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(duì)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(duì)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(lèi)元器件的結(jié)構(gòu)對(duì)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(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(duì)瞬斷和接觸電阻增大。對(duì)于電連接器來(lái)說(shuō)，由于接觸電阻及材料導(dǎo)體電阻的存在，當(dāng)有電流流過(guò)電連接器時(shí)，接觸電阻和金屬材料導(dǎo)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(dǎo)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(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(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(yùn)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(dāng)外界振動(dòng)載荷的激勵(lì)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(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(huì)瞬時(shí)消失，從而導(dǎo)致電接觸的“瞬斷”。在振動(dòng)、沖擊載荷作用下，電連接器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使得材料產(chǎn)生破壞和斷裂；在這種長(zhǎng)期應(yīng)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(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，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(dāng)線圈斷電后，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(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(kāi)、繼電器常閉、繼電器動(dòng)彈簧動(dòng)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(guò)程中就埋下質(zhì)量隱患，如機(jī)械應(yīng)力釋放期過(guò)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(cè)不合格甚至失效，出廠檢測(cè)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(jì)時(shí)，需要著重對(duì)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(jì)和選用還要考慮管殼寄參量對(duì)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(gè)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(shí)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(duì)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(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(kuò)散率會(huì)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(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(dǎo)電圖形的，也歸類(lèi)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(kāi)裂造成電開(kāi)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(lái)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(huì)導(dǎo)致焊料層熱疲勞，造成黏結(jié)強(qiáng)度下降、熱阻增加。對(duì)于錫基類(lèi)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(lèi)分為二極管、雙極型晶體管、MOS場(chǎng)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(lèi)，即數(shù)字集成電路、模擬集成電路和數(shù)?；旌霞呻娐贰?/p>

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(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?、?dòng)態(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(guò)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(lèi)元器件的應(yīng)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(nèi)力導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)關(guān)斷過(guò)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(dòng)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(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(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(dòng)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(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(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(shí)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(huì)產(chǎn)生Au-Al界面接觸。由于這兩種金屬的化學(xué)勢(shì)不同，經(jīng)長(zhǎng)期使用或200℃以上高溫存儲(chǔ)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(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(dá)鋁互連線處，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(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(yīng)（俗稱(chēng)“爆米花”效應(yīng)）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(yīng)也會(huì)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(shí)會(huì)使塑封本體爆裂。

5、阻容元件

1）電阻器

常見(jiàn)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(lèi)型即合金型、薄膜型、厚膜型和合成型。對(duì)于固定電阻器，其主要失效模式有開(kāi)路、電參數(shù)漂移等；而對(duì)于電位器，其主要失效模式有開(kāi)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(duì)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(huì)受到空氣中氧的破壞。氧化作用是長(zhǎng)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(huì)加速電阻器的氧化。對(duì)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(wú)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(duì)氧化和吸附作用只能起到延緩作用。

黏結(jié)劑的老化：對(duì)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(shù)脂，在電阻器的制造過(guò)程中，合成樹(shù)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(huì)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(kāi)始階段有些下降，然后轉(zhuǎn)為增大，且有不斷增大的趨勢(shì)。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(huì)加速老化。

電負(fù)荷下的老化：對(duì)電阻器施加負(fù)荷會(huì)加速其老化過(guò)程。在直流負(fù)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(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(huì)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(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(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(jí)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(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(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(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(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(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。

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(hào)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(duì)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(duì)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(jié)構(gòu)失效。部分元器件對(duì)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。