元器件設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)、工藝缺陷引起的失效是元器件常見(jiàn)失效之一，其失效由元器件自身缺陷決定，應(yīng)用環(huán)境和工作中施加的條件是失效的外因，不管應(yīng)用環(huán)境和工作中施加的條件是否出現(xiàn)異常均可出現(xiàn)失效。

此類(lèi)失效往往發(fā)生在產(chǎn)品使用的初期，并在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)均陸續(xù)由失效發(fā)生，貫穿于產(chǎn)品壽命周期，引起早期失效率和隨機(jī)失效率異常增大。

從元器件的規(guī)范指標(biāo)的常規(guī)檢測(cè)中比較難發(fā)現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題,通常要通過(guò)某種應(yīng)力(如電壓、溫度、濕度)的激發(fā)后才出現(xiàn)某種指標(biāo)的異常。

極限應(yīng)力的失效

元器件的規(guī)范指標(biāo)中，有一部分指標(biāo)屬于極限應(yīng)力，極限應(yīng)力有兩種，一種是“絕對(duì)極限應(yīng)力”，另一種是“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”。

對(duì)“絕對(duì)極限應(yīng)力”，如果外部應(yīng)力超過(guò)元器件的極限應(yīng)力，元器件將立刻改變其性質(zhì)，如二極管、三極管的擊穿電壓，最高工作溫度(半導(dǎo)體最高結(jié)溫、鋁電解電容器最高溫度等)等屬于“絕對(duì)極限應(yīng)力”指標(biāo)。當(dāng)外部反向電壓高于二極管、三極管的反向耐壓，這時(shí)管子發(fā)生擊穿，成為“0電阻”通道，在外部提供足夠的能量時(shí)，管子立即燒毀;對(duì)雙極晶體管，CE之間擊穿后還有“負(fù)電阻”的情況，顯然，“負(fù)電阻”更容易引起管子燒毀;當(dāng)硅半導(dǎo)體器件結(jié)溫達(dá)到375"C時(shí)，半導(dǎo)體進(jìn)入本征導(dǎo)電，失去PN功能。

對(duì)于“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”，外部應(yīng)力超過(guò)元器件的極限應(yīng)力，元器件不立刻失效，但其工作的安全性不能保證，或使用壽命被縮短，如電阻器的功率、二、三極管的最大電流、三極管的安全工作區(qū)等指標(biāo)屬于“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”。在產(chǎn)品壽命評(píng)價(jià)、極限應(yīng)力能力評(píng)價(jià)時(shí)，通常對(duì)這方面的指標(biāo)進(jìn)行過(guò)應(yīng)力(加嚴(yán)應(yīng)力)工作，來(lái)實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)完成壽命加速評(píng)價(jià)的目的，或通過(guò)過(guò)應(yīng)力的試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的差別。

案例1：電源浪涌電壓引起的失效

下圖所示集成電路在使用中發(fā)生失效，無(wú)電源電流，集成電路的功能喪失。

經(jīng)分析，可見(jiàn)品芯片上的電源端口的金屬化鋁熔融，熔融的金屬化鋁噴射，整個(gè)金屬化鋁條已經(jīng)完全脫離芯片。這是金屬化鋁條流過(guò)很大的電流，在金屬化鋁上產(chǎn)生歐姆熱，熱量在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到鋁熔融的溫度，而此與金屬化鋁接觸的芯片仍處于溫度較低的狀態(tài)，因此，由于巨大的溫差，產(chǎn)生噴射。

在集成電路中，極短時(shí)間內(nèi)金屬化鋁條上產(chǎn)生極大電流密度，顯然是該端口引入了具有相當(dāng)能量的浪涌電壓，如雷電對(duì)電源的影響，或與其它更高電壓的電源短路。

本案例是外部應(yīng)力異常、外部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)樣品所能承受的應(yīng)力而發(fā)生的失效。在實(shí)際應(yīng)用中，僅僅靠選取更大應(yīng)力極限的產(chǎn)品來(lái)控制元器件的失效顯然是不全面的。畢競(jìng)元器件的極限耐受能力是有限的，應(yīng)充分了解電路中所可能遇到的極端外部應(yīng)力情況，必要時(shí)設(shè)計(jì)（或加強(qiáng)）相應(yīng)的保護(hù)電路。

