电路可靠性设计：电子元器件失效的常规分类、检测及案例分析

谢谢侬 · 发表于 2021-3-11 13:36

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元器件设计、材料、结构、工艺缺陷引起的失效是元器件常见失效之一，其失效由元器件自身缺陷决定，应用环境和工作中施加的条件是失效的外因，不管应用环境和工作中施加的条件是否出现异常均可出现失效。

此类失效往往发生在产品使用的初期，并在产品寿命周期内均陆续由失效发生，贯穿于产品寿命周期，引起早期失效率和随机失效率异常增大。

从元器件的规范指标的常规检测中比较难发现此类问题,通常要通过某种应力(如电压、温度、湿度)的激发后才出现某种指标的异常。

极限应力的失效

元器件的规范指标中，有一部分指标属于极限应力，极限应力有两种，一种是“绝对极限应力”，另一种是“寿命相关极限应力”。

对“绝对极限应力”，如果外部应力超过元器件的极限应力，元器件将立刻改变其性质，如二极管、三极管的击穿电压，最高工作温度(半导体最高结温、铝电解电容器最高温度等)等属于“绝对极限应力”指标。当外部反向电压高于二极管、三极管的反向耐压，这时管子发生击穿，成为“0 电阻”通道，在外部提供足够的能量时，管子立即烧毁;对双极晶体管，CE 之间击穿后还有“负电阻”的情况，显然，“负电阻”更容易引起管子烧毁;当硅半导体器件结温达到 375"C 时，半导体进入本征导电，失去 PN 功能。

对于“寿命相关极限应力”，外部应力超过元器件的极限应力，元器件不立刻失效，但其工作的安全性不能保证，或使用寿命被缩短，如电阻器的功率、二、三极管的最大电流、三极管的安全工作区等指标属于“寿命相关极限应力”。在产品寿命评价、极限应力能力评价时，通常对这方面的指标进行过应力(加严应力)工作，来实现短时间内完成寿命加速评价的目的，或通过过应力的试验，评价不同厂家产品的差别。

案例 1：电源浪涌电压引起的失效

下图所示集成电路在使用中发生失效，无电源电流，集成电路的功能丧失。

经分析，可见品芯片上的电源端口的金属化铝熔融，熔融的金属化铝喷射，整个金属化铝条已经完全脱离芯片。这是金属化铝条流过很大的电流，在金属化铝上产生欧姆热，热量在极短时间内达到铝熔融的温度，而此与金属化铝接触的芯片仍处于温度较低的状态，因此，由于巨大的温差，产生喷射。

在集成电路中，极短时间内金属化铝条上产生极大电流密度，显然是该端口引入了具有相当能量的浪涌电压，如雷电对电源的影响，或与其它更高电压的电源短路。

本案例是外部应力异常、外部应力远远超过样品所能承受的应力而发生的失效。在实际应用中，仅仅靠选取更大应力极限的产品来控制元器件的失效显然是不全面的。毕竞元器件的极限耐受能力是有限的，应充分了解电路中所可能遇到的极端外部应力情况，必要时设计（或加强）相应的保护电路。

案例 2：传输线浪涌电压的失效

某通讯系统故障，经分析诊断，定位到下图所示的集成电路失效所至。经分析发现，该集成电路 Pin102 端口过电击穿，端口连接的金属化铝条过流，图 2-14 中白色圈内有源区击穿，图 2-14 中红色圈内。

另外，在该机站同位置上使用的、后来又发生失效的另外 1 只集成电路也在 Pin102 端口过电击穿，且具有相同的电异常表现和异常物理表现，说明该集成电路 Pin102 所连接的线路上存在异常的电压(通常为浪涌电压)。

该案例说明:在元器件极限应力未退化至失效之前，外部的强应力(过大应力)常常导致样品失效，在这种情况下，必须依靠元器件外部的有效保护来控制这类失效。

元器件本身(通常指集成电路和组件)具有一定的保护功能，但由于元器件的体积，尤其是价格的限制，这种保护功能是有限的，不可能应付比较强的外部异常应力，因此，要求电路设计者充分掌握整机可能遇到的极端情况，在元器件外部加强必要的过应力保护装置，如采用瞬变二极管、压电陶瓷电阻等浪涌电压释放(吸收)电路。

