電子元器件的失效可能由多種因素引起，了解這些原因及相應(yīng)的檢測方法對于提高產(chǎn)品的可靠性和性能至關(guān)重要。以下是常見的失效原因及檢測方法。

失效原因

1. 環(huán)境因素：

- 溫度：過高或過低的溫度會導致元器件性能下降，甚至失效。

- 濕度：高濕度環(huán)境可能導致絕緣失效或腐蝕。

- 塵埃和污染：灰塵和化學污染物可能導致短路或電氣性能下降。

2. 電氣應(yīng)力：

- 過電壓：超過額定電壓會導致?lián)舸┗驌p壞。

- 過電流：超出額定電流會引發(fā)過熱和燒毀。

- 電磁干擾：外部電磁場可能影響元器件的正常工作。

3. 機械應(yīng)力：

- 振動和沖擊：機械振動和沖擊可能導致焊點或內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。

- 熱循環(huán)：熱脹冷縮可能導致材料疲勞和失效。

4. 材料缺陷：

- 制造缺陷：生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的缺陷，如焊接不良、材料不均勻等。

- 老化：材料隨著時間的推移可能會退化，導致性能下降。

5. 設(shè)計缺陷：

- 不合理的設(shè)計：設(shè)計不當可能導致元器件在特定條件下無法正常工作。

常見檢測方法

1. 視覺檢查：

- 使用顯微鏡或放大鏡檢查元器件表面是否有明顯的物理損傷、裂紋或焊接缺陷。

2. 電氣測試：

- 直流電阻測試：測量元器件的直流電阻，判斷其導通性。

- 交流阻抗測試：用于評估電容器和電感器的性能。

3. 熱成像檢測：

- 使用熱成像儀檢測元器件的溫度分布，識別過熱區(qū)域和潛在故障點。

4. 功能測試：

- 在實際工作條件下測試元器件的功能，確保其正常工作。

5. 老化測試：

- 在高溫、高濕環(huán)境下對元器件進行加速老化測試，評估其長期可靠性。

6. X射線檢查：

- 使用X射線設(shè)備檢查焊接質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，識別潛在的內(nèi)部缺陷。

7. 電磁兼容性(EMC)測試：

- 測試元器件對電磁干擾的抵抗能力，確保其在電磁環(huán)境中的穩(wěn)定性。

8. 失效分析：

- 對失效元器件進行分析，確定失效原因，常用方法包括掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析(EDX)等。

電子元器件失效原因解析> 溫度的影響

溫度是影響電子元器件失效的主要因素之一，特別是對于半導體器件，影響顯著。溫度變化對其性能有著顯著的影響。由于P-N結(jié)的正向壓降對溫度反應(yīng)敏感，因此以P-N結(jié)為基本單元構(gòu)成的雙極型半導體邏輯元件，其電壓傳輸特性和抗干擾度都與溫度緊密相關(guān)。

隨著溫度的升高，P-N結(jié)的正向壓降會逐漸減小，這會導致元件的低電平抗干擾電壓容限縮小，而高電平抗干擾電壓容限則增大。這種變化會引起輸出電平的偏移、波形失真、穩(wěn)態(tài)失調(diào)等問題，嚴重時甚至可能導致熱擊穿。

此外，構(gòu)成雙極型半導體器件的P-N結(jié)對溫度變化非常敏感，當P-N結(jié)處于反向偏置狀態(tài)時，由少數(shù)載流子形成的反向漏電流也會受到溫度變化的影響。

公式表明，當溫度從TR℃升高到T°C時，反向漏電流ICQ將增加，且每升高10℃，ICQ的增加量將達到一倍。這種變化會導致晶體管放大器的工作點發(fā)生漂移，進而影響晶體管的電流放大系數(shù)和特性曲線，最終使得動態(tài)范圍縮小。

溫度與允許功耗之間存在著密切的聯(lián)系。隨著溫度的升高，允許功耗也會相應(yīng)地發(fā)生變化。這種變化不僅會影響晶體管的工作狀態(tài)，還會進一步影響到電路的整體性能。溫度上升會導致晶體管的最大允許功耗降低。而電阻的熱噪聲會增加，阻值可能偏離其標稱值。然而，電阻的這一特性并非全然不利。例如，特別設(shè)計的PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)和NTC(負溫度系數(shù)熱敏電阻)的阻值對溫度變化非常敏感，這使得它們可以當作傳感器使用。

> 濕度的影響

高濕度會導致電路板焊點腐蝕和漏電，引發(fā)漏電耦合的問題;另一方面，濕度過低則容易產(chǎn)生靜電，對元器件造成損害。因此，維持合理的環(huán)境濕度至關(guān)重要。

> 過高電壓的影響

過高電壓同樣是導致元器件失效的重要因素。為了確保元器件的正常工作，必須保證施加在它們上的電壓穩(wěn)定性。 過高電壓會加重元器件的熱損耗，甚至可能引發(fā)電擊穿。以電容器為例，其失效率與施加在電容兩端的電壓的5次冪成正比。而對于集成電路，超過其最大允許電壓的電壓將直接造成器件的損壞。

