると、オン状態の抵抗も上昇し、それによってさらに損失と温度が上昇し、という具合になります…

これは熱暴走として知られており、最終的にコンポーネントの故障につながる正のフィードバック問題です。熱暴走はMOSFETに限定されたものではなく、バリスタやタンタルコンデンサでも知られています。しかし、ICではこの効果は稀であり、他の原因からのストレスにより影響を受けやすいです。

パワーMOSFETには、過熱を防ぎ、熱を放散するためのダイアタッチヒートシンクが含まれています。

放電または電力サージに弱いコンポーネント

電力サージは保護されていないシステムで過電圧（ブレークダウン）を生じさせます。最も明白な効果は、電力整流/調整セクションへの入力に位置するキャパシタのようなコンポーネントに見られ、電力サージ中に過電圧とブレークダウンを経験することがあります。ESDは電力サージと全く同じではありませんが、同じ過電圧保護対策で対処できます。

ICは回路基板内の位置のため、大きなESDイベントにより影響を受けやすいです。これが、半導体メーカーが製品にESD保護を組み込む理由です。さらに、IEC 61000-4-2標準は、製品の安全性と信頼性を保証するためのESD保護の要件を定義しているため、統合されたESDを持つコンポーネントは、小さなESDイベントに対しても影響を受けにくくなります。

過負荷と過電流

技術的にはどのコンポーネントもこれらの要因によって故障する可能性がありますが、ESDパルス/電力サージが発生しているかどうかに関わらず、特定のコンポーネントで発生することがあります。IC内の内部ラッチアップは、設計上の不注意な過負荷によって単にESDパルスが存在しなくても発生することがあります。これにより、コンポーネント内の電源レールとグラウンド間に低インピーダンスパスが作成され、過電流と過熱が発生します。これを防ぐには、ICに必要な適切な電圧レベルを維持できる電源レギュレータを慎重に選択する必要があります。

湿度に敏感なコンポーネント

電子コンポーネントには、部品が水を吸収する速度を定義する湿度感受性レベル（MSL）という指標があります。MSL値はレベル1（部品を無期限に湿度にさらすことができる）からレベル6までの範囲です。湿度が主要な問題であり、故障の潜在的な原因になる場合は、低MSL値のコンポーネントを含めるようにしてください。高MSLコンポーネントを含める必要がある場合は、コンフォーマルコーティングを検討してください。これにより、コンポーネントだけでなく基板も湿度から保護され、酸化を含む。

極端な腐食は湿度暴露の危険の一つですが、水はプロセス中にコンポーネントのパッケージングにも侵入する可能性があります。

温度に敏感なコンポーネント

すべてのコンポーネントは温度に敏感であり、極端な環境で展開されるデバイスは、十分に広い温度範囲を持つコンポーネントを持つべきです。単に温度が高すぎるか低すぎるだけでなく、熱サイクリングと熱衝撃はコンポーネントの故障を引き起こす二つの要因です。熱衝撃の下では、BGAはんだボールと多層セラミックは特に亀裂に弱いコンポーネントです。熱サイクリングはBGAはんだボールの疲労故障のもう一つの既知の原因ですが、IC内のワイヤーボンドの疲労故障にもつながる可能性があります。

圧力に敏感なコンポーネント

これは、高真空または高圧環境で展開される電子機器にとって非常に重要な点です。特に、水中ROVで展開される電子機器は、高圧で損傷しないことを確認するために慎重にテストおよび検査される必要があります。気密封止されたIC、電解コンデンサ、粉末フェライト、および空気隙間を持つその他のコンポーネントは、高圧環境では使用すべきではありません。それらは内部で破裂する可能性があります。

回路と基板を保護するためのコンポーネント

上記のリストから、特定のコンポーネントが他のものよりもランダムな故障に陥りやすいということはないことが明らかであるはずです。むしろ、システムが遭遇する可能性のある特定の状況において、いくつかのコンポーネントが故障しやすくなることがあります。デバイスの寿命中に遭遇する故障の原因のいくつか、例えばESDや熱環境は、最大限の信頼性を確保するために予測することができます。

これらの故障の多くは適切なコンポーネントの選択に依存しているため、設計に最も信頼性の高いコンポーネントを見つけるためのいくつかのガイドをここに示します：

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