元器件在各類環(huán)境中的失效模式和失效機(jī)理分析

一、典型元器件失效模式

為獲取電子元器件的敏感環(huán)境，對其環(huán)境相關(guān)典型故障模式進(jìn)行分析，如表所示。

電子元器件環(huán)境相關(guān)失效模式及所涉及敏感環(huán)境分析

二、典型元器件失效機(jī)理分析

電子元器件的故障模式并不單一，僅對有代表性的部分典型元器件敏感環(huán)境的耐受極限進(jìn)行分析，以得到較為通適的結(jié)論。

1、機(jī)電元件

典型機(jī)電元件包括電連接器、繼電器等。分別結(jié)合兩類元器件的結(jié)構(gòu)對其失效模式進(jìn)行深入分析。

1）電連接器

電連接器由殼體、絕緣體和接觸體三大基本單元組成,其失效模式概括起來有接觸失效、絕緣失效和機(jī)械聯(lián)接失效三種失效形式。電連接器的主要失效形式為接觸失效，其失效表現(xiàn)為：接觸對瞬斷和接觸電阻增大。對于電連接器來說，由于接觸電阻及材料導(dǎo)體電阻的存在，當(dāng)有電流流過電連接器時，接觸電阻和金屬材料導(dǎo)體電阻將會產(chǎn)生焦耳熱，焦耳熱升高會使得熱量增加，導(dǎo)致接觸點(diǎn)的溫度升高，過高的接觸點(diǎn)溫度會使得接觸表面的金屬軟化、融化甚至沸騰，同時也會增大接觸電阻，從而引發(fā)接觸失效。在高溫環(huán)境的作用下，接觸件還會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，使得接觸件之間的接觸壓力不斷減小。當(dāng)接觸壓力減小到一定程度后，接觸電阻會急劇增大，最后造成電接觸不良，引發(fā)接觸失效。

另一方面，電連接器在貯存、運(yùn)輸和工作時，會受到各種振動載荷和沖擊力的作用，當(dāng)外界振動載荷的激勵頻率和電連接器固有頻率接近時，會使得電連接器產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成接觸件的間隙變大，間隙增大到一定程度，接觸壓力會瞬時消失，從而導(dǎo)致電接觸的“瞬斷”。在振動、沖擊載荷作用下，電連接器內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時，會使得材料產(chǎn)生破壞和斷裂；在這種長期應(yīng)力的作用下，材料也會發(fā)生疲勞損傷，最后引發(fā)失效。

2）繼電器

電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)、簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，進(jìn)而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷目的。

電磁繼電器整體失效的主要模式有：繼電器常開、繼電器常閉、繼電器動彈簧動作不滿足要求、觸點(diǎn)閉合后繼電器電參數(shù)超差等。由于電磁繼電器生產(chǎn)工藝的不足，很多電磁繼電器的失效在生產(chǎn)過程中就埋下質(zhì)量隱患，如機(jī)械應(yīng)力釋放期過短導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)成型后部件變形，殘留物去除不盡導(dǎo)致 PIND檢測不合格甚至失效，出廠檢測與使用篩選不嚴(yán)使得失效器件投入使用等。而沖擊環(huán)境易引發(fā)金屬觸點(diǎn)的塑性變形，導(dǎo)致繼電器發(fā)生失效。在進(jìn)行含繼電器設(shè)備的設(shè)計時，需要著重對于其沖擊環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行考慮。

2、半導(dǎo)體微波元件

微波半導(dǎo)體器件是指由Ge、Si和III~V族化合物半導(dǎo)體材料制成的工作在微波波段的元器件。用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)和微波通信系統(tǒng)等電子設(shè)備。微波分立器件的封裝除了要為管芯和引腳提供電連接及機(jī)械、化學(xué)保護(hù)外，管殼的設(shè)計和選用還要考慮管殼寄參量對器件微波傳輸特性的影響。微波管殼也是電路的一部分，它本身就構(gòu)成了一個完整的輸入輸出電路。因此，管殼的形狀結(jié)構(gòu)、尺寸大小、介質(zhì)材料、導(dǎo)體配置等都要與元器件的微波特性和電路應(yīng)用方面相匹配。這些因素確定了管殼的電容、電引線電阻、特性阻抗及導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗等參數(shù)。

