電子元器件失效的敏感環境和失效模式

本文對電子元器件的失效模式和失效機理進行了研究，並給出了其敏感環境，為電子產品的設計提供一定的參考。
1. 典型的組件故障模式
序列號
電子元件名稱
與環境相關的故障模式
環境壓力

1、機電元件
振動會導致線圈疲勞斷裂和電纜鬆動。
振動、衝擊

2、半導體微波器件
高溫和溫度衝擊導致塑封微波單片封裝材料與芯片、封裝材料與芯片座界面的分層。
高溫、溫度衝擊

3. 混合集成電路
衝擊導致陶瓷基板開裂，溫度衝擊導致電容器端電極開裂，溫度循環導致焊接失敗。
衝擊、溫度循環

4.分立器件與集成電路
熱擊穿、芯片焊接失敗、內引線鍵合失敗、衝擊導致鈍化層破裂。
高溫、衝擊、振動

5.電阻元件
核心基板破裂、電阻膜破裂、引線斷裂
衝擊、高低溫

6.板級電路
焊點破裂，銅孔破裂。
高溫

7、電吸塵
熱線疲勞斷裂。
振動
2、典型元件失效機理分析
電子元器件的失效模式不是單一的，只對典型元器件中有代表性的部分進行敏感環境容限分析，以得到更普遍的結論。
2.1 機電元件
典型的機電元件包括電連接器、繼電器等，分別結合兩類元件的結構對失效模式進行深入分析。

1) 電連接器
電連接器由外殼、絕緣體和接觸體三個基本單元組成，其失效形式概括為接觸失效、絕緣失效和機械失效三種失效形式。電連接器的主要失效形式為接觸失效，其失效表現為：觸點瞬間斷開和接觸電阻增大。對於電連接器來說，由於接觸電阻和材料導體電阻的存在，當有電流流過電連接器時，接觸電阻和金屬材料導體電阻會產生焦耳熱，焦耳熱會增加熱量，導致增加接觸點溫度，過高的接觸點溫度會使接觸面的金屬軟化、熔化甚至沸騰，還會增加接觸電阻，從而引發接觸不良。.在高溫環境的作用下，接觸部位也會出現蠕變現象，使接觸部位之間的接觸壓力降低。當接觸壓力降低到一定程度時，接觸電阻會急劇增加，最後造成電接觸不良，導致接觸不良。

另一方面，電連接器在儲存、運輸和工作中，會受到各種振動載荷和衝擊力的作用，當外界振動載荷的激勵頻率與電連接器的固有頻率接近時，會使電連接器產生共振現象，導致接觸片之間的間隙變大，間隙增大到一定程度，接觸壓力會瞬間消失，導致電接觸“瞬間斷開”。在振動、衝擊載荷下，電連接器會產生內應力，當應力超過材料的屈服強度時，會使材料損壞和斷裂；在這種長期應力的作用下，材料也會發生疲勞破壞，最終導致失效。

2) 繼電器
電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點、幹簧管等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，就會在線圈中流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會克服電磁吸力回到彈簧拉向鐵心，從而進而帶動銜鐵的動觸頭和靜觸頭（常開觸頭）閉合。當線圈斷電時，電磁吸力也隨之消失，銜鐵將在彈簧的反作用力下返回原位，使動觸點與原靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸和放，從而在電路中達到導通和切斷的目的。
電磁繼電器整體失效的主要方式有：繼電器常開、繼電器常閉、繼電器動彈簧動作不符合要求、繼電器電氣參數超差後觸點閉合。由於電磁繼電器生產工藝的不足，很多電磁繼電器故障在生產過程中埋下質量隱患，如機械應力消除週期過短導致機械結構成型後零件變形，殘渣清除不盡導致PIND測試不合格甚至失效，出廠測試和使用篩選不嚴格使器件投入使用等失效。衝擊環境很可能造成金屬觸點塑性變形，從而導致繼電器失效。在設計含有繼電器的設備時，需要著重考慮衝擊環境的適應性。

2.2 半導體微波元件
微波半導體器件是由鍺、矽和Ⅲ～Ⅴ族化合物半導體材料製成的工作在微波波段的元件。它們用於電子設備，如雷達、電子戰系統和微波通信系統。微波分立器件封裝除了為磁芯和引腳提供電氣連接和機械及化學保護外，外殼的設計和選擇還應考慮外殼寄生參數對器件微波傳輸特性的影響。微波外殼也是電路的一部分，它本身就構成了一個完整的輸入輸出電路。因此，外殼的形狀和結構、尺寸、介質材料、導體配置等應與元件的微波特性和電路應用方面相匹配。這些因素決定了管殼的電容、導線電阻、特性阻抗以及導體和介電損耗等參數。

