常見的電子元器件失效模式有哪些?

一、什么是電子元器件失效模式?

電子設(shè)備在使用過程中，電子元器件的性能可能會(huì)發(fā)生變化、損壞或失效，這種現(xiàn)象被稱為電子元器件的失效。失效模式是指電子元器件在失效前、失效過程以及失效后的狀態(tài)變化和情況，因此，了解電子元器件的失效模式對(duì)于電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)和更新都具有非常重要的意義。

二、常見的電子元器件失效模式有哪些?

1. 老化失效：由于電子元器件使用時(shí)間較長或環(huán)境因素等因素的影響，其性能會(huì)逐漸降低，導(dǎo)致設(shè)備失效。

2. 熱失效：高溫環(huán)境會(huì)引起元器件的氧化、電子遷移等物理化學(xué)過程，從而使性能降低并導(dǎo)致設(shè)備失效。

3. 感性失效：在執(zhí)行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的過程中，電感元器件會(huì)因電流突變而產(chǎn)生電磁感應(yīng)，如果電磁感應(yīng)過強(qiáng)，會(huì)影響元器件的性能從而失效。

4. 電容失效：在高頻和高壓的狀態(tài)下，電容元器件容易出現(xiàn)氧化熔斷、極板短路等故障，導(dǎo)致設(shè)備的失效。

5. 機(jī)械失效：元器件的機(jī)械損耗會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部連接的斷裂，從而使性能降低并最終失效。

三、如何預(yù)防和診斷電子元器件失效?

1. 預(yù)防失效：在電子元器件選型、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，應(yīng)選擇高質(zhì)量、高可靠性的元器件，并嚴(yán)格控制溫度、濕度、電壓等環(huán)境因素，防止元器件的老化和熱失效。

2. 診斷失效：當(dāng)電子設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)通過故障現(xiàn)象、失效特征及測試儀器等手段來判斷和定位電子元器件的失效模式和位置，進(jìn)而進(jìn)行維修或更換。

電子元器件失效模式是電子設(shè)備工作中必須考慮的一個(gè)問題，了解各種失效模式及其預(yù)防、診斷方法，對(duì)于保證電子設(shè)備的性能和可靠性具有重要意義。同時(shí)，電子元器件的失效模式在今后的電子設(shè)備應(yīng)用中還將不斷提升和更新，我們也需要不斷學(xué)習(xí)更新的技術(shù)方法，以適應(yīng)新時(shí)代的挑戰(zhàn)。

元器件設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)、工藝缺陷引起的失效是元器件常見失效之一，其失效由元器件自身缺陷決定，應(yīng)用環(huán)境和工作中施加的條件是失效的外因，不管應(yīng)用環(huán)境和工作中施加的條件是否出現(xiàn)異常均可出現(xiàn)失效。

此類失效往往發(fā)生在產(chǎn)品使用的初期，并在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)均陸續(xù)由失效發(fā)生，貫穿于產(chǎn)品壽命周期，引起早期失效率和隨機(jī)失效率異常增大。

從元器件的規(guī)范指標(biāo)的常規(guī)檢測中比較難發(fā)現(xiàn)此類問題,通常要通過某種應(yīng)力(如電壓、溫度、濕度)的激發(fā)后才出現(xiàn)某種指標(biāo)的異常。

極限應(yīng)力的失效

元器件的規(guī)范指標(biāo)中，有一部分指標(biāo)屬于極限應(yīng)力，極限應(yīng)力有兩種，一種是“絕對(duì)極限應(yīng)力”，另一種是“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”。

對(duì)“絕對(duì)極限應(yīng)力”，如果外部應(yīng)力超過元器件的極限應(yīng)力，元器件將立刻改變其性質(zhì)，如二極管、三極管的擊穿電壓，最高工作溫度(半導(dǎo)體最高結(jié)溫、鋁電解電容器最高溫度等)等屬于“絕對(duì)極限應(yīng)力”指標(biāo)。當(dāng)外部反向電壓高于二極管、三極管的反向耐壓，這時(shí)管子發(fā)生擊穿，成為“0電阻”通道，在外部提供足夠的能量時(shí)，管子立即燒毀;對(duì)雙極晶體管，CE之間擊穿后還有“負(fù)電阻”的情況，顯然，“負(fù)電阻”更容易引起管子燒毀;當(dāng)硅半導(dǎo)體器件結(jié)溫達(dá)到375"C時(shí)，半導(dǎo)體進(jìn)入本征導(dǎo)電，失去PN功能。

對(duì)于“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”，外部應(yīng)力超過元器件的極限應(yīng)力，元器件不立刻失效，但其工作的安全性不能保證，或使用壽命被縮短，如電阻器的功率、二、三極管的最大電流、三極管的安全工作區(qū)等指標(biāo)屬于“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”。在產(chǎn)品壽命評(píng)價(jià)、極限應(yīng)力能力評(píng)價(jià)時(shí)，通常對(duì)這方面的指標(biāo)進(jìn)行過應(yīng)力(加嚴(yán)應(yīng)力)工作，來實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)完成壽命加速評(píng)價(jià)的目的，或通過過應(yīng)力的試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同廠家產(chǎn)品的差別。

