對(duì)電子元器件的失效機(jī)理分析

扈敬

摘要：電子元器件是電子整機(jī)產(chǎn)品的源頭，失效分析是電子元器件質(zhì)量、可靠性工作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，失效分析是基于對(duì)元器件工藝、結(jié)構(gòu)和電特性的了解、對(duì)其失效模式、失效特征及失效機(jī)理的掌握、以及對(duì)失效分析程序、失效分析技術(shù)的靈活運(yùn)用。為了讓電子設(shè)備或電子系統(tǒng)可以正常可靠地運(yùn)行，就必須針對(duì)電子元器件的故障必須要積極加以診斷和處理，找到失效故障的原因，及時(shí)處理故障，確保電子元器件以及電氣設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)?；诖吮疚姆治隽穗娮釉骷氖C(jī)理。

關(guān)鍵詞：電子元器件；失效機(jī)理；方法

一、電子元器件失效模式

在電子元器件運(yùn)行過程中常見的失效模式主要有六種，分別是開路、短路、無功能、特性劣化、重測合格率低和結(jié)構(gòu)不好。電子元器件故障原因分類主要分為以下幾種：第一，表面劣化機(jī)理。表面劣化指的是電子元器件表面受到腐蝕從而形成的失效現(xiàn)象，例如電子元器件表面受到鈉離子玷污，引起溝道漏電、γ輻射損傷、表面擊穿等。第二，金屬化系統(tǒng)劣化機(jī)理，指的是鋁電遷移、鋁腐蝕、鋁化傷、鋁缺口等。第三，封裝劣化機(jī)理，在電子元器件封裝過程中由于質(zhì)量不到位，導(dǎo)致元器件的管腿腐蝕、電子元器件集成部位漏氣、殼內(nèi)有外來物等從而引起漏電和短路故障。第四，使用問題引起的損壞，在使用電路系統(tǒng)的時(shí)候由于不正確的操作行為導(dǎo)致電子元器件受到損傷的現(xiàn)象，例如靜電損傷、電浪涌損傷、機(jī)械損傷、過高溫度引起的破壞等。

二、電子元件失效機(jī)理

（一）大部分電子元器件的可靠性指標(biāo)均不明確

這類矛盾主要存在老舊機(jī)型的配套產(chǎn)品上，由于電阻器、電容器、電感器和半導(dǎo)體分立器件等電子元器件失效時(shí)間函數(shù)不服從指數(shù)分布，且受設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料和工藝等影響較大，生產(chǎn)廠家只是給了相應(yīng)的質(zhì)量保證等級(jí)，沒有給出量化表征產(chǎn)品可靠性水平的特征數(shù)。配套產(chǎn)品承制單位由于沒有量化表征產(chǎn)品可靠性水平的特征數(shù)可參考，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)無法正確評(píng)估電阻器、電容器、電感器和半導(dǎo)體分立器件等電子元器件的可靠性指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品全壽命周期的影響，沒有對(duì)電子元器件的使用情況進(jìn)行有效的監(jiān)督，更沒有制定相應(yīng)的管理措施，致使大量上世紀(jì)六七十年代的產(chǎn)品部隊(duì)仍在使用。但到壽的電子元器件一旦超出壽命期繼續(xù)使用就存在發(fā)生故障的巨大風(fēng)險(xiǎn)，為部隊(duì)飛行安全埋下了巨大的隱患。

（二）可靠性方面問題

不管是元件還是器件，其可靠性指標(biāo)都會(huì)受到諸多因素的影響，如元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工作模式、選用的材料和采用的生產(chǎn)工藝，使用的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力等因素都會(huì)對(duì)元器件的可靠性指標(biāo)造成影響。對(duì)于不同的元器件，各個(gè)因素對(duì)元器件可靠性指標(biāo)的影響程度是不同的，對(duì)于電容器而言選用的原材料是影響可靠性指標(biāo)的關(guān)鍵因素；對(duì)于半導(dǎo)體分立器件采用的生產(chǎn)工藝和電應(yīng)力是影響可靠性指標(biāo)的關(guān)鍵因素；對(duì)于繼電器、接觸器而言結(jié)構(gòu)、工藝、材料、電應(yīng)力對(duì)可靠性指標(biāo)的影響都是至關(guān)重要的，所以各種因素對(duì)元器件可靠性指標(biāo)的影響不能一概而論，需要有側(cè)重點(diǎn)。

