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)生在產品使用的初期，并在產品壽命周期內均陸續(xù)由失效發(fā)生，貫穿于產品壽命周期，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，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，在金屬化鋁上產生歐姆熱，熱量在極短時間內達到鋁熔融的溫度，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，產生噴射。

在集成電路中，極短時間內金屬化鋁條上產生極大電流密度，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，經分析診斷，定位到下圖所示的集成電路失效所至。經分析發(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中白色圈內有源區(qū)擊穿，圖2-14中紅色圈內。

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，而往往于產品壽命相關，使用應力在產品的應力范圍內，則產品的壽命指標是有效的，超出產品的應力指標，則使用壽命將明顯縮短。

在民用產品中，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有失效的表現(xiàn)，有的則在產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。

某公司生產的電磁爐在某時間段生產的電磁爐維修率異常波動，失效率是以往產品的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。可見，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公司的產品，但高失效時段的IGBT是新型號產品，是原來型號的升級產品，對比升級前后的IGBT的產品規(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)對整機產品的潛在影響；第二、還要關注產品內部結構是否也發(fā)生改變。通常情況下，新型號或同型號的產品在設計、內部結構、材料、以及工藝發(fā)生改變，其產品的規(guī)范上不提供相應改變的內容。但一旦內部結構發(fā)生改變，可能引起某些參數(shù)的實質性下降，但沒有超出原來產品規(guī)范的規(guī)定。因此，新型號產品分析其內部的變化,這些變化對產品性能可能產生什么影響,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，產品壽命越短。如果產品在使用中已經臨界甚至超指標使用，一旦新型號產品內部結構改變對這些指標有負面影響，顯然，產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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