PhotoMOS继电器(下)

当今，随着微电子化的显著发展，在重视安全性方面，对装置的可靠性要求逐渐提高，器件的可靠性是决定系统可靠性方面重要的一点。PhotoMOS继电器用LED与光电元件进行输入输出传导，其寿命是半永久性的。

本刊上期介绍了PhotoMOS继电器的控制电路，本期将讨论PhotoMOS继电器的寿命和可靠性。

PhotoMOS继电器的寿命
开闭寿命
PhotoMOS继电器是由半导体元件构成的半导体继电器，与机械式继电器有所不同，若在通常额定条件内使用，不会因切换次数而影响寿命。
LED发光效率随使用时间的变化
PhotoMOS继电器的输入部分使用的是GaAs的LED，会因长时间使用而造成LED的发光效率下降。
通常，LED的通电电流越大，发光效率会越低。GaAs的LED发光效率随使用时间而变化如图1所示。原来的光电耦合器，因LED长时间使用而造成的发光效率降低，会对电气特性造成非常大的影响。这是由于光电耦合器存在CTR(电流增幅率)，输入电流会使负载电流受到限制。因此，使用时要特别注意因LED老化而造成的发光效率降低、得不到所需负载电流的情况。
另一方面，PhotoMOS继电器是通过光电元件使LED光先转换成电压，再驱动切换元件MOSFET。
因此，PhotoMOS继电器的动作依靠于光电元件的输出电压。图2表示输入LED电流与光电元件输出电压的关系。在实际使用中，输入电流为最小值即5mA以上时，光电元件的输出电压处于完全饱和区以内，另外，输出功率MOSFET的导通电压Vth约为3V，因此，即使LED发光效率降低，使用时光电元件输出电压也几乎不会发生变化，可充分驱动输出功率MOS。
根据以上情况，PhotoMOS继电器同光电耦合器一样，最大负载电流无变化，可作为非常稳定的切换元件长期使用。实验结果如图3所示，即使按额定输入电流即10mA(HF型)或5mA(GU、RF型)进行10万小时的连续通电，动作LED电流的变化估计也只会停留在百分之几。

图1  LED的△Pa随时间变化

图2  LED电流-光电元件输出电压

图3 通电时间－动作LED电流

PhotoMOS继电器的可靠性因素
PhotoMOS继电器的可靠性，是由元件自身具有的应力耐性，如对电应力、热应力、机械性应力、湿气侵入等外部应力的承受程度来决定的。因此，即使元件结构有一部分较薄弱，应力造成的反应也会使该部分运行异常，造成重大故障。
下面对影响PhotoMOS继电器可靠性的因素进行讨论。
环境因素
在考虑PhotoMOS继电器可靠性因素时，除产品内在的故障因素外，还需要考虑加速引发这些故障的外部应力，即：环境因素。影响可靠性的使用环境因素如表1所示。这些因素通常是错综复杂的。例如：腐蚀造成断线就是因温度和湿度两种因素引起的。
应力可分为自然环境因素和人为因素两种情况。
自然环境因素有温度、湿度、气压、盐份、雷击造成的过电压冲击等。其中温度和湿度是最重要的因素。一般情况下，温度升高会使化学反应速度加快，就会促进物体的变化，因此，作为主要故障的机械性故障会由于升温而加速。实际使用中，除该环境温度外，也需要考虑到电力消耗带来的自身发热和因此而造成的温度循环。温度变化使热膨胀率不同的物质的接合部发生畸变应力，反复出现会引起疲劳，造成气体密封部位密封不良、芯片焊接接合不良、焊丝断开等。另外，断断续续使用时，必须考虑使用器械或元件自身的发热造成的影响。另一方面，湿度主要是吸附在物体表面而提高表面的电导率，增大漏泄电流，引起产品特性不良、动作不良，同时，还促进化学及电化学的反应而产生金属腐蚀。特别是象PhotoMOS继电器这种树脂密封装置，因内部存在透过水分问题，因此，需对树脂材料进行大幅度改良。经改良可达到不逊色于气体密封的状态，使用中几乎不会出现问题。
人为因素有以下几种：在搬运装载过程中发生摔落而造成的振动、安装时的掉落等冲击、印刷电路板焊锡时的加热、焊锡后印刷电路板清洗中的超声波振动等。
器械、系统组合使用时的因素
除自然环境及人为造成的物理性因素外，还有在PhotoMOS继电器用于器械、系统时产生的因素。使用方法不当时就会超出产品规格的最大额定。例如：用超过额定电压使用时产生的过电压破坏、按照低输入电流使用时产生的动作不良、负载使用超过额定负载以上时造成破坏等的不良情况。
作为参考，表2表示PhotoMOS继电器使用中的事故与故障模式。■