三、失效分析的技術(shù)方法

（一）常用方法

1.感官辨別法。通過眼觀部件外形、手觸感知部件溫度與軟硬程度、鼻嗅味道、耳聽聲音，判斷是否存在異常的方式即為感官辨別法。感官辨別法操作簡便、省錢，只是能夠辨別的內(nèi)容會(huì)受感官能力的制約。

2.電源拉偏法。電源拉偏法是指把正常的電源與電壓拉偏，使其處于非正常狀態(tài)，然后暴露出薄弱環(huán)節(jié)或故障，進(jìn)而可以反映出故障或?yàn)l臨故障的組件、元器件部位。這種方法一般用在由于工作時(shí)間較長導(dǎo)致的故障或初步判斷是電網(wǎng)波動(dòng)引發(fā)故障的情況。值得提醒的是，電源拉偏法具有一定的破壞性，使用這種方法前一定要檢查保險(xiǎn)系數(shù)或其他因素，切記勿隨便使用。

（二）加強(qiáng)可靠性管理

1.可靠性測試。若測試已可確定測試出電路的某個(gè)功能塊失效時(shí)，可將這一功能塊（或某元器件）隔離開，然后進(jìn)行可靠性測試。如上述測試未能確定出電路的某個(gè)功能塊失效，那么采用分段測試手段，搜尋失效部位，探究失效模式。

2.電子元器件破壞性分析。電子元器件的破壞性分析一般是采用物理分析方法來進(jìn)行。物理分析方法就是通過對(duì)同批次樣品進(jìn)行隨機(jī)抽取部分用來進(jìn)行測試、試驗(yàn)、以及分析，然后根據(jù)分析結(jié)果得出這一批元器件地材料、質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)跟相關(guān)專業(yè)規(guī)范相一致。對(duì)不符合規(guī)范要求的電子器件產(chǎn)品一律退回重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)，只有這樣才能嚴(yán)格保證產(chǎn)品的合格率、提高經(jīng)濟(jì)效益。

（三）對(duì)于元器件的工作負(fù)荷要進(jìn)行科學(xué)的控制

根據(jù)元器件的實(shí)際應(yīng)用效果來講，如果元器件經(jīng)常處于滿負(fù)荷或者超負(fù)荷的狀態(tài)下工作的話，質(zhì)量再好的元器件其使用期限肯定會(huì)慢慢減小。所以在使用電子元器件的時(shí)候要及時(shí)的給它進(jìn)行負(fù)荷和溫度的調(diào)整，與此同時(shí)在按照冗余設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)這樣的措施來增強(qiáng)元器件的使用性能，最大限度的降低其失效率；對(duì)于功率比較大的元器件來說最好是具備有相應(yīng)的散熱器功能零部件，以確保電子元器件的電路負(fù)荷不會(huì)超標(biāo)，當(dāng)然要確保電路的性能良好還是得得選擇電子元器件成本較高的集成電路會(huì)比較好。

（四）加強(qiáng)對(duì)電子元器件使用和監(jiān)管

元器件的使用規(guī)則和制度是降低人為因素對(duì)元器件帶來的不利影響的必要手段之一，在此過程中不僅會(huì)提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平還能夠讓設(shè)計(jì)人員和使用人員的工作變得有依有據(jù)，條分縷析，從而避免人為因素造成的元器件失效；讓質(zhì)量管理部門參與電子元器件的質(zhì)量的監(jiān)督與管理的過程將有利于掌握元器件的使用情況，實(shí)時(shí)的了解整機(jī)的電子元器件出現(xiàn)故障和失效率的數(shù)據(jù)，以此及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和解決故障，提高元器件應(yīng)用的可靠性。

總之，為了促進(jìn)電子信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，就要提高電子元器件的可靠性，所以就必須了解電子元器件失效的機(jī)理、模式以及分析技術(shù)等，進(jìn)一步加強(qiáng)研究非常有必要。

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