干貨分享：電子元器件失效的敏感環(huán)境與失效模式

本文對電子元器件的失效模式及失效機理進(jìn)行了研究，并給出其敏感環(huán)境，對于電子產(chǎn)品的設計提供一定的參考

1、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1所示。

表1 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

2、典型元器件失效機理分析

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論。

2.1 機電元件

典型機電元件包括電連接器、繼電器等。分別結合兩類(lèi)元器件的結構對其失效模式進(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(lái)有接觸失效、絕緣失效和機械聯(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，其失效表現為：接觸對瞬斷和接觸電阻增大。對于電連接器來(lái)說(shuō)，由于接觸電阻及材料導體電阻的存在，當有電流流過(guò)電連接器時(shí)，接觸電阻和金屬材料導體電阻將會(huì )產(chǎn)生焦耳熱，焦耳熱升高會(huì )使得熱量增加，導致接觸點(diǎn)的溫度升高，過(guò)高的接觸點(diǎn)溫度會(huì )使得接觸表面的金屬軟化、融化甚至沸騰，同時(shí)也會(huì )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(huì )出現蠕變現象，使得接觸件之間的接觸壓力不斷減小。當接觸壓力減小到一定程度后，接觸電阻會(huì )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、運輸和工作時(shí)，會(huì )受到各種振動(dòng)載荷和沖擊力的作用，當外界振動(dòng)載荷的激勵頻率和電連接器固有頻率接近時(shí)，會(huì )使得電連接器產(chǎn)生共振現象，造成接觸件的間隙變大，間隙增大到一定程度，接觸壓力會(huì )瞬時(shí)消失，從而導致電接觸的“瞬斷”。在振動(dòng)、沖擊載荷作用下，電連接器內部會(huì )產(chǎn)生應力，當應力超過(guò)材料的屈服強度時(shí)，會(huì )使得材料產(chǎn)生破壞和斷裂；在這種長(cháng)期應力的作用下，材料也會(huì )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(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)、簧片等組成的。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì )流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會(huì )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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當線(xiàn)圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì )在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷目的。

電磁繼電器整體失效的主要模式有：繼電器常開(kāi)、繼電器常閉、繼電器動(dòng)彈簧動(dòng)作不滿(mǎn)足要求、觸點(diǎn)閉合后繼電器電參數超差等。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(guò)程中就埋下質(zhì)量隱患，如機械應力釋放期過(guò)短導致機械結構成型后部件變形，殘留物去除不盡導致 PIND檢測不合格甚至失效，出廠(chǎng)檢測與使用篩選不嚴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，導致繼電器發(fā)生失效。在進(jìn)行含繼電器設備的設計時(shí)，需要著(zhù)重對于其沖擊環(huán)境適應性進(jìn)行考慮。

2.2 半導體微波元件

微波半導體器件是指由Ge、Si和III~V族化合物半導體材料制成的工作在微波波段的元器件。用于雷達、電子戰系統和微波通信系統等電子設備。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械、化學(xué)保護外，管殼的設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，它本身就構成了一個(gè)完整的輸入輸出電路。因此，管殼的形狀結構、尺寸大小、介質(zhì)材料、導體配置等都要與元器件的微波特性和電路應用方面相匹配。這些因素確定了管殼的電容、電引線(xiàn)電阻、特性阻抗及導體和介質(zhì)的損耗等參數。

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

2.3 混合集成電路

傳統的混合集成電路，按基片表面的厚膜導帶、薄膜導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(lèi)：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電圖形的，也歸類(lèi)為混合集成電路。隨著(zhù)多芯片組件這一先進(jìn)混合集成電路的出現，其基板特有的多層布線(xiàn)結構和通孔工藝技術(shù)，已使組件成為混合集成電路中一種高密度互連結構的代名詞，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)境應力失效模式主要有基片開(kāi)裂造成電開(kāi)路失效以及元器件與厚膜導體、元器件與薄膜導體、基板與外殼之間的焊接失效。產(chǎn)品跌落產(chǎn)生的機械沖擊力、錫焊操作帶來(lái)的熱沖擊、基片翹曲不平引起的額外應力、基片與金屬外殼和黏結料之間熱失配產(chǎn)生的橫向拉伸應力、基片內部缺陷造成的機械應力或熱應力集中、基片鉆孔和基片切割局部微裂紋造成的潛在損傷，最終導致外部機械應力大于陶瓷基片固有的機械強度，造成失效。

焊接結構易在溫度循環(huán)應力的反復作用下，會(huì )導致焊料層熱疲勞，造成黏結強度下降、熱阻增加。對于錫基類(lèi)的韌性焊料，溫度循環(huán)應力作用導致焊料層的熱疲勞，是由于焊料連接的兩結構的熱膨脹系數不一致，是焊料產(chǎn)生位移變形或剪切變形，多次反復后，焊料層隨著(zhù)疲勞裂紋擴展和延伸，最終導致焊接層疲勞失效。

2.4 分立器件與集成電路

半導體分立器件按大類(lèi)分為二極管、雙極型晶體管、MOS場(chǎng)效應管、晶閘管和絕緣柵雙極型晶體管。集成電路應用范圍廣泛，根據功能可分為三類(lèi)，即數字集成電路、模擬集成電路和數?；旌霞呻娐?。

