在工业电子系统中，二极管作为最基础、使用最广泛的半导体器件之一，广泛应用于整流、续流、反向保护、钳位、电压隔离及信号整形等场景。尽管二极管结构相对简单，但在高温、高湿、高浪涌、电磁干扰和长时间连续运行的工业环境下，其失效问题依然频繁发生，并可能引发系统级故障，甚至造成严重的安全隐患。

因此，从失效机理出发，系统性分析二极管在工业电子中的可靠性问题，并在设计阶段进行针对性的可靠性设计，是提升工业电子产品稳定性和寿命的关键。

二、二极管的基本结构与工作特性概述

典型二极管由 PN 结构成，其核心特性包括：

• 单向导通性：正向导通、反向截止

• 正向压降（VF）：与材料、工艺及电流密切相关

• 反向耐压（VRRM）：超过极限将导致击穿

• 反向漏电流（IR）：随温度显著上升

• 结温（Tj）限制：直接决定器件寿命

工业电子中常用的二极管类型包括：

• 普通整流二极管

• 快恢复 / 超快恢复二极管

• 肖特基二极管

• TVS / 稳压二极管（功能型）

不同类型的二极管，其失效机理和可靠性关注点也存在明显差异。

三、二极管常见失效模式

3.1 开路失效

表现形式：

• 正向无法导通

• 电路功能失效或保护功能缺失

典型原因：

• 键合线熔断或脱落

• PN 结局部过热导致金属迁移

• 机械应力或热循环引起内部断裂

在工业电源与控制系统中，开路失效往往导致保护回路失效，风险隐蔽且后果严重。

3.2 短路失效

表现形式：

• 二极管正反向均呈低阻

• 电源或信号被直接短接

典型原因：

• 反向浪涌电压击穿 PN 结

• 大电流冲击引发结区熔融

• 静电放电（ESD）损伤

短路失效在工业现场尤为危险，可能引起电源烧毁、保险丝熔断甚至火灾风险。

3.3 参数漂移型失效

表现形式：

• 正向压降升高

• 反向漏电流增大

• 反向耐压下降

典型原因：

• 长期高温老化

• 潮湿环境导致表面污染

• 半导体材料缺陷逐步扩展

该类失效初期不易被发现，却会显著降低系统的可靠性裕量。

四、二极管失效的核心机理分析

4.1 热失效机理

结温过高是二极管最主要的失效诱因之一：

• 正向导通损耗导致自热

• 散热路径设计不合理

• 环境温度长期偏高

结温每升高 10℃，器件寿命通常会下降 30%～50%，这一规律在工业电子中尤为显著。

4.2 电应力与浪涌失效

工业现场常见问题包括：

• 感性负载关断引发的高 dv/dt

• 雷击、浪涌、电机启动冲击

• 电源异常抖动

当反向电压或浪涌电流超过器件额定值时，PN 结会发生不可逆损伤。

4.3 机械与封装相关失效

• PCB 热胀冷缩引发焊点疲劳

• 大尺寸封装受振动冲击

• 封装开裂导致湿气侵入

在工业控制柜、轨道交通和新能源设备中，这类失效尤为常见。

4.4 环境因素导致的退化失效

• 高湿环境：加速漏电流上升

• 腐蚀性气体：引发金属电极腐蚀

• 粉尘污染：降低表面绝缘能力

这类问题往往与应用场景强相关，设计阶段必须充分考虑。

五、工业电子中二极管可靠性设计原则

5.1 充分的电压与电流降额设计

工程实践中建议：

• 反向耐压 ≥ 实际最大电压的 1.5～2 倍

• 正向平均电流 ≤ 额定值的 50%～70%

合理降额是提升长期可靠性的最有效手段之一。

5.2 热设计与结温控制

• 优化 PCB 铜箔面积与散热通道

• 选择低 VF、低损耗器件

• 避免热源集中布局

在高功率整流和续流场景中，必要时应进行热仿真验证。

5.3 针对浪涌与感性负载的保护设计

• 感性负载并联续流二极管

• 电源输入端配合 TVS、压敏电阻

• 合理选择快恢复或肖特基器件

多级防护比单一器件更可靠。

5.4 封装与工艺可靠性考虑

• 工业级或车规级封装优先

• 关注焊盘设计与焊接工艺

• 避免器件长期处于机械应力集中区

六、典型工业应用场景分析

6.1 工业电源与整流系统

重点关注：

• 长期高温运行

• 输入浪涌冲击

• 大电流循环应力

建议选择高可靠整流二极管并预留充足降额空间。

6.2 PLC 与工业控制 I/O

• 信号钳位与反接保护

• 高 ESD 抗扰度要求

小功率二极管的参数稳定性尤为重要。

6.3 新能源与电机驱动系统

• 高频开关环境

• 大 dv/dt 与 di/dt

需重点关注快恢复特性和反向恢复损耗。

七、结语

二极管虽小，却是工业电子系统可靠性的关键基础器件之一。通过深入理解其失效机理，并在选型、电气降额、热设计、防护设计及工艺层面进行系统性的可靠性设计，可以显著降低现场失效率，延长设备使用寿命。

在工业电子不断向高功率、高可靠、长寿命方向发展的背景下，对二极管等基础器件的失效分析与可靠性设计，将越来越成为工程师不可忽视的核心能力。