案例1：電源浪涌電壓引起的失效

下圖所示集成電路在使用中發(fā)生失效，無電源電流，集成電路的功能喪失。

經(jīng)分析，可見品芯片上的電源端口的金屬化鋁熔融，熔融的金屬化鋁噴射，整個(gè)金屬化鋁條已經(jīng)完全脫離芯片。這是金屬化鋁條流過很大的電流，在金屬化鋁上產(chǎn)生歐姆熱，熱量在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到鋁熔融的溫度，而此與金屬化鋁接觸的芯片仍處于溫度較低的狀態(tài)，因此，由于巨大的溫差，產(chǎn)生噴射。

在集成電路中，極短時(shí)間內(nèi)金屬化鋁條上產(chǎn)生極大電流密度，顯然是該端口引入了具有相當(dāng)能量的浪涌電壓，如雷電對(duì)電源的影響，或與其它更高電壓的電源短路。

本案例是外部應(yīng)力異常、外部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過樣品所能承受的應(yīng)力而發(fā)生的失效。在實(shí)際應(yīng)用中，僅僅靠選取更大應(yīng)力極限的產(chǎn)品來控制元器件的失效顯然是不全面的。畢競元器件的極限耐受能力是有限的，應(yīng)充分了解電路中所可能遇到的極端外部應(yīng)力情況，必要時(shí)設(shè)計(jì)(或加強(qiáng))相應(yīng)的保護(hù)電路。

案例2：傳輸線浪涌電壓的失效

某通訊系統(tǒng)故障，經(jīng)分析診斷，定位到下圖所示的集成電路失效所至。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該集成電路Pin102端口過電擊穿，端口連接的金屬化鋁條過流，圖2-14中白色圈內(nèi)有源區(qū)擊穿，圖2-14中紅色圈內(nèi)。

另外，在該機(jī)站同位置上使用的、后來又發(fā)生失效的另外1只集成電路也在Pin102端口過電擊穿，且具有相同的電異常表現(xiàn)和異常物理表現(xiàn)，說明該集成電路Pin102所連接的線路上存在異常的電壓(通常為浪涌電壓)。

該案例說明:在元器件極限應(yīng)力未退化至失效之前，外部的強(qiáng)應(yīng)力(過大應(yīng)力)常常導(dǎo)致樣品失效，在這種情況下，必須依靠元器件外部的有效保護(hù)來控制這類失效。

元器件本身(通常指集成電路和組件)具有一定的保護(hù)功能，但由于元器件的體積，尤其是價(jià)格的限制，這種保護(hù)功能是有限的，不可能應(yīng)付比較強(qiáng)的外部異常應(yīng)力，因此，要求電路設(shè)計(jì)者充分掌握整機(jī)可能遇到的極端情況，在元器件外部加強(qiáng)必要的過應(yīng)力保護(hù)裝置，如采用瞬變二極管、壓電陶瓷電阻等浪涌電壓釋放(吸收)電路。

案例3：極限應(yīng)力退化失效

元器件隨著使用時(shí)間推移，其極限應(yīng)力在退化，其中整流二極管的反向耐壓(擊穿電壓)是典型的例子。

整流二極管通常采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)，臺(tái)面結(jié)的保護(hù)結(jié)構(gòu)決定了整流二極管的反向耐壓的穩(wěn)定性，整流二極管工作過程中的反向電壓使其臺(tái)面保護(hù)退化，而外部應(yīng)力超出臺(tái)面保護(hù)的承受范圍時(shí)發(fā)生擊穿失效,尤其是整流輸入的交流電源經(jīng)常出現(xiàn)異常的脈沖電壓，因此，退化的臺(tái)面保護(hù)結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生擊穿失效。

圖2-15中可見，失效的二極管擊穿部位發(fā)生在臺(tái)面結(jié)處，這是電壓擊穿的明顯特征，符合臺(tái)面保護(hù)結(jié)構(gòu)退化機(jī)理的失效特征。

從本案例可見，一方面，元器件的極限應(yīng)力水平在退化，另方面，外部應(yīng)力存在異常波動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮外部應(yīng)力的異常情況，在選用元器件上，應(yīng)考慮元器件極限應(yīng)力的一致性，以防極限應(yīng)力分布異常帶來的“時(shí)段性”失效;另外，應(yīng)評(píng)價(jià)元器件極限應(yīng)力的退化，優(yōu)選穩(wěn)定的產(chǎn)品。

案例4：臨界極限應(yīng)力的失效

元器件的“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”(如最大工作電流、功率等)是一種極限應(yīng)力，但這種應(yīng)力沒有明顯的應(yīng)力失效點(diǎn)，而往往于產(chǎn)品壽命相關(guān)，使用應(yīng)力在產(chǎn)品的應(yīng)力范圍內(nèi)，則產(chǎn)品的壽命指標(biāo)是有效的，超出產(chǎn)品的應(yīng)力指標(biāo)，則使用壽命將明顯縮短。

