一文詳解電子元器件失效的分類、檢測和案例

元器件設計、材料、結構、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，應用環(huán)境和工作中施加的條件是失效的外因，不管應用環(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失效率異常增大。

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

極限應力的失效

元器件的規(guī)范指標中，有一部分指標屬于極限應力，極限應力有兩種，一種是“絕對極限應力”，另一種是“壽命相關極限應力”。

對“絕對極限應力”，如果外部應力超過元器件的極限應力，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(半導體最高結溫、鋁電解電容器最高溫度等)等屬于“絕對極限應力”指標。當外部反向電壓高于二極管、三極管的反向耐壓，這時管子發(fā)生擊穿，成為“0電阻”通道，在外部提供足夠的能量時，管子立即燒毀;對雙極晶體管，CE之間擊穿后還有“負電阻”的情況，顯然，“負電阻”更容易引起管子燒毀;當硅半導體器件結溫達到375"C時，半導體進入本征導電，失去PN功能。

對于“壽命相關極限應力”，外部應力超過元器件的極限應力，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)等指標屬于“壽命相關極限應力”。在產(chǎn)品壽命評價、極限應力能力評價時，通常對這方面的指標進行過應力(加嚴應力)工作，來實現(xiàn)短時間內(nèi)完成壽命加速評價的目的，或通過過應力的試驗，評價不同廠家產(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，熱量在極短時間內(nèi)達到鋁熔融的溫度，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能量的浪涌電壓，如雷電對電源的影響，或與其它更高電壓的電源短路。

本案例是外部應力異常、外部應力遠遠超過樣品所能承受的應力而發(fā)生的失效。在實際應用中，僅僅靠選取更大應力極限的產(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，應充分了解電路中所可能遇到的極端外部應力情況，必要時設計（或加強）相應的保護電路。

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:在元器件極限應力未退化至失效之前，外部的強應力(過大應力)常常導致樣品失效，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)具有一定的保護功能，但由于元器件的體積，尤其是價格的限制，這種保護功能是有限的，不可能應付比較強的外部異常應力，因此，要求電路設計者充分掌握整機可能遇到的極端情況，在元器件外部加強必要的過應力保護裝置，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：極限應力退化失效

元器件隨著使用時間推移，其極限應力在退化，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面結構，臺面結的保護結構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面保護退化，而外部應力超出臺面保護的承受范圍時發(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，退化的臺面保護結構更容易發(fā)生擊穿失效。

圖2-15中可見，失效的二極管擊穿部位發(fā)生在臺面結處，這是電壓擊穿的明顯特征，符合臺面保護結構退化機理的失效特征。

從本案例可見，一方面，元器件的極限應力水平在退化，另方面，外部應力存在異常波動。因此，在設計上應充分考慮外部應力的異常情況，在選用元器件上，應考慮元器件極限應力的一致性，以防極限應力分布異常帶來的“時段性”失效；另外，應評價元器件極限應力的退化，優(yōu)選穩(wěn)定的產(chǎn)品。

案例4：臨界極限應力的失效

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

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

某公司生產(chǎn)的電磁爐在某時間段生產(chǎn)的電磁爐維修率異常波動，失效率是以往產(chǎn)品的2~3倍，而失效率增大的貢獻均為IGBT(雙極型場效應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)過強電流、功率、和高溫應力的模擬試驗，可試驗失效的IGBT芯片的失效特征?？梢?，強電流模擬試驗的結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。

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

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

所以，新型號的IGBT更容易出現(xiàn)過電流燒毀的問題。

在實際改進中，或采用更大電流能力的IGBT，或適當降低電磁爐的功率，即降低電磁爐的電流。

本案例可見，在選用新型號元器件的時候，不僅要關注產(chǎn)品的指標規(guī)范，還要關注兩方面的問題，第一、新型號元器件那些指標參數(shù)有改變，這些改變的參數(shù)對整機產(chǎn)品的潛在影響；第二、還要關注產(chǎn)品內(nèi)部結構是否也發(fā)生改變。通常情況下，新型號或同型號的產(chǎn)品在設計、內(nèi)部結構、材料、以及工藝發(fā)生改變，其產(chǎn)品的規(guī)范上不提供相應改變的內(nèi)容。但一旦內(nèi)部結構發(fā)生改變，可能引起某些參數(shù)的實質(zhì)性下降，但沒有超出原來產(chǎn)品規(guī)范的規(guī)定。因此，新型號產(chǎn)品分析其內(nèi)部的變化,這些變化對產(chǎn)品性能可能產(chǎn)生什么影響,尤其是對諸如最大電流、最大功率之類的“壽命相關極限應力”指標的影響，因為此類指標不是應力超過指標就燒毀，而是應力越強，產(chǎn)品壽命越短。如果產(chǎn)品在使用中已經(jīng)臨界甚至超指標使用，一旦新型號產(chǎn)品內(nèi)部結構改變對這些指標有負面影響，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、外部裝配等引起機械應力影響有關，以及元器件固有機理有關，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。
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