微波半導體元件的環境相關故障模式和機制主要包括柵極金屬沉降和電阻性能退化。柵極金屬沉陷是由於柵極金屬（Au）熱加速擴散到 GaAs 中，因此這種失效機制主要發生在加速壽命測試或極端高溫操作期間。柵極金屬 (Au) 擴散到 GaAs 中的速率是柵極金屬材料的擴散係數、溫度和材料濃度梯度的函數。對於完美的晶格結構，在正常工作溫度下，器件性能不會受到非常慢的擴散速率的影響，但是，當顆粒邊界較大或存在許多表面缺陷時，擴散速率可能會很大。電阻器常用在微波單片集成電路中作反饋電路、有源器件的偏置點設定、隔離、功率合成或耦合端，電阻有兩種結構：金屬膜電阻（TaN、NiCr）和輕摻雜GaAs薄層電阻。試驗表明，受潮引起的NiCr電阻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，根據厚膜導帶的基板表面，薄膜導帶工藝分為厚膜混合集成電路和薄膜混合集成電路兩大類：某些小型印刷電路板（PCB）電路，由於印製電路是以薄膜的形式在平板表面形成導電圖形，也歸類為混合集成電路。隨著多芯片元器件這種先進混合集成電路的出現，其襯底獨特的多層佈線結構和通孔工藝技術，已經使元器件成為混合集成電路中高密度互連結構所用襯底的代名詞在多片元器件方面又包括：薄膜多層、厚膜多層、高溫共燒、低溫共燒、矽基、PCB多層基板等。

混合集成電路環境應力失效模式主要有基片開裂引起的電氣開路失效和元器件與厚膜導體、元器件與薄膜導體、基片與外殼之間的焊接失效。產品跌落的機械衝擊、焊接操作的熱衝擊、基板翹曲不均勻引起的附加應力、基板與金屬外殼和接合材料之間的熱不匹配引起的橫向拉伸應力、基板內部缺陷引起的機械應力或熱應力集中、潛在損壞基板鑽孔和基板切割引起的局部微裂紋，最終導致外部機械應力大於陶瓷基板的內在機械強度而導致失效。

焊料結構容易受到重複的溫度循環應力的影響，這會導致焊料層的熱疲勞，從而導致結合強度降低和熱阻增加。對於錫基類延展性焊料，溫度循環應力的作用導致焊料層熱疲勞是由於焊料連接的兩個結構的熱膨脹係數不一致，是焊料位移變形還是剪切變形，反復多次後，焊層隨著疲勞裂紋的擴大和延伸，最終導致焊層疲勞失效。
2.4 分立器件和集成電路
半導體分立器件按大類分為二極管、雙極型晶體管、MOS場效應管、晶閘管和絕緣柵雙極型晶體管。集成電路的應用範圍很廣，按功能可分為三大類，即數字集成電路、模擬集成電路和數模混合集成電路。

1）分立器件
分立器件種類繁多，由於其功能和工藝不同，具有各自的特殊性，失效性能也存在顯著差異。但是，作為半導體工藝形成的基本器件，它們的失效物理存在一定的相似性。與外部力學和自然環境有關的故障主要有熱擊穿、動態雪崩、芯片焊接故障和內部引線鍵合故障。

熱擊穿：熱擊穿或二次擊穿是影響半導體功率元件的主要失效機理，使用過程中的損壞大多與二次擊穿現像有關。二次擊穿分為正向偏壓二次擊穿和反向偏壓二次擊穿。前者主要與器件自身的熱學性質有關，如器件的摻雜濃度、本徵濃度等，而後者則與空間電荷區（如集電極附近）載流子的雪崩倍增有關，兩者其中總是伴隨著器件內部電流的集中。在此類元器件的應用中，應特別注意熱保護和散熱。

動態雪崩：在外力或內力動態關斷過程中，器件內部發生的受自由載流子濃度影響的電流控制碰撞電離現象引起動態雪崩，雙極型器件、二極管和IGBT都會發生這種現象。

芯片焊錫失效：主要原因是芯片和焊錫是不同的材料，熱膨脹係數不同，所以在高溫下存在熱失配。此外，焊料空洞的存在會增加器件的熱阻，使散熱變差並在局部區域形成熱點，使結溫升高並導致電遷移等與溫度相關的故障發生。

內引線鍵合失效：主要是鍵合點腐蝕失效，是鋁在濕熱鹽霧環境中受水蒸氣、氯元素等作用引起的腐蝕而引發的。溫度循環或振動引起的鋁鍵合引線疲勞斷裂。模塊封裝中的IGBT體積較大，如果安裝方式不當，極易造成應力集中，導致模塊內部引線疲勞斷裂。

