🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 認識常見二極體失效模式
- 了解過壓、過流、過熱如何造成損傷
- 建立可靠度與壽命的工程直覺
- 知道如何在設計中提高可靠度
🧭 一、先給核心觀念
所有元件都會老化。
工程師能做的不是避免老化，
而是：
👉 延緩老化速度（降低應力）
👉 把壽命拉到產品需要的時間以上
一句更工程的說法：
可靠度不是「不壞」，而是「在指定時間內不壞」。
🧠 二、常見失效模式（Failure Modes）
1) 開路失效（Open Failure）
- 表現：不導通、像斷線
- 常見原因：過熱造成鍵結線/金屬層燒斷、接面局部熔毀
2) 短路失效（Short Failure）
- 表現：正反向都導通、像短路
- 常見原因：過壓擊穿後形成永久導通通道（特別是反向崩潰後）
3) 漏電流上升（Leakage Increase）
- 表現：反向漏電變大、靜態功耗升高、偏壓漂移
- 常見原因：接面缺陷增加、污染/潮濕/ESD 微損傷
4) Vf 漂移（Forward Voltage Drift）
- 表現：同樣電流下 Vf 改變（上升或下降）
- 常見原因：接觸電阻變化、材料劣化、接面有效面積改變、局部熱損傷
你可以把「漏電上升 + Vf 漂移」視為：
元件還沒死，但已經開始變質。
🧠 三、造成失效的主要壓力（Stresses）
1) 過電流（Over-Current）
- I 太大 → 功耗 P ≈ I × Vf → 接面溫升 → 熱失控風險
- 容易造成：開路、Vf 漂移、封裝熱損傷
2) 過電壓（Over-Voltage）
- 反向超過耐壓 → 崩潰 → 局部高能量 → 永久擊穿
- 容易造成：短路、漏電上升
3) 高溫（High Temperature）
- 溫度加速一切老化機制（擴散、材料退化、金屬遷移）
- 容易造成：漏電上升、壽命急劇縮短
4) 重複熱循環（Thermal Cycling）
- 冷熱反覆 → 材料熱膨脹係數不同 → 應力累積
- 容易造成：裂紋、焊點疲勞、接觸劣化
🧠 四、可靠度工程觀念（你要建立的直覺）
可靠度設計的核心不是「用最強元件」，而是：
👉 降低應力（Derating）
✅ 常見降額策略
- 電壓降額使用：不要貼近耐壓極限
- 電流降額使用：不要長期跑到最大額定
- 溫度降額：降低接面溫度、改善散熱、避免熱堆疊
✅ 一個最重要的可靠度直覺
接面溫度（Tj）決定壽命。
你控制不了世界會不會熱，但你可以設計散熱與降額。
🧾 五、一句話記住本單元
⚠️ 壽命來自「保守設計」
👉 設計是在替未來的故障買保險。
🔬 電子學實驗題（20/120）
實驗名稱
過電流對二極體特性影響
🎯 實驗目的
觀察「短時間過電流」對二極體參數（Vf、漏電、穩定性）的變化，建立「過應力會留下後遺症」的可靠度直覺。
🧰 實驗器材
- 二極體（建議 2~3 顆同型號，方便對照）
- 直流電源（具電流限制更佳）
- 電阻（至少兩組：正常用、過流用）
- 萬用電表（可量 V、I）
- （可選）溫度計或熱像儀：更直觀
🔧 實驗接線 ASCII 圖
+V o----[R]----|>|----o GND
🔧 實驗步驟（修訂加強版：更安全、更可重現）
Part 0：先做「保護設定」（避免一次就燒毀）
1. 電源先設定電壓（例如 5V 或 9V）
2. 若電源可設定電流限制：先設一個安全值（例如 30mA~50mA）
3. 選擇正常電阻 R_normal 讓電流在安全範圍內
