ส่วนประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟเช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ เป็นโครงสร้างพื้นฐานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด ส่วนประกอบ เหล่านี้ไม่ได้ให้กำลังขยาย หรือ การสวิตช์ชิ่ง แต่ทำหน้าที่สำคัญในการปรับสภาพสัญญาณ การจ่ายพลังงาน การกรอง และการกำหนดเวลา ความเรียบง่ายของอุปกรณ์เหล่านี้เต็มไป ด้วยกระบวนการทางกายภาพและ ปฏิกิริยาเคมีซับซ้อน ที่มีผลต่อการควบคุมการทำงาน ระยะยาว และคุณภาพจะลดลงเมื่อผ่านระยะเวลาผ่านไป การลดถอยประสิทธิภาพ ในที่นี้จึงหมายถึง ความเสื่อมสภาพที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์นั้นๆ 

การเสื่อมสภาพ (Aging) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป และไม่ สามารถย้อนกลับได้ ในพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่เป็นส่วนประกอบของอิเล็กทรอนิกส์ และอยู่ภายใต้ผลกระทบจากการใช้งานและสภาพแวดล้อมโดยรอบ ส่วนความน่าเชื่อถือ (Reliability) หมายถึง ความน่าจะเป็นที่ส่วนประกอบต่างๆจะทำงานตามที่ต้องการ ภายใต้เงื่อนไขที่ระบุไว้ในช่วงเวลาที่กำหนด การทำความเข้าใจกลไกการเสื่อมสภาพ ที่แตกต่างกันของส่วนประกอบแบบพาสซีฟแต่ละประเภทจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อ การออกแบบระบบให้มีอายุการใช้งานยาวนานหลายทศวรรษ ดังเช่น ในอุตสาหกรรม การบินและอวกาศ อุปกรณ์ทางการแพทย์ โครงสร้างพื้นฐานด้านโทรคมนาคม และ อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์

การเสื่อมสภาพของตัวต้านทาน: การเปลี่ยนแปลงค่าพารามิเตอร์และ การเกิด การกัดกร่อนจากสภาพแวดล้อม

ตัวต้านทานจะมีการเปลี่ยนแปลงค่าพารามิเตอร์ วัดได้จากการเปลี่ยนแปลง ค่าความต้านทาน (ΔR) เป็นหลัก สำหรับตัวต้านทานแบบชิปที่มีฟิล์มหนา กลไกหลัก คือ การออกซิเดชันของสารนำไฟฟ้าภายในบริเวณจุดเชื่อมต่อ ทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น อย่างค่อยเป็นค่อยไป การซึมเข้าของความชื้น โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่เลวร้าย ทำให้ปัญหารุนแรงขึ้นผ่านกระบวนการเคลื่อนย้ายปฎิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า ส่วนตัว ต้านทานแบบฟิล์มบาง แม้จะเสถียรมากกว่า แต่ความต้านทานก็เพิ่มขึ้น เนื่องจาก การดูดซับสารปนเปื้อน หรือ เมื่อเวลาผ่านไปมีการตกผลึกใหม่ของฟิล์มโลหะ ตัวต้านทานแบบพันลวดเองก็อาจมีการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากการคลายตัวของแรง ทางกลในขดลวด หรือ การออกซิเดชันของโลหะผสมในลวด ความล้มเหลวของอุปกรณ์ หลังจากสิ้นสุดอายุการใช้งานของตัวต้านทานมักจะไม่รุนแรง แต่เป็นการเปลี่ยนแปลง ค่าพารามิเตอร์ทีละนิดจนเกินกว่าค่าความคลาดเคลื่อนของวงจร การทดสอบอายุ การใช้งานอย่างเร่ง (Accelerated Life Test) โดยทั่วไปจะอยู่ภายใต้อุณหภูมิและ ความชื้นสูงประมาณ 85°C หรือ ความชื้นสัมพัทธ์ 85% เพื่อจำลองการเปลี่ยนแปลง ค่าพารามิเตอร์นี้ โดยผลลัพธ์มักแสดงในหน่วย ppm พิจารณาจากการเปลี่ยนแปลง ต่อการทำงานหนึ่งพันชั่วโมง

การเสื่อมสภาพของตัวเก็บประจุ: การเสื่อมสภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ซับซ้อน

ตัวเก็บประจุมีรูปแบบการเสื่อมสภาพหลายรูปแบบ และมีความวิกฤตสูง ตามวัสดุแบบ Dielectric ดังเช่น ตัวเก็บประจุแบบอะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ (Aluminum electrolytic capacitors) จะเซนซิทีฟเป็นพิเศษ เพราะมีอิเล็กโทรไลต์เป็นของเหลว ทำให้กลไกการเสื่อมสภาพ และการระเหยของอิเล็กโทรไลต์เกิดผ่านความไม่สมบูรณ์ ของซีล นำไปสู่ปริมาณความจุลดลง และความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR: Equivalent Series Resistance) เพิ่มขึ้น 

