2.6.6. Отказы полупроводниковых приборов и их проверка

Отказы полупроводниковых приборов часто связаны с пробоем, когда прибор проводит ток в обратном направлении. В основе этого явления лежит пробой р-n перехода в монокристаллической структуре, составляющей основу прибора. Существует несколько разновидностей пробоя р-n перехода.

Тепловой пробой происходит в результате тепловой ионизации атомов полупроводника и местного перегрева структуры.

Лавинный пробой происходит в результате ударной ионизации атомов полупроводника неосновными носителями в области объемного заряда.

Зенеровский пробой происходит в результате перехода валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом происходит разрушение кристаллической решетки в области объемного заряда электрическим полем.

Поверхностный пробой происходит в местах выхода р-n перехода на поверхность полупроводника. Он обусловлен увеличением напряженности поля объемного заряда в связи с искажением поля поверхностными зарядами, ухудшением свойств среды у поверхности полупроводника.

Практически действуют несколько видов пробоя одновременно.

Нарушение вентильных свойств приборов может также происходить при различных перенапряжениях, при перегрузках по току и вызванных ими тепловых перегрузках.

Для увеличения пропускаемого тока безопасного перегрева применяется охлаждение приборов. Охлаждение предусматривается для силовых диодов и тиристоров в энергетике и для мощных диодов, транзисторов и тиристоров в электронике. Охлаждение может быть воздушное, водяное и испарительное.

Воздушное охлаждение осуществляется путем присоединения к прибору теплостока, или радиатора. Радиаторы могут быть медными или алюминиевыми. Применяется в основном резьбовое соединение радиатора с прибором.

Большое значение имеет проблема контакта прибора с радиатором. При этом должно быть плотное затягивание резьбы, но без повреждения резьбы и поверхностей.

В случае применения алюминия для радиаторов проблема контакта заключается в том, что имеется большая электрохимическая разность потенциалов медь—алюминий — около 1, 8 В. Попадание влаги в место контакта вызывает коррозию алюминия, поэтому применяется гальваническое покрытие основания вентиля.

Водяное охлаждение осуществляется присоединением приборов к контуру с водой, например, через полую шину.

Испарительное охлаждение осуществляется присоединением прибора к контуру, где жидкость испаряется и потом конденсируется.

Ясно, что без охлаждения, если оно предусмотрено конструкцией, полупроводниковый прибор не может обеспечить необходимый режим работы и выйдет из строя.

Кроме указанных причин, отказы полупроводниковых приборов могут быть обусловлены обрывами и перегоранием выводов, наружным пробоем между выводами, растрескиванием кристаллов и другими причинами.

Иногда выход из строя прибора можно определить по внешнему виду, если он обгорел, разрушился, обгорели провода. Но не всегда признаки выражены явно, поэтому нужно пользоваться приборами. Рассмотрим проверку некоторых полупроводниковых приборов и других элементов аппаратуры с помощью измерительных приборов.

Диоды

С помощью омметра можно измерить прямое и обратное сопротивления постоянному току. Чем меньше прямое сопротивление и больше обратное сопротивление, тем лучше диод. Прямое сопротивление должно быть не больше примерно 200 Ом, а обратное не меньше 500 кОм. Следует иметь в виду, что если прямое сопротивление около 0, а обратное — около оо, то в первом случае имеется пробой, а во втором — обрыв выводов или нарушение структуры. Сопротивление диода переменному току меньше прямого сопротивления и зависит от положения рабочей точки.

Транзисторы

Как известно, транзистор состоит из двух переходов, каждый из которых обладает свойствами диода, поэтому проверить транзистор можно как диод. С помощью омметра можно проверить сопротивление между эмиттером и базой и коллектором и базой в прямом и обратном направлении.

Если транзистор исправен, то прямые сопротивления составляют величину порядка 30... 50 Ом, а обратные — 0, 5... 2 МОм.

Но недостаточно измерить только величины сопротивлений переходов, чтобы сделать вывод о работоспособности транзистора. Желательно измерить обратный ток коллектора, обратный ток эмиттера и ориентировочное значение коэффициента усиления по току. Есть специальные приборы для измерения этих параметров транзисторов, например, прибор ТЛ-4М.

Пригодность транзистора определяется сравнением полученных при измерении данных с данными, указанными в паспорте транзистора.

При измерениях параметров отдельного транзистора можно выявить обрывы электродов и замыкания в транзисторах,

но это же можно сделать и при измерениях в схемах с транзисторами. При этом нужно иметь в виду, что применяемый измерительный прибор должен обладать достаточно большим внутренним сопротивлением.

При измерениях можно сделать следующие выводы.

При обрыве цепи базы напряжения базы и эмиттера отсутствуют, напряжение коллектора повышено.

При обрыве цепи эмиттера напряжение коллектора повышено, напряжение базы почти нормальное, напряжение на эмиттере приблизительно равно напряжению базы.

При обрыве цепи коллектора напряжения на всех электродах транзистора уменьшаются.

При обрыве базы внутри транзистора напряжение базы близко к нормальному, напряжение эмиттера уменьшается, а напряжение коллектора повышается.

При замыкании эмиттера и коллектора внутри транзистора напряжение базы изменяется незначительно, напряжение эмиттера возрастает, напряжение коллектора падает.

Нужно учитывать, что транзистор может работать в режиме насыщения. Этот режим бывает тогда, когда сопротивление нагрузки в цепи коллектора велико и ток коллектора создает на нем падение напряжения, равное напряжению источника питания. В этом режиме потенциалы всех электродов транзистора одинаковы. Данный режим используется в импульсных устройствах, а для усилителей опасен.