案例2：傳輸線(xiàn)浪涌電壓的失效

某通訊系統(tǒng)故障，經(jīng)分析診斷，定位到下圖所示的集成電路失效所至。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該集成電路Pin102端口過(guò)電擊穿，端口連接的金屬化鋁條過(guò)流，圖2-14中白色圈內(nèi)有源區(qū)擊穿，圖2-14中紅色圈內(nèi)。

另外，在該機(jī)站同位置上使用的、后來(lái)又發(fā)生失效的另外1只集成電路也在Pin102端口過(guò)電擊穿，且具有相同的電異常表現(xiàn)和異常物理表現(xiàn)，說(shuō)明該集成電路Pin102所連接的線(xiàn)路上存在異常的電壓(通常為浪涌電壓)。

該案例說(shuō)明:在元器件極限應(yīng)力未退化至失效之前，外部的強(qiáng)應(yīng)力(過(guò)大應(yīng)力)常常導(dǎo)致樣品失效，在這種情況下，必須依靠元器件外部的有效保護(hù)來(lái)控制這類(lèi)失效。

元器件本身(通常指集成電路和組件)具有一定的保護(hù)功能，但由于元器件的體積，尤其是價(jià)格的限制，這種保護(hù)功能是有限的，不可能應(yīng)付比較強(qiáng)的外部異常應(yīng)力，因此，要求電路設(shè)計(jì)者充分掌握整機(jī)可能遇到的極端情況，在元器件外部加強(qiáng)必要的過(guò)應(yīng)力保護(hù)裝置，如采用瞬變二極管、壓電陶瓷電阻等浪涌電壓釋放(吸收)電路。

案例3：極限應(yīng)力退化失效

元器件隨著使用時(shí)間推移，其極限應(yīng)力在退化，其中整流二極管的反向耐壓(擊穿電壓)是典型的例子。

整流二極管通常采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)，臺(tái)面結(jié)的保護(hù)結(jié)構(gòu)決定了整流二極管的反向耐壓的穩(wěn)定性，整流二極管工作過(guò)程中的反向電壓使其臺(tái)面保護(hù)退化，而外部應(yīng)力超出臺(tái)面保護(hù)的承受范圍時(shí)發(fā)生擊穿失效,尤其是整流輸入的交流電源經(jīng)常出現(xiàn)異常的脈沖電壓，因此，退化的臺(tái)面保護(hù)結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生擊穿失效。

圖2-15中可見(jiàn)，失效的二極管擊穿部位發(fā)生在臺(tái)面結(jié)處，這是電壓擊穿的明顯特征，符合臺(tái)面保護(hù)結(jié)構(gòu)退化機(jī)理的失效特征。

從本案例可見(jiàn)，一方面，元器件的極限應(yīng)力水平在退化，另方面，外部應(yīng)力存在異常波動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮外部應(yīng)力的異常情況，在選用元器件上，應(yīng)考慮元器件極限應(yīng)力的一致性，以防極限應(yīng)力分布異常帶來(lái)的“時(shí)段性”失效；另外，應(yīng)評(píng)價(jià)元器件極限應(yīng)力的退化，優(yōu)選穩(wěn)定的產(chǎn)品。

案例4：臨界極限應(yīng)力的失效

元器件的“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”(如最大工作電流、功率等)是一種極限應(yīng)力，但這種應(yīng)力沒(méi)有明顯的應(yīng)力失效點(diǎn)，而往往于產(chǎn)品壽命相關(guān)，使用應(yīng)力在產(chǎn)品的應(yīng)力范圍內(nèi)，則產(chǎn)品的壽命指標(biāo)是有效的，超出產(chǎn)品的應(yīng)力指標(biāo)，則使用壽命將明顯縮短。

在民用產(chǎn)品中，由于造價(jià)的問(wèn)題，臨界的使用、甚至超額使用是常有的事，嚴(yán)重的時(shí)候，在整機(jī)工藝過(guò)程中就已經(jīng)有失效的表現(xiàn)，有的則在產(chǎn)品使用一段時(shí)間后才陸續(xù)出現(xiàn)失效，視應(yīng)力超額程度以及不同應(yīng)力之間的相互影響有關(guān)。