微波半導(dǎo)體元器件的環(huán)境相關(guān)的失效模式與機(jī)理主要包括柵金屬下沉和電阻性能的退化。柵金屬下沉是因?yàn)闁沤饘?Au)熱加速擴(kuò)散進(jìn)入GaAs中，所以這種失效機(jī)理主要在加速壽命試驗(yàn)或極高溫工作時出現(xiàn)。柵金屬(Au)擴(kuò)散進(jìn)入GaAs的速率是柵金屬材料的擴(kuò)散系數(shù)、溫度和材料濃度梯度的函數(shù)，對于完美的晶格結(jié)構(gòu)，在正常的工作溫度下因擴(kuò)散率非常慢而不會影響器件的性能，然而顆粒邊界很大或表面缺陷很多時，擴(kuò)散率會很顯著。電阻通常被用于微波單片集成電路的反饋電路、設(shè)置有源器件的偏置點(diǎn)、隔離、功率合成或耦合的末端,有兩種結(jié)構(gòu)的電阻:金屬薄膜電阻(TaN、NiCr)和輕摻雜GaAs薄層電阻。試驗(yàn)表明潮濕引起NiCr電阻的退化是其失效的主要機(jī)理。

3、混合集成電路

傳統(tǒng)的混合集成電路，按基片表面的厚膜導(dǎo)帶、薄膜導(dǎo)帶工藝不同分為厚膜混合集成電路和薄膜混合集成電路兩大類：某些小型的印制電路板（PCB）電路，由于印制電路是以膜的形式在平整板表面形成導(dǎo)電圖形的，也歸類為混合集成電路。隨著多芯片組件這一先進(jìn)混合集成電路的出現(xiàn)，其基板特有的多層布線結(jié)構(gòu)和通孔工藝技術(shù)，已使組件成為混合集成電路中一種高密度互連結(jié)構(gòu)的代名詞，多芯片組件所采用的基板又包括：薄膜多層、厚膜多層、高溫共燒、低溫共燒、硅基、PCB多層基板等。

混合集成電路環(huán)境應(yīng)力失效模式主要有基片開裂造成電開路失效以及元器件與厚膜導(dǎo)體、元器件與薄膜導(dǎo)體、基板與外殼之間的焊接失效。產(chǎn)品跌落產(chǎn)生的機(jī)械沖擊力、錫焊操作帶來的熱沖擊、基片翹曲不平引起的額外應(yīng)力、基片與金屬外殼和黏結(jié)料之間熱失配產(chǎn)生的橫向拉伸應(yīng)力、基片內(nèi)部缺陷造成的機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力集中、基片鉆孔和基片切割局部微裂紋造成的潛在損傷，最終導(dǎo)致外部機(jī)械應(yīng)力大于陶瓷基片固有的機(jī)械強(qiáng)度，造成失效。

焊接結(jié)構(gòu)易在溫度循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用下，會導(dǎo)致焊料層熱疲勞，造成黏結(jié)強(qiáng)度下降、熱阻增加。對于錫基類的韌性焊料，溫度循環(huán)應(yīng)力作用導(dǎo)致焊料層的熱疲勞，是由于焊料連接的兩結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)不一致，是焊料產(chǎn)生位移變形或剪切變形，多次反復(fù)后，焊料層隨著疲勞裂紋擴(kuò)展和延伸，最終導(dǎo)致焊接層疲勞失效。

4、分立器件與集成電路

半導(dǎo)體分立器件按大類分為二極管、雙極型晶體管、MOS場效應(yīng)管、晶閘管和絕緣柵雙極型晶體管。集成電路應(yīng)用范圍廣泛，根據(jù)功能可分為三類，即數(shù)字集成電路、模擬集成電路和數(shù)模混合集成電路。

1）分立器件

分立器件種類繁多，因各自功能和工藝不同，失效表現(xiàn)有較大差異，有其特殊性。然而，作為半導(dǎo)體工藝形成的基本器件，其失效物理有一定的相似性。與外界力學(xué)及自然環(huán)境相關(guān)的失效主要有熱致?lián)舸討B(tài)雪崩、芯片焊接失效及內(nèi)引線鍵合失效。

熱致?lián)舸簾嶂聯(lián)舸┗蚨螕舸┦怯绊懓雽?dǎo)體功率元器件的主要失效機(jī)理，使用過程中的損壞多半與二次擊穿現(xiàn)象有關(guān)。二次擊穿分為正向偏置二次擊穿合反向偏置二次擊穿。前者主要與器件自身的熱性能有關(guān)，如器件的摻雜濃度、本征濃度等，后者與空間電荷區(qū)（如集電極附近）載流子雪崩倍增有關(guān)，兩者總是伴隨著器件內(nèi)部的電流集中。在此類元器件的應(yīng)用中，要特別注意防熱和散熱。