Part A：正常電流量測（建立基準）
1. 接上 R_normal
2. 量測並記錄：
o I_forward（正向電流）
o Vf_baseline（正向壓降）
3. 重複 3 次量測（間隔 10 秒），確認 Vf 穩定
Part B：短時間過電流（施加應力）
1. 將電阻換成 R_stress（電流更大）或提高電源電壓（擇一）
2. 只維持短時間（例如 1~3 秒）後立刻切回正常
3. 過程中注意：
o 二極體是否明顯發熱
o 電流是否失控上升（若失控要立刻斷電）
工程提醒：過應力的目標是「留下痕跡」，不是「把它炸掉」。
Part C：回到正常電流再量測（觀察是否有後遺症）
1. 切回 R_normal
2. 再量測並記錄：
o Vf_after
o 是否出現「不穩定跳動」（數字漂）
3. 若萬用電表可量反向漏電（通常不易），可在反向偏壓下粗略比較是否上升（或用更高阻值觀察）
📊 預期觀察（更精準版本）
- Vf 可能「上升、下降或變得更不穩定」
- 同一顆二極體在重複量測時，Vf 漂移變大（不穩定）
- 嚴重時可能出現：
- 反向漏電變大（靜態功耗上升）
- 最終開路（完全不導通）或短路（完全短）
你要建立的直覺：
過電流不是只有當下熱一下，可能會造成不可逆的參數退化。
✅ 專業解析（含 ASCII 圖）（加強版）
解析一、過熱位置：為什麼「接面」最危險？
二極體的真正工作點在 PN 接面 Junction，熱最集中也最脆弱。
Junction
▲
│ 熱集中區（Hot Spot）
│
┌─────────┐
│ Diode │
└─────────┘
✅ 關鍵直覺
- 外殼摸起來不一定很熱
- 但接面溫度可能已經衝高 → 這就是「看起來還好、其實內傷」的來源
解析二、為什麼 Vf 會上升 / 下降 / 不穩定？
這是本實驗最有價值的地方：你會看到「退化不只一種方向」。
1) 短時間升溫造成的「立即效應」（可逆）
- 溫度升高通常會讓 Vf 下降（同電流下）
- 所以你在過流當下量 Vf，可能會看到變低 但這是熱效應，不是永久損傷。
2) 過應力造成的「材料退化」（不可逆）
高溫 + 高電流可能造成：
- 接觸與金屬層劣化（等效串聯電阻上升）
- 接面缺陷增加（漏電上升、特性飄） → 回到室溫後，Vf 可能反而上升，或變得更飄
✅ 因此你可能看到三種結果都合理
- Vf_after > Vf_baseline：串聯電阻或接觸劣化
- Vf_after < Vf_baseline：接面特性改變、有效面積/缺陷改變
- Vf_after 不穩定：微損傷造成特性變敏感，重複量測漂移變大
解析三、為什麼「短時間過流」也會縮短壽命？
因為壽命不是被「一次大爆炸」決定，而是被「累積損傷」決定。
每一次過應力，都在增加缺陷與疲勞。
可靠度的世界：
不是非黑即白，而是逐步劣化。
解析四、工程意義：你要怎麼在設計中提高可靠度？
把實驗現象轉成設計行動：
✅ 1) 電流降額使用
- 不要讓二極體長期跑在最大 IF 附近
- 尤其在高溫環境更要保守
✅ 2) 電壓降額 + 避免反向崩潰
- 反向耐壓要留 margin
- 感性負載要加 flyback / TVS / snubber
✅ 3) 控制接面溫度 Tj
- 選封裝、留銅箔、加散熱
- 避免熱堆疊（附近高功耗元件）
✅ 4) 讓「最壞情況」也不過應力
- 溫度最高
- 供電最高
- 負載最大
- 製程最差 都要能撐住
🧠 工程結論
👉 設計就是在幫未來買保險。
👉 元件不是會不會壞，而是你有沒有把它的「壞」推到產品壽命之後。