在民用產(chǎn)品中，由于造價(jià)的問題，臨界的使用、甚至超額使用是常有的事，嚴(yán)重的時(shí)候，在整機(jī)工藝過程中就已經(jīng)有失效的表現(xiàn)，有的則在產(chǎn)品使用一段時(shí)間后才陸續(xù)出現(xiàn)失效，視應(yīng)力超額程度以及不同應(yīng)力之間的相互影響有關(guān)。

某公司生產(chǎn)的電磁爐在某時(shí)間段生產(chǎn)的電磁爐維修率異常波動(dòng)，失效率是以往產(chǎn)品的2~3倍，而失效率增大的貢獻(xiàn)均為IGBT(雙極型場效應(yīng)管一電磁爐的功率管)引起的失效。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，失效的IGBT芯片上的失效表現(xiàn)非常一致，均呈現(xiàn)過電流、過功率、或過功率的失效特征，見圖2-17。

經(jīng)過強(qiáng)電流、功率、和高溫應(yīng)力的模擬試驗(yàn)，可試驗(yàn)失效的IGBT芯片的失效特征?？梢?，強(qiáng)電流模擬試驗(yàn)的結(jié)果與使用失效的失效特征一致，說明本次使用使用的IGBT的失效屬于過電流失效。

大失效率時(shí)段和以前使用的IGBT均為PHLIP公司的產(chǎn)品，但高失效時(shí)段的IGBT是新型號(hào)產(chǎn)品，是原來型號(hào)的升級(jí)產(chǎn)品，對(duì)比升級(jí)前后的IGBT的產(chǎn)品規(guī)范，發(fā)現(xiàn)失效時(shí)段使用的IGBT的功能指標(biāo)不僅沒有下降，反而，失效時(shí)段的IGBT的功率指標(biāo)從原來的175W提高到330W。從參數(shù)指標(biāo)來說，新型號(hào)產(chǎn)品在相同的電路上使用，其可靠性應(yīng)該更高，但實(shí)際使用新型號(hào)的失效率顯著增大。

通過新、老型號(hào)產(chǎn)品的解剖分析可見，老型號(hào)的IGBT中，反向釋放二極管是獨(dú)立芯片，而新型號(hào)IGBT釋放二極管將釋放二：極管集成到一一個(gè)芯片中，但新型號(hào)的IGBT的芯片面積并沒有增大，與老型號(hào)的IGBT的芯片面積一樣，見2-19，因此，從電流能力來說，新型號(hào)IGBT芯片小于老型號(hào)IGBT的芯片。

所以，新型號(hào)的IGBT更容易出現(xiàn)過電流燒毀的問題。

在實(shí)際改進(jìn)中，或采用更大電流能力的IGBT，或適當(dāng)降低電磁爐的功率，即降低電磁爐的電流。

本案例可見，在選用新型號(hào)元器件的時(shí)候，不僅要關(guān)注產(chǎn)品的指標(biāo)規(guī)范，還要關(guān)注兩方面的問題，第一、新型號(hào)元器件那些指標(biāo)參數(shù)有改變，這些改變的參數(shù)對(duì)整機(jī)產(chǎn)品的潛在影響;第二、還要關(guān)注產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否也發(fā)生改變。通常情況下，新型號(hào)或同型號(hào)的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、以及工藝發(fā)生改變，其產(chǎn)品的規(guī)范上不提供相應(yīng)改變的內(nèi)容。但一旦內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可能引起某些參數(shù)的實(shí)質(zhì)性下降，但沒有超出原來產(chǎn)品規(guī)范的規(guī)定。因此，新型號(hào)產(chǎn)品分析其內(nèi)部的變化,這些變化對(duì)產(chǎn)品性能可能產(chǎn)生什么影響,尤其是對(duì)諸如最大電流、最大功率之類的“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”指標(biāo)的影響，因?yàn)榇祟愔笜?biāo)不是應(yīng)力超過指標(biāo)就燒毀，而是應(yīng)力越強(qiáng)，產(chǎn)品壽命越短。如果產(chǎn)品在使用中已經(jīng)臨界甚至超指標(biāo)使用，一旦新型號(hào)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變對(duì)這些指標(biāo)有負(fù)面影響，顯然，產(chǎn)品的失效率將顯著增大。

另外，電路元器件失效還有跟整機(jī)裝配工藝，比如：再流焊熱變、室溫過高、塑料封裝IC、外部裝配等引起機(jī)械應(yīng)力影響有關(guān)，以及元器件固有機(jī)理有關(guān)，比如：如集成電路金屬化鋁條電遷移失效，靜電放電損傷失效, CMOS集成電路的閂鎖效應(yīng)失效，多層陶瓷電容器低電壓失效，銀電極的銀遷移失效等等。