動態(tài)雪崩：在由于外力或內(nèi)力導(dǎo)致的動態(tài)關(guān)斷過程中，器件內(nèi)部所發(fā)生的由電流控制的受自由載流子濃度影響的碰撞電離現(xiàn)象，引起動態(tài)雪崩，該現(xiàn)象在雙極型器件、二極管和IGBT中都可能發(fā)生。

芯片焊接失效：主要原因是芯片與焊料是不同的材料，熱膨脹系數(shù)不同，因此在高溫下存在熱失配問題。另外，焊接空洞的存在會增大器件熱阻，使散熱變差，在局部區(qū)域形成熱點(diǎn)，使結(jié)溫升高，引起電遷移等與溫度相關(guān)的失效發(fā)生。

內(nèi)引線鍵合失效：主要是鍵合點(diǎn)的腐蝕失效，引發(fā)的原因是在濕熱鹽霧環(huán)境中水汽、氯元素等的作用引起鋁的腐蝕。溫循或振動導(dǎo)致鋁鍵合引線疲勞斷裂。模塊封裝的IGBT體積較大，如果安裝方式不當(dāng)，極易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致模塊內(nèi)部引線發(fā)生疲勞斷裂。

2）集成電路

集成電路的失效機(jī)理和使用環(huán)境具有很大的關(guān)系，潮濕環(huán)境中的水汽、靜電或電浪涌產(chǎn)生的損傷、過高的使用文圖及在輻射環(huán)境下使用未經(jīng)抗輻射加固的集成電路也會引起器件的失效。

與鋁有關(guān)的界面效應(yīng)：在以硅基為材料的電子器件中，SiO2層作為一種介質(zhì)膜應(yīng)用廣泛，而鋁常用作互連線的材料，SiO2與鋁在高溫時將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使鋁層變薄，若SiO2層因反應(yīng)消耗而耗盡，將造成鋁硅直接接觸。此外，金引出線與鋁互連線或鋁鍵合絲與管殼鍍金引線的鍵合處，會產(chǎn)生Au-Al界面接觸。由于這兩種金屬的化學(xué)勢不同，經(jīng)長期使用或200℃以上高溫存儲后將產(chǎn)生多種金屬間化合物，并且由于其晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)不同，在鍵合點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，電導(dǎo)率變小。

金屬化腐蝕：芯片上的鋁連接線在濕熱環(huán)境中易受到水汽的腐蝕。由于價格偏移和容易大量生產(chǎn)，許多集成電路是用樹脂包封的，然而水汽可以穿過樹脂到達(dá)鋁互連線處，從外部帶入的雜質(zhì)或溶解的樹脂中的雜質(zhì)與金屬鋁作用，使鋁互連線產(chǎn)生腐蝕。

水汽引起的分層效應(yīng)：塑封IC是指以塑料等樹脂類聚合物材料封裝的集成電路，除了塑封材料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應(yīng)（俗稱“爆米花”效應(yīng)）外，由于樹脂類材料具有吸附水汽的特性，由水汽吸附引起的分層效應(yīng)也會使器件失效。失效機(jī)理是塑封料中的水分在高溫下迅速膨脹，使塑料與其附著的其他材料間發(fā)生分離，嚴(yán)重時會使塑封本體爆裂。

5、阻容元件

1）電阻器

常見的非繞線電阻器按照電阻體所用的材料不同可以分為四種類型即合金型、薄膜型、厚膜型和合成型。對于固定電阻器，其主要失效模式有開路、電參數(shù)漂移等；而對于電位器，其主要失效模式有開路、電參數(shù)漂移、噪聲增大等。使用環(huán)境也將導(dǎo)致電阻器老化，對于電子設(shè)備的壽命具有很大影響。

氧化：電阻器電阻體的氧化將使電阻值增大，是造成電阻器老化的最主要因素。除了貴金屬及合金制成的電阻體外，其他材料都會受到空氣中氧的破壞。氧化作用是長期作用的，當(dāng)其他因素的影響逐漸減弱后，氧化作用將成為主要因素，高溫高濕環(huán)境會加速電阻器的氧化。對于精密電阻器和高阻值電阻器，防止氧化的根本措施是密封保護(hù)。密封材料應(yīng)采用無機(jī)材料，如金屬、陶瓷、玻璃等。有機(jī)保護(hù)層不能完全防止透濕和透氣，對氧化和吸附作用只能起到延緩作用。