1）分立器件

分立器件種類(lèi)繁多，因各自功能和工藝不同，失效表現有較大差異，有其特殊性。然而，作為半導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?、?dòng)態(tài)雪崩、芯片焊接失效及內引線(xiàn)鍵合失效。

熱致?lián)舸簾嶂聯(lián)舸┗蚨螕舸┦怯绊懓雽w功率元器件的主要失效機理，使用過(guò)程中的損壞多半與二次擊穿現象有關(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（如集電極附近）載流子雪崩倍增有關(guān)，兩者總是伴隨著(zhù)器件內部的電流集中。在此類(lèi)元器件的應用中，要特別注意防熱和散熱。

動(dòng)態(tài)雪崩：在由于外力或內力導致的動(dòng)態(tài)關(guān)斷過(guò)程中，器件內部所發(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象，引起動(dòng)態(tài)雪崩，該現象在雙極型器件、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，熱膨脹系數不同，因此在高溫下存在熱失配問(wèn)題。另外，焊接空洞的存在會(huì )增大器件熱阻，使散熱變差，在局部區域形成熱點(diǎn)，使結溫升高，引起電遷移等與溫度相關(guān)的失效發(fā)生。

內引線(xiàn)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(dòng)導致鋁鍵合引線(xiàn)疲勞斷裂。模塊封裝的IGBT體積較大，如果安裝方式不當，極易引起應力集中，導致模塊內部引線(xiàn)發(fā)生疲勞斷裂。

2）集成電路

集成電路的失效機理和使用環(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(guò)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(huì )引起器件的失效。

與鋁有關(guān)的界面效應：在以硅基為材料的電子器件中，SiO2層作為一種介質(zhì)膜應用廣泛，而鋁常用作互連線(xiàn)的材料，SiO2與鋁在高溫時(shí)將發(fā)生化學(xué)反應，使鋁層變薄，若SiO2層因反應消耗而耗盡，將造成鋁硅直接接觸。此外，金引出線(xiàn)與鋁互連線(xiàn)或鋁鍵合絲與管殼鍍金引線(xiàn)的鍵合處，會(huì )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(cháng)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和熱膨脹系數不同，在鍵合點(diǎn)內產(chǎn)生很大的應力，電導率變小。

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

水汽引起的分層效應：塑封IC是指以塑料等樹(shù)脂類(lèi)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（俗稱(chēng)“爆米花”效應）外，由于樹(shù)脂類(lèi)材料具有吸附水汽的特性，由水汽吸附引起的分層效應也會(huì )使器件失效。失效機理是塑封料中的水分在高溫下迅速膨脹，使塑料與其附著(zhù)的其他材料間發(fā)生分離，嚴重時(shí)會(huì )使塑封本體爆裂。

2.5 阻容元件

1）電阻器

常見(jiàn)的非繞線(xiàn)電阻器按照電阻體所用的材料不同可以分為四種類(lèi)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(kāi)路、電參數漂移等；而對于電位器，其主要失效模式有開(kāi)路、電參數漂移、噪聲增大等。使用環(huán)境也將導致電阻器老化，對于電子設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(huì )受到空氣中氧的破壞。氧化作用是長(cháng)期作用的，當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(huì )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。密封材料應采用無(wú)機材料，如金屬、陶瓷、玻璃等。有機保護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。

黏結劑的老化：對于有機合成型電阻器，有機黏結劑的老化是影響電阻器穩定性的主要因素，有機黏結劑主要是合成樹(shù)脂，在電阻器的制造過(guò)程中，合成樹(shù)脂經(jīng)熱處理轉變?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)生機械破壞。黏結劑的固化使電阻器體積收縮，導電顆粒之間的接觸壓力增大，接觸電阻變小，使電阻值減小，但黏結劑的機械破壞也會(huì )使電阻值增大。通常黏結劑的固化發(fā)生在前，機械破壞發(fā)生在后，所以有機合成型電阻器的電阻值呈現出以下規律：在開(kāi)始階段有些下降，然后轉為增大，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)境和強烈光線(xiàn)照射下，合成電阻器會(huì )加速老化。

電負荷下的老化：對電阻器施加負荷會(huì )加速其老化過(guò)程。在直流負荷下，電解作用會(huì )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(chǎng)的作用下移動(dòng)。在潮濕環(huán)境下，此過(guò)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(kāi)路、電參數退化（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(xiàn)腐蝕斷裂等。

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

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

電參數退化：由于潮濕環(huán)境的影響導致電參數的退化。

2.6 板級電路

印制電路板主要是由絕緣基材、金屬布線(xiàn)和連接不同層的導線(xiàn)、焊接元器件的“焊盤(pán)”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(kāi)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(shuō)來(lái)，焊接不良主要與PCB焊盤(pán)的表面處理質(zhì)量不佳或焊盤(pán)表面狀態(tài)不良（如氧化污染等）有關(guān)；開(kāi)路往往出現在導線(xiàn)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(lái)源于印制板材料的性能不良；板彎、板翹也主要來(lái)源于基材質(zhì)量與加工工藝。沖擊、振動(dòng)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。

2.7 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，產(chǎn)生、放大、轉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。

3、結論

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，電子設備對于熱環(huán)境及沖擊、振動(dòng)環(huán)境比較敏感，易發(fā)生焊點(diǎn)失效及其他結構失效。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。