案例 3：极限应力退化失效
元器件随着使用时间推移，其极限应力在退化，其中整流二极管的反向耐压(击穿电压)是典型的例子。

整流二极管通常采用台面结构，台面结的保护结构决定了整流二极管的反向耐压的稳定性，整流二极管工作过程中的反向电压使其台面保护退化，而外部应力超出台面保护的承受范围时发生击穿失效,尤其是整流输入的交流电源经常出现异常的脉冲电压，因此，退化的台面保护结构更容易发生击穿失效。

图 2-15 中可见，失效的二极管击穿部位发生在台面结处，这是电压击穿的明显特征，符合台面保护结构退化机理的失效特征。

从本案例可见，一方面，元器件的极限应力水平在退化，另方面，外部应力存在异常波动。因此，在设计上应充分考虑外部应力的异常情况，在选用元器件上，应考虑元器件极限应力的一致性，以防极限应力分布异常带来的“时段性”失效；另外，应评价元器件极限应力的退化，优选稳定的产品。

案例 4：临界极限应力的失效
元器件的“寿命相关极限应力”(如最大工作电流、功率等)是一种极限应力，但这种应力没有明显的应力失效点，而往往于产品寿命相关，使用应力在产品的应力范围内，则产品的寿命指标是有效的，超出产品的应力指标，则使用寿命将明显缩短。

在民用产品中，由于造价的问题，临界的使用、甚至超额使用是常有的事，严重的时候，在整机工艺过程中就已经有失效的表现，有的则在产品使用一段时间后才陆续出现失效，视应力超额程度以及不同应力之间的相互影响有关。

某公司生产的电磁炉在某时间段生产的电磁炉维修率异常波动，失效率是以往产品的 2~3 倍，而失效率增大的贡献均为 IGBT(双极型场效应管一电磁炉的功率管)引起的失效。

经分析发现，失效的 IGBT 芯片上的失效表现非常一致，均呈现过电流、过功率、或过功率的失效特征，见图 2-17。

经过强电流、功率、和高温应力的模拟试验，可试验失效的 IGBT 芯片的失效特征。可见，强电流模拟试验的结果与使用失效的失效特征一致，说明本次使用使用的 IGBT 的失效属于过电流失效。

大失效率时段和以前使用的 IGBT 均为 PHLIP 公司的产品，但高失效时段的 IGBT 是新型号产品，是原来型号的升级产品，对比升级前后的 IGBT 的产品规范，发现失效时段使用的 IGBT 的功能指标不仅没有下降，反而，失效时段的 IGBT 的功率指标从原来的 175W 提高到 330W。从参数指标来说，新型号产品在相同的电路上使用，其可靠性应该更高，但实际使用新型号的失效率显著增大。

通过新、老型号产品的解剖分析可见，老型号的 IGBT 中，反向释放二极管是独立芯片，而新型号 IGBT 释放二极管将释放二：极管集成到一一个芯片中，但新型号的 IGBT 的芯片面积并没有增大，与老型号的 IGBT 的芯片面积一样，见 2-19，因此，从电流能力来说，新型号 IGBT 芯片小于老型号 IGBT 的芯片。

所以，新型号的 IGBT 更容易出现过电流烧毁的问题。

在实际改进中，或采用更大电流能力的 IGBT，或适当降低电磁炉的功率，即降低电磁炉的电流。

本案例可见，在选用新型号元器件的时候，不仅要关注产品的指标规范，还要关注两方面的问题，第一、新型号元器件那些指标参数有改变，这些改变的参数对整机产品的潜在影响；第二、还要关注产品内部结构是否也发生改变。通常情况下，新型号或同型号的产品在设计、内部结构、材料、以及工艺发生改变，其产品的规范上不提供相应改变的内容。但一旦内部结构发生改变，可能引起某些参数的实质性下降，但没有超出原来产品规范的规定。因此，新型号产品分析其内部的变化,这些变化对产品性能可能产生什么影响,尤其是对诸如最大电流、最大功率之类的“寿命相关极限应力”指标的影响，因为此类指标不是应力超过指标就烧毁，而是应力越强，产品寿命越短。如果产品在使用中已经临界甚至超指标使用，一旦新型号产品内部结构改变对这些指标有负面影响，显然，产品的失效率将显著增大。

另外，电路元器件失效还有跟整机装配工艺，比如：再流焊热变、室温过高、塑料封装 IC、外部装配等引起机械应力影响有关，以及元器件固有机理有关，比如：如集成电路金属化铝条电迁移失效，静电放电损伤失效, CMOS 集成电路的闩锁效应失效，多层陶瓷电容器低电压失效，银电极的银迁移失效等等。