黏結(jié)劑的老化：對于有機(jī)合成型電阻器，有機(jī)黏結(jié)劑的老化是影響電阻器穩(wěn)定性的主要因素，有機(jī)黏結(jié)劑主要是合成樹脂，在電阻器的制造過程中，合成樹脂經(jīng)熱處理轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔酆隙鹊臒峁绦跃酆衔?。引起聚合物老化的主要因素是氧化。氧化生成的游離基引起聚合物分子鍵的鉸鏈，從而使聚合物進(jìn)一步固化、變脆，進(jìn)而喪失彈性和發(fā)生機(jī)械破壞。黏結(jié)劑的固化使電阻器體積收縮，導(dǎo)電顆粒之間的接觸壓力增大，接觸電阻變小，使電阻值減小，但黏結(jié)劑的機(jī)械破壞也會使電阻值增大。通常黏結(jié)劑的固化發(fā)生在前，機(jī)械破壞發(fā)生在后，所以有機(jī)合成型電阻器的電阻值呈現(xiàn)出以下規(guī)律：在開始階段有些下降，然后轉(zhuǎn)為增大，且有不斷增大的趨勢。由于聚合物的老化與溫度、光照密切相關(guān)，所以在高溫環(huán)境和強(qiáng)烈光線照射下，合成電阻器會加速老化。

電負(fù)荷下的老化：對電阻器施加負(fù)荷會加速其老化過程。在直流負(fù)荷下，電解作用會損壞薄膜電阻器。電解發(fā)生在刻槽電阻器的槽間，如果電阻基體為含有堿金屬離子的陶瓷或玻璃材料，則離子在槽間電場的作用下移動。在潮濕環(huán)境下，此過程進(jìn)行得更為劇烈。

2）電容器

電容器的失效模式有短路、開路、電參數(shù)退化（包括電容量變化、損耗角正切值增大和絕緣電阻降低）、漏液和引線腐蝕斷裂等。

短路：在高溫和低氣壓下極間邊緣飛弧將會導(dǎo)致電容器短路，此外外界沖擊等機(jī)械應(yīng)力作用下也會造成電介質(zhì)瞬時短路。

開路：由于濕熱環(huán)境造成的引出線及電極接觸處氧化，造成低電平不通以及陽極引出箔腐蝕斷裂。

電參數(shù)退化：由于潮濕環(huán)境的影響導(dǎo)致電參數(shù)的退化。

6、板級電路

印制電路板主要是由絕緣基材、金屬布線和連接不同層的導(dǎo)線、焊接元器件的“焊盤”組成。它的主要作用是提供電子元器件承載的載體，并起到電氣和機(jī)械連接的作用。

印制電路板的失效模式主要包括焊接不良，開路和短路不良，起泡，爆板分層，板面腐蝕或變色，板彎板翹等。一般說來，焊接不良主要與PCB焊盤的表面處理質(zhì)量不佳或焊盤表面狀態(tài)不良（如氧化污染等）有關(guān)；開路往往出現(xiàn)在導(dǎo)線或金屬化孔上，與PCB加工工藝及材料本身性能密不可分；短路或漏電一般是由于導(dǎo)體間絕緣間距減小或因腐蝕促成電化學(xué)遷移等造成的；板面分層起泡則一般與板材壓合工藝匹配性相關(guān)，另一方面也可能來源于印制板材料的性能不良；板彎、板翹也主要來源于基材質(zhì)量與加工工藝。沖擊、振動環(huán)境易造成印制電路板焊點(diǎn)發(fā)生疲勞，產(chǎn)生微裂紋，從而加速印制電路板的失效。

7、電真空器

真空電子器件是指利用處于真空媒質(zhì)中的電子（或離子）的各種效應(yīng)，產(chǎn)生、放大、轉(zhuǎn)換電磁波信號的有源器件。典型的電真空器包括行波管、磁控管、速調(diào)管等。其中磁控管的振蕩頻率受到環(huán)境溫度的影響較大，溫度突變極易造成磁控管頻率的偏移。

本文對于典型電子元器件的耐受環(huán)境極限進(jìn)行分析，研究表明，電子設(shè)備對于熱環(huán)境及沖擊、振動環(huán)境比較敏感，易發(fā)生焊點(diǎn)失效及其他結(jié)構(gòu)失效。部分元器件對于自然環(huán)境例如濕熱、鹽霧等環(huán)境較為敏感，易發(fā)生腐蝕失效。