在現(xiàn)代電子設(shè)備中，元器件的可靠性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文將深入探討各類電子元器件的典型失效模式及其背后的機(jī)理，為電子設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用提供參考。

典型元件一：機(jī)電元件

機(jī)電元件包括電連接器、繼電器等，它們共同特點(diǎn)是包含機(jī)械和電子兩部分，因此對(duì)工作環(huán)境尤為敏感。

電連接器

由殼體、絕緣體和接觸體三大部分組成，其失效主要表現(xiàn)為接觸失效、絕緣失效和機(jī)械聯(lián)接失效。其中接觸失效最為常見(jiàn)，具體表現(xiàn)為接觸對(duì)瞬斷和接觸電阻增大。

• 接觸失效：主要表現(xiàn)為接觸電阻增大或瞬斷。電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱使接觸點(diǎn)溫度升高，可能導(dǎo)致金屬軟化或熔化，進(jìn)一步增大接觸電阻，形成惡性循環(huán)。
• 高溫蠕變：持續(xù)高溫下接觸件發(fā)生蠕變，接觸壓力下降，當(dāng)?shù)陀谂R界值時(shí)引發(fā)接觸不良。
• 振動(dòng)與沖擊：外部振動(dòng)可引起共振，導(dǎo)致接觸壓力瞬時(shí)消失，長(zhǎng)期作用可致材料疲勞或斷裂。
  

繼電器方面

，電磁繼電器通過(guò)線圈通電產(chǎn)生磁力驅(qū)動(dòng)銜鐵，使觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)。

• 常見(jiàn)失效包括觸點(diǎn)動(dòng)作不良、電參數(shù)超差等。
• 制造過(guò)程中的應(yīng)力釋放不充分、殘留物清理不徹底或篩選不嚴(yán)，均可導(dǎo)致潛在缺陷。
• 沖擊環(huán)境下金屬觸點(diǎn)易發(fā)生塑性變形，造成功能失效。
  
  

典型元件二：半導(dǎo)體微波元件

微波半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)和微波通信設(shè)備中。這類器件不僅要求封裝提供電連接和機(jī)械化學(xué)保護(hù)，還需要考慮管殼寄生參數(shù)對(duì)微波傳輸特性的影響。

微波半導(dǎo)體器件的主要環(huán)境相關(guān)失效模式包括柵金屬下沉和電阻性能退化。

• 柵金屬下沉：指金柵極金屬在高溫下擴(kuò)散進(jìn)入GaAs基材中的現(xiàn)象。在完美晶格結(jié)構(gòu)中，正常溫度下擴(kuò)散極其緩慢，但當(dāng)晶粒邊界較大或表面存在缺陷時(shí)，擴(kuò)散速率會(huì)顯著增加，影響器件性能。
• 電阻性能退化：電阻在微波單片集成電路中廣泛用于反饋電路、偏置點(diǎn)設(shè)置和功率合成。常見(jiàn)的電阻結(jié)構(gòu)有金屬薄膜電阻和輕摻雜GaAs薄層電阻。實(shí)驗(yàn)表明，潮濕環(huán)境是引起NiCr電阻性能退化的主要因素。
  
  

典型元件三：混合集成電路

混合集成電路包括厚膜混合集成電路、薄膜混合集成電路以及采用多層布線結(jié)構(gòu)的多芯片組件。這類電路的環(huán)境應(yīng)力失效主要表現(xiàn)為基片開(kāi)裂導(dǎo)致的電開(kāi)路失效，以及各接口間的焊接失效。

1. 基片開(kāi)裂

誘因包括機(jī)械沖擊、熱沖擊、基片翹曲、材料熱失配或內(nèi)部缺陷，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)基片強(qiáng)度時(shí)發(fā)生開(kāi)裂。

2. 焊接失效

溫度循環(huán)作用下，焊料層因熱膨脹系數(shù)不匹配發(fā)生剪切變形，經(jīng)多次循環(huán)后形成疲勞裂紋，最終導(dǎo)致焊接失效。

典型元件四：分立器件與集成電路

半導(dǎo)體分立器件包括二極管、雙極型晶體管、MOS場(chǎng)效應(yīng)管等多種類型。雖然各類器件功能不同，但基于相似的半導(dǎo)體工藝，其失效物理機(jī)制有一定共性。