การเปลี่ยนแปลงทางเคมีไฟฟ้าของชั้นฉนวนออกไซด์ก็อาจเสื่อมสภาพได้เช่นกัน หากปล่อยตัวเก็บประจุทิ้ง โดยไม่จ่ายไฟเป็นเวลานาน ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลัม ซึ่งใช้ อิเล็กโทรไลต์แมงกานีสไดออกไซด์ที่เป็นของแข็งจะทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรง เนื่องจากข้อบกพร่องของผลึกที่ส่งผลให้เกิดความร้อนสูง  ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC: Multilayer Ceramic Capacitors ) ที่มีฉนวนเฟอร์โรอิเล็กทริกอย่าง  X7R หรือ Z5U จะประสบปัญหาเรื่องปริมาณความจุลดลง  เนื่องจากการเคลื่อนที่ของผนังโดเมน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการที่เร่งขึ้น เกิดจากอุณหภูมิและแรงดัน ไบแอส DC ที่ใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มที่มีฉนวนเป็นพอลิเมอร์ เช่น โพลีโพรพีลีน ซึ่งจัดเป็น ตัวเก็บประจุที่มีความเสถียรสูง แต่สามารถเสื่อมสภาพได้จากปรากฏการณ์คายประจุ บางส่วน (โคโรนา) ภายใต้แรงดันไฟฟ้าสูง หรือ การดูดซับความชื้น

การเสื่อมสภาพของตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลง: การเสื่อมสภาพของฉนวน และแกนแม่เหล็ก

การเสื่อมสภาพของชิ้นส่วนเหนี่ยวนำอย่าง ตัวเหนี่ยวนำ และหม้อแปลงจะขึ้นอยู่กับ วัสดุหลักได้แก่ ขดลวด และการเสื่อมสภาพของแกนแม่เหล็ก เริ่มจากขดลวด ปัญหาหลัก ของขดลวดในระยะยาว คือ การเสื่อมสภาพของสารเคลือบฉนวน เนื่องจากการเปลี่ยน แปลงอุณหภูมิ ทำให้เกิดรอยแตกและลัดวงจรในที่สุด ความร้อนที่สูงเกินไปยังเร่ง การเกิดออกซิเดชันของลวดเองด้วย ถัดมาแกนแม่เหล็ก วัสดุอย่างเฟอร์ไรต์อาจมีค่าการซึม ผ่านเปลี่ยนไป และมีการสูญเสียในแกนเพิ่มมากขึ้น เนื่องจากความเครียดทางกล หรือ การแพร่กระจายของสิ่งเจือปนเมื่ออุณหภูมิสูง ส่วนแกนเหล็กผงที่ใช้ในแหล่งจ่ายไฟ แบบสวิตช์โหมด วัสดุยึดเกาะอาจเสื่อมสภาพ ทำให้สูญเสียฮิสเทอรีซิสแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และอาจเกิดการพังทลายทางกายภาพภายใต้การสั่นสะเทือน ดังนั้น ความน่าเชื่อถือจึง เชื่อมโยงกับการจัดการอุณหภูมิและการป้องกันจากแรงกระแทกทางกลและความชื้น

การเชื่อมต่อและข้อต่อบัดกรี: ผลกระทบต่อทั้งระบบ

แม้จะไม่ใช่ส่วนประกอบแยกต่างหาก แต่ข้อต่อบัดกรี และการเชื่อมต่อระดับแผงวงจร ที่ยึดส่วนประกอบแบบพาสซีฟสำคัญต่ออายุการใช้งานของระบบ ข้อต่อบัดกรีที่ใช้ดีบุก มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกขนาดเล็กและขยายตัว จากความล้าทางความร้อนเชิงกล ผ่านการเปิดปิดไฟ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE: Coefficient of Thermal Expansion) ที่แตกต่างกันระหว่างส่วนประกอบ บัดกรี และแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เมื่อเวลาผ่านไปหลายทศวรรษ สิ่งนี้อาจนำไปสู่ความต้านทานการสัมผัสในวงจรที่เพิ่มขึ้น หรือ วงจรเปิด อีกทั้งการเคลื่อนย้ายทางเคมีไฟฟ้า (Electrochemical Migration) เป็นการ เติบโตของเส้นใยโลหะนำไฟฟ้าเช่น เดนไดรต์ ภายใต้แรงดันไฟฟ้าในสภาวะแวดล้อม ที่เต็มไปด้วยความชื้น อาจก่อให้เกิดเส้นทางการรั่วไหล หรือ การลัดวงจร ซึ่งเป็นความ ล้มเหลวที่ถูกเข้าใจผิดว่าเกิดจากตัวส่วนประกอบเอง

สรุป

ประสิทธิภาพในระยะยาวของชิ้นส่วนแบบพาสซีฟไม่ใช่เรื่องที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญ แต่เป็นผลลัพธ์ที่ถูกคาดการณ์ไว้แล้ว ผ่านการใช้ความรู้เรื่องวิทยาศาสตร์วัสดุ (Material Science) และสภาวะความเครียด (Stress Conditions) การรับรองความน่าเชื่อถือต้องใช้ แนวทางที่หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นการเลือกชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่มีอายุการใช้งาน ที่เหมาะสม กับการใช้งาน การลด แรงดันไฟฟ้า และข้อกำหนดด้านกำลังไฟ การใช้มาตรการป้องกัน สภาพแวดล้อมที่แข็งแกร่ง เช่น การเคลือบแบบคอนฟอร์มอล การปิดผนึกแบบสุญญากาศ และการจัดการโปรไฟล์ ความร้อนในการทำงาน การทดสอบอายุการใช้งานแบบเร่ง และการสร้างแบบจำลอง ทางฟิสิกส์สำหรับความล้มเหลวเป็นเครื่องมือสำคัญ สำหรับ การคาดการณ์อายุการใช้งาน 

ท้ายที่สุด การตระหนักและลดกลไกการเสื่อมสภาพเฉพาะของชิ้นส่วนแบบ พาสซีฟแต่ละประเภทเป็นหลักการทางวิศวกรรมพื้นฐานสำหรับการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอ นิกส์ที่ทนทานได้มากยิ่งขึ้นในอนาคต