某公司生產(chǎn)的電磁爐在某時(shí)間段生產(chǎn)的電磁爐維修率異常波動(dòng)，失效率是以往產(chǎn)品的2~3倍，而失效率增大的貢獻(xiàn)均為IGBT(雙極型場(chǎng)效應(yīng)管一電磁爐的功率管)引起的失效。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，失效的IGBT芯片上的失效表現(xiàn)非常一致，均呈現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)功率、或過(guò)功率的失效特征，見(jiàn)圖2-17。

經(jīng)過(guò)強(qiáng)電流、功率、和高溫應(yīng)力的模擬試驗(yàn)，可試驗(yàn)失效的IGBT芯片的失效特征?？梢?jiàn)，強(qiáng)電流模擬試驗(yàn)的結(jié)果與使用失效的失效特征一致，說(shuō)明本次使用使用的IGBT的失效屬于過(guò)電流失效。

大失效率時(shí)段和以前使用的IGBT均為PHLIP公司的產(chǎn)品，但高失效時(shí)段的IGBT是新型號(hào)產(chǎn)品，是原來(lái)型號(hào)的升級(jí)產(chǎn)品，對(duì)比升級(jí)前后的IGBT的產(chǎn)品規(guī)范，發(fā)現(xiàn)失效時(shí)段使用的IGBT的功能指標(biāo)不僅沒(méi)有下降，反而，失效時(shí)段的IGBT的功率指標(biāo)從原來(lái)的175W提高到330W。從參數(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，新型號(hào)產(chǎn)品在相同的電路上使用，其可靠性應(yīng)該更高，但實(shí)際使用新型號(hào)的失效率顯著增大。

通過(guò)新、老型號(hào)產(chǎn)品的解剖分析可見(jiàn)，老型號(hào)的IGBT中，反向釋放二極管是獨(dú)立芯片，而新型號(hào)IGBT釋放二極管將釋放二：極管集成到一一個(gè)芯片中，但新型號(hào)的IGBT的芯片面積并沒(méi)有增大，與老型號(hào)的IGBT的芯片面積一樣，見(jiàn)2-19，因此，從電流能力來(lái)說(shuō)，新型號(hào)IGBT芯片小于老型號(hào)IGBT的芯片。

所以，新型號(hào)的IGBT更容易出現(xiàn)過(guò)電流燒毀的問(wèn)題。

在實(shí)際改進(jìn)中，或采用更大電流能力的IGBT，或適當(dāng)降低電磁爐的功率，即降低電磁爐的電流。

本案例可見(jiàn)，在選用新型號(hào)元器件的時(shí)候，不僅要關(guān)注產(chǎn)品的指標(biāo)規(guī)范，還要關(guān)注兩方面的問(wèn)題，第一、新型號(hào)元器件那些指標(biāo)參數(shù)有改變，這些改變的參數(shù)對(duì)整機(jī)產(chǎn)品的潛在影響；第二、還要關(guān)注產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否也發(fā)生改變。通常情況下，新型號(hào)或同型號(hào)的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、以及工藝發(fā)生改變，其產(chǎn)品的規(guī)范上不提供相應(yīng)改變的內(nèi)容。但一旦內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可能引起某些參數(shù)的實(shí)質(zhì)性下降，但沒(méi)有超出原來(lái)產(chǎn)品規(guī)范的規(guī)定。因此，新型號(hào)產(chǎn)品分析其內(nèi)部的變化,這些變化對(duì)產(chǎn)品性能可能產(chǎn)生什么影響,尤其是對(duì)諸如最大電流、最大功率之類(lèi)的“壽命相關(guān)極限應(yīng)力”指標(biāo)的影響，因?yàn)榇祟?lèi)指標(biāo)不是應(yīng)力超過(guò)指標(biāo)就燒毀，而是應(yīng)力越強(qiáng)，產(chǎn)品壽命越短。如果產(chǎn)品在使用中已經(jīng)臨界甚至超指標(biāo)使用，一旦新型號(hào)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變對(duì)這些指標(biāo)有負(fù)面影響，顯然，產(chǎn)品的失效率將顯著增大。

另外，電路元器件失效還有跟整機(jī)裝配工藝，比如：再流焊熱變、室溫過(guò)高、塑料封裝IC、外部裝配等引起機(jī)械應(yīng)力影響有關(guān)，以及元器件固有機(jī)理有關(guān)，比如：如集成電路金屬化鋁條電遷移失效，靜電放電損傷失效, CMOS集成電路的閂鎖效應(yīng)失效，多層陶瓷電容器低電壓失效，銀電極的銀遷移失效等等。
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