Параметры и характеристики транзисторов зависят от температуры окружающей среды, стабильности нагрузки, условий теплоотвода. Все эти факторы изменяют температуру транзистора. При повышении температуры возможен выход транзистора из строя и неизбежное изменение параметров схемы. Большую температурную чувствительность транзистора можно объяснить следующим.

Электропроводность германия и кремния, из которых изготовляют транзисторы, зависит от температуры. При увеличении температуры нарушается электрическое равновесие, увеличивается эмиттерный и коллекторный ток, что увеличивает мощность, рассеиваемую на коллекторе, и температуру коллектора, вызывая увеличение обратного тока коллектора. При этом может быть равновесие или транзистор выйдет из строя. Это зависит от условий охлаждения, от окружающей температуры и величины сопротивления в цепи коллектора, ограничивающего нарастание коллекторного тока. Следует помнить, что при большом сопротивлении в цепи коллектора транзистор входит в режим насыщения и перестает быть усилителем.

Второй момент, увеличивающий чувствительность транзистора к температуре, состоит в том, что прямая проводимость участка эмиттер—база увеличивается с ростом температуры. Это явление вызывает увеличение тока эмиттера.

Иногда имеет место самопроизвольное изменение параметров транзисторов независимо от изменений окружающей среды.

Неисправность транзистора в схеме — явление редкое и может быть вызвано его перегревом при плохом теплоотводе или при пайке, или нарушением режимов работы схемы.

Перед заменой транзистора нужно детально его проверить, а при выходе из строя транзистора проверить другие детали, входящие в схему, от которых зависит его работа, так как выход их из строя может быть причиной выхода из строя транзистора.

Для замены нужно брать транзистор такого же типа или равноценный. Перед установкой его нужно проверить описанными методами. Расположение выводов нужно определять по прилагаемому паспорту или по справочнику.

Для пайки транзисторов желательно иметь низковольтный паяльник на 6 или 12 В, присоединяемый через понижающий трансформатор, мощностью около 40 Вт. Можно пользоваться и обычным паяльником, но нужно сначала его нагреть, а потом отключить и паять.

Выводы транзистора, если позволяет его конструкция, нужно оставлять не короче 15 мм, изгибать их не ближе 10 мм от корпуса, изгиб должен быть плавным.

Температура нагрева контактного слоя транзистора не должна превышать 75 С, поэтому для отвода тепла при пайке выводы у корпуса нужно держать плоскогубцами или пинцетом. Паяльник должен быть возможно дальше от транзистора, пайку нужно заканчивать быстрей. Жало паяльника должно быть зачищено и покрыто припоем, который должен быть легкоплавким.

Желательно применение пистолетных паяльников, которые включаются только во время пайки.

Интегральные микросхемы (ИМС)

Отказы ИМС могут быть связаны с физико-химическими процессами внутри полупроводника, с теми же процессами на поверхности полупроводника и обусловлены состоянием контактных соединений.

Первая группа отказов обусловлена структурными дефектами — дислокациями, микротрещинами — внутри полупроводника. Эти дефекты могут с течением времени развиваться под воздействием температурных и механических влияний и изменять характеристики микросхемы, приводя к отказам.

Вторая группа отказов связана с накоплением на поверхности полупроводника двуокиси кремния, а в объеме, близком к поверхности, зарядов, изменяющих состояние р-n переходов, и появление поверхностных каналов. В результате этого происходит увеличение токов утечки, отсутствие насыщения вольт-амперной характеристики перехода коллектор—база, омическое шунтирование эмиттера с коллектором, снижение обратного пробивного напряжения на коллекторе, уменьшение коэффициента усиления по току, омическое шунтирование эмиттера с базой, увеличение шумов.

В ИМС применяется металлизированная разводка между отдельными элементами с соединением алюминиевых контактных площадок с внешними выводами с помощью золотых проводников, привариваемых к контактным площадкам и наружным выводам. Отказы связаны с нарушением соединений этих проводников и металлической разводки из-за механических повреждений или малой толщины пленки алюминия. Нарушения соединений могут вызвать перегрев в этих местах, что ведет к коррозии или расплавлению металла.

Нарушение электрической цепи и появление отказов может произойти по причине образования диэлектрической пленки на границе раздела алюминия и кремния или образования гидрата окиси алюминия на металлизированной разводки, при попадании влаги внутрь корпуса ИМС.

Отказы могут быть также из-за нарушения контакта золотых проводников с контактными площадками микросхемы и внешними выводами корпуса.

Внешним проявлением ухудшений состояния ИМС является увеличение обратного тока коллекторного перехода за счет появления тока утечки.

Надежность ИМС можно повысить за счет улучшения технологии их производства.

Вышедшие из строя микросхемы, как правило, подлежат замене. Заменять ИМС нужно на такую же, но можно и на микросхему сходного типа, электрическая схема которой подходит для данного устройства. Если микросхемы впаяны в печатные платы, то при их замене нужно соблюдать следующие правила.

Паяльник должен быть небольшого размера, мощностью не более 40 Вт, с температурой нагрева жала не более 200 С, с насадкой. Насадка имеет два широких жала, которые прижимаются к рядам припаиваемых выводов микросхемы. Она навинчивается на резьбу на жале паяльника. Припой должен быть с низкой температурой плавления, количество его при пайке должно быть минимальным. Пайка должна производится несколько секунд при отключенном питании паяльника.

Нельзя производить необоснованный замен деталей в схеме, содержащей ИМС, так как это может вывести ее из строя.