1. 熱致?lián)舸ǘ螕舸?/strong>

功率元器件的主要失效機(jī)理之一。它分為正向偏置和反向偏置兩種類型，前者與器件自身熱性能相關(guān)，后者與載流子雪崩倍增有關(guān)，兩者均伴隨著器件內(nèi)部的電流集中。

2. 動(dòng)態(tài)雪崩

另一種常見(jiàn)失效，指在動(dòng)態(tài)關(guān)斷過(guò)程中，器件內(nèi)部發(fā)生的由電流控制的碰撞電離現(xiàn)象。這種問(wèn)題在雙極型器件、二極管和IGBT中都可能出現(xiàn)。

3. 芯片焊接失效

主要源于芯片與焊料的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的熱失配問(wèn)題。同時(shí)，焊接空洞會(huì)增大熱阻，形成局部熱點(diǎn)，升高結(jié)溫，引發(fā)電遷移等溫度相關(guān)失效。

4.內(nèi)引線鍵合失效

主要表現(xiàn)為鍵合點(diǎn)腐蝕，在濕熱鹽霧環(huán)境中，水汽和氯元素會(huì)引起鋁材料腐蝕。溫度循環(huán)或振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致鋁鍵合引線疲勞斷裂。集成電路的失效與環(huán)境條件密切相關(guān)。潮濕環(huán)境中的水汽、靜電或電浪涌損傷、過(guò)高工作溫度以及輻射環(huán)境都會(huì)導(dǎo)致器件失效。

5. 界面與金屬化問(wèn)題

• 高溫下SiO?與鋁互連線發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致鋁層變薄。
• 金-鋁鍵合形成金屬間化合物，引入應(yīng)力并降低導(dǎo)電性。
• 塑封器件中水汽滲透可引起“爆米花”效應(yīng)，導(dǎo)致封裝分層或破裂。
  

典型元件五：阻容元件

電阻器按照電阻體材料可分為合金型、薄膜型、厚膜型和合成型。固定電阻器主要失效模式是開(kāi)路和電參數(shù)漂移，電位器還有噪聲增大的問(wèn)題。

1. 電阻器失效

• 氧化是主要老化機(jī)制，高溫高濕加速阻值增大。
• 有機(jī)合成電阻黏結(jié)劑老化導(dǎo)致機(jī)械性能下降。
• 直流負(fù)荷下刻槽電阻可能發(fā)生電解反應(yīng)，潮濕環(huán)境加劇該過(guò)程。
  

2. 電容器失效

• 短路：由極間飛弧或機(jī)械沖擊引起。
• 開(kāi)路：濕熱環(huán)境導(dǎo)致電極氧化或引出箔腐蝕。
• 電參數(shù)退化：潮濕引起容量變化、損耗角增大或絕緣電阻下降。

典型元件六：板級(jí)電路

印制電路板提供電子元器件的承載載體和電氣機(jī)械連接，其失效模式多樣：焊接不良與焊盤表面處理質(zhì)量相關(guān)；開(kāi)路往往出現(xiàn)在導(dǎo)線或金屬化孔上；短路常因?qū)w間絕緣間距減小或電化學(xué)遷移造成；分層起泡與板材壓合工藝相關(guān)；板彎板翹則源于基材質(zhì)量與加工工藝。沖擊和振動(dòng)環(huán)境容易導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞，產(chǎn)生微裂紋，加速電路板失效。

典型元件七：電真空器件

電真空器件如行波管、磁控管、速調(diào)管等利用真空中的電子效應(yīng)工作。這類器件對(duì)溫度變化極為敏感，溫度突變會(huì)導(dǎo)致磁控管振蕩頻率發(fā)生偏移，影響設(shè)備性能。

結(jié)論

電子元器件的可靠性受到多種環(huán)境因素的影響，其中熱環(huán)境及沖擊、振動(dòng)環(huán)境最為關(guān)鍵，容易導(dǎo)致焊點(diǎn)失效和結(jié)構(gòu)失效。同時(shí)，濕熱、鹽霧等自然環(huán)境也會(huì)引發(fā)腐蝕失效，降低元器件壽命。