2）集成電路
集成電路的失效機理與使用環境有很大的關係，潮濕環境受潮，靜電或電湧產生的損壞，過高的文字使用和集成電路在無輻射的輻射環境中使用電阻加固也會導致器件失效。

與鋁有關的界面效應：在矽基材料的電子器件中，廣泛使用SiO2層作為介電薄膜，而鋁常被用作互連線的材料，SiO2與鋁在高溫下會發生化學反應，使鋁層變薄，如果SiO2層因反應消耗而耗盡，會造成鋁和矽直接接觸。此外，金引線與鋁互連線或鋁鍵合線與管殼鍍金引線的鍵合，會產生Au-Al界面接觸。由於這兩種金屬的化學勢不同，在200℃以上的高溫下長期使用或貯存後會產生多種金屬間化合物，並且由於它們的晶格常數和熱膨脹係數不同，在鍵合點以內應力大，電導率變小。

金屬化腐蝕：芯片上的鋁連接線在濕熱環境下容易被水蒸氣腐蝕。由於價格抵消和易於量產，許多集成電路採用樹脂封裝，但是，水蒸氣可以通過樹脂到達鋁互連線，從外部帶入或溶解在樹脂中的雜質與金屬鋁作用導致鋁互連的腐蝕。

水汽引起的分層效應：塑料IC是用塑料和其他樹脂高分子材料封裝的集成電路，除了塑料材料與金屬框架和芯片之間的分層效應（俗稱“爆米花”效應）外，由於樹脂材料具有吸附水蒸氣的特性，吸附水蒸氣造成的分層效應也會導致器件失效。.失效機理是塑料密封材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分離，嚴重時會導致塑料密封體爆裂。

2.5 容阻元件
1）電阻器
常見的無繞線電阻器根據電阻體所用材料的不同可分為四種類型，即合金型、薄膜型、厚膜型和合成型。對於固定電阻器，主要失效模式為開路、電參數漂移等；而對於電位器來說，主要的失效模式是開路、電參數漂移、噪聲增大等，使用環境也會導致電阻老化，對電子設備的壽命影響很大。

氧化：電阻本體氧化會使電​​阻值增大，是造成電阻老化的最主要因素。除貴金屬和合金製成的電阻體外，其他材料都會被空氣中的氧氣損壞。氧化是一個長期的影響，當其他因素的影響逐漸減弱後，氧化就會成為主要因素，高溫高濕的環境會加速電阻器的氧化。對於精密電阻和高阻值電阻，防止氧化的根本措施是密封保護。密封材料應為無機材料，如金屬、陶瓷、玻璃等。有機保護層不能完全防止透濕透氣，只能起到延緩氧化和吸附作用。

粘結劑的老化：對於有機合成電阻器，有機粘結劑的老化是影響電阻器穩定性的主要因素。有機粘結劑主要是合成樹脂，在電阻器製造過程中通過熱處理轉變為高度聚合的熱固性聚合物。引起聚合物老化的主要因素是氧化。氧化產生的自由基引起聚合物分子鍵的鉸接，使聚合物進一步固化並變脆，導致彈性喪失和機械損傷。粘結劑的固化使電阻器體積收縮，增加了導電顆粒之間的接觸壓力，降低了接觸電阻，導致電阻下降，但粘結劑的機械損傷也增加了電阻。通常粘合劑的固化發生在前，機械損傷發生在後，所以有機合成電阻器的阻值表現出以下規律：階段開始有所下降，然後轉為上升，並有上升的趨勢。由於聚合物的老化與溫度和光照密切相關，合成電阻在高溫環境和強光照射下會加速老化。

電氣負載下的老化：對電阻器施加負載會加速其老化過程。在直流負載下，電解作用會損壞薄膜電阻器。開槽電阻器的槽之間發生電解，如果電阻基板是含有鹼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。在潮濕的環境中，這個過程進行得更加劇烈。

2）電容器
電容器的失效模式有短路、開路、電參數劣化（包括容量變化、損耗角正切增大和絕緣電阻降低）、漏液和鉛腐蝕斷裂。

短路：高溫和低氣壓下極間邊緣的飛弧會導致電容器短路，此外，外來衝擊等機械應力也會引起介質瞬態短路。

開路：濕熱環境導致引線和電極觸點氧化，導致陽極鉛箔低位不可觸及腐蝕斷裂。
電參數劣化：受潮濕環境影響，電參數劣化。

2.6 板級電路
印製電路板主要由絕緣基板、金屬佈線和連接不同層的導線、焊接元器件“焊盤”組成。它的主要作用是為電子元器件提供載體，起到電氣和機械連接的作用。

印製電路板的失效模式主要有虛焊不良、開短路、起泡、爆板脫層、板面腐蝕或變色、板彎曲