PhotoMOS繼電器(下)

當今，隨著微電子化的顯著發展，在重視安全性方面，對裝置的可靠性要求逐漸提高，器件的可靠性是決定系統可靠性方面重要的一點。PhotoMOS繼電器用LED與光電元件進行輸入輸出傳導，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繼電器是由半導體元件構成的半導體繼電器，與機械式繼電器有所不同，若在通常額定條件內使用，不會因切換次數而影響壽命。
LED發光效率隨使用時間的變化
PhotoMOS繼電器的輸入部分使用的是GaAs的LED，會因長時間使用而造成LED的發光效率下降。
通常，LED的通電電流越大，發光效率會越低。GaAs的LED發光效率隨使用時間而變化如圖1所示。原來的光電耦合器，因LED長時間使用而造成的發光效率降低，會對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)，輸入電流會使負載電流受到限制。因此，使用時要特別注意因LED老化而造成的發光效率降低、得不到所需負載電流的情況。
另一方面，PhotoMOS繼電器是通過光電元件使LED光先轉換成電壓，再驅動切換元件MOSFET。
因此，PhotoMOS繼電器的動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系。在實際使用中，輸入電流為最小值即5mA以上時，光電元件的輸出電壓處于完全飽和區以內，另外，輸出功率MOSFET的導通電壓Vth約為3V，因此，即使LED發光效率降低，使用時光電元件輸出電壓也幾乎不會發生變化，可充分驅動輸出功率MOS。
根據以上情況，PhotoMOS繼電器同光電耦合器一樣，最大負載電流無變化，可作為非常穩定的切換元件長期使用。實驗結果如圖3所示，即使按額定輸入電流即10mA(HF型)或5mA(GU、RF型)進行10萬小時的連續通電，動作LED電流的變化估計也只會停留在百分之幾。

圖1  LED的△Pa隨時間變化

圖2  LED電流-光電元件輸出電壓

圖3 通電時間－動作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力耐性，如對電應力、熱應力、機械性應力、濕氣侵入等外部應力的承受程度來決定的。因此，即使元件結構有一部分較薄弱，應力造成的反應也會使該部分運行異常，造成重大故障。
下面對影響PhotoMOS繼電器可靠性的因素進行討論。
環境因素
在考慮PhotoMOS繼電器可靠性因素時，除產品內在的故障因素外，還需要考慮加速引發這些故障的外部應力，即：環境因素。影響可靠性的使用環境因素如表1所示。這些因素通常是錯綜復雜的。例如：腐蝕造成斷線就是因溫度和濕度兩種因素引起的。
應力可分為自然環境因素和人為因素兩種情況。
自然環境因素有溫度、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，溫度升高會使化學反應速度加快，就會促進物體的變化，因此，作為主要故障的機械性故障會由于升溫而加速。實際使用中，除該環境溫度外，也需要考慮到電力消耗帶來的自身發熱和因此而造成的溫度循環。溫度變化使熱膨脹率不同的物質的接合部發生畸變應力，反復出現會引起疲勞，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，斷斷續續使用時，必須考慮使用器械或元件自身的發熱造成的影響。另一方面，濕度主要是吸附在物體表面而提高表面的電導率，增大漏泄電流，引起產品特性不良、動作不良，同時，還促進化學及電化學的反應而產生金屬腐蝕。特別是象PhotoMOS繼電器這種樹脂密封裝置，因內部存在透過水分問題，因此，需對樹脂材料進行大幅度改良。經改良可達到不遜色于氣體密封的狀態，使用中幾乎不會出現問題。
人為因素有以下幾種：在搬運裝載過程中發生摔落而造成的振動、安裝時的掉落等沖擊、印刷電路板焊錫時的加熱、焊錫后印刷電路板清洗中的超聲波振動等。
器械、系統組合使用時的因素
除自然環境及人為造成的物理性因素外，還有在PhotoMOS繼電器用于器械、系統時產生的因素。使用方法不當時就會超出產品規格的最大額定。例如：用超過額定電壓使用時產生的過電壓破壞、按照低輸入電流使用時產生的動作不良、負載使用超過額定負載以上時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。■