> 振動與沖擊的影響

振動和沖擊是導致元器件失效的重要因素。 振動與沖擊會加速元器件內(nèi)部缺陷發(fā)展的進程，可能導致焊點松動和接觸不良。機械振動會使內(nèi)部有缺陷的元件更快失效，造成嚴重故障。若振動使導線發(fā)生不應(yīng)有的接觸，則可能產(chǎn)生意外的后果。

02電子元器件失效類型分析> 電阻器失效分析

電阻器、電位器的失效機理因類型而異。 電阻器失效包括開路、變質(zhì)等。碳膜電阻器可能因引線斷裂、基體缺陷、膜層均勻性不佳等問題而失效。金屬膜電阻器則可能因電阻膜不均勻、破裂，引線不牢，電阻膜分解等復雜因素而受損。

對于非線形電阻器和電位器，常見的失效原因包括開路、阻值漂移、引線機械損傷及接觸損壞等。值得注意的是，電阻器容易發(fā)生變質(zhì)和開路故障，其中變質(zhì)往往表現(xiàn)為阻值增大。一旦電阻器出現(xiàn)變質(zhì)或開路，通常建議直接更換新件，而不進行修復。

> 電容器失效分析

電容器在運行過程中可能遇到的問題包括擊穿、開路、電參數(shù)退化等。 電容器常見失效模式包括擊穿和開路。擊穿是電容器常見的失效模式之一，可能是由于介質(zhì)中存在疵點、缺陷、雜質(zhì)或?qū)щ婋x子。

開路則是另一種常見的失效模式。這通常是由于擊穿導致電極和引線絕緣，或者電解電容器陽極引出箔被腐蝕斷。

> 電感與變壓器失效分析

外部因素如負載短路、受潮等是導致電感和變壓器故障的主要原因。 被燒毀的電感和變壓器的故障現(xiàn)象及原因有多種。當變壓器接通電源后，若鐵心發(fā)出嗡嗡聲，可能原因是鐵心未夾緊或負載過重。若出現(xiàn)發(fā)熱、冒煙、有焦味或保險絲燒斷，則可能是線圈短路或負載過重所致。

一、環(huán)境因素：溫濕度的“雙刃劍”

高溫危害

機理：溫度升高導致元器件熱膨脹差異、材料老化(如氧化、熱遷移)。

案例：晶體管反向漏電流隨溫度升高指數(shù)增長(每升10℃，漏電流翻倍)，引發(fā)熱擊穿(Thermal Breakdown)。

解決方案：選擇高Tg(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)材料，優(yōu)化散熱設(shè)計(如散熱片、風道)。

濕度過高/靜電風險

機理：濕度過高時，酸堿性灰塵腐蝕焊點;濕度過低則易產(chǎn)生靜電(ESD)，擊穿敏感器件(如MOSFET)。

案例：PCB焊點因腐蝕脫落，導致電路斷路;CMOS芯片因ESD擊穿柵氧層(Gate Oxide)。

解決方案：控制環(huán)境濕度(40%-60%)，使用防潮涂層(Conformal Coating)和ESD防護電路。

二、電壓過載：超出耐壓上限的“電擊穿” ?

過壓損傷

機理：電壓超過元器件耐壓值(如電容器額定電壓)，導致介質(zhì)擊穿或熱擊穿。

案例：電解電容因過壓導致電解液氣化，外殼鼓脹甚至爆裂;集成電路(IC)因瞬態(tài)電壓損壞輸入保護二極管。

數(shù)據(jù)支持：電容器失效率與施加電壓的5次冪成正比(知識庫[3])。

浪涌電流沖擊

機理：大電流瞬間通過元器件，引發(fā)局部過熱或金屬熔斷(如鋁線斷裂)。

案例：電源模塊因浪涌電流燒毀整流橋;MOSFET因短路導致導通損耗激增。

解決方案：加裝TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)或保險絲，限制輸入電流。

三、機械應(yīng)力：振動與沖擊的“物理破壞”

焊點/連接處斷裂

機理：機械振動導致焊點疲勞開裂，或因熱膨脹系數(shù)差異引發(fā)應(yīng)力集中。

案例：汽車電子模塊因長期振動導致BGA焊球斷裂;FPC(柔性電路板)因彎折過度發(fā)生銅箔剝離。

解決方案：優(yōu)化焊接工藝(如回流焊參數(shù))，增加結(jié)構(gòu)加固(如灌封膠)。

封裝缺陷引發(fā)失效

機理：封裝材料氣泡、裂紋或分層，導致濕氣滲入或機械強度不足。

案例：QFN器件因封裝裂紋吸濕，高溫下發(fā)生CAF(導電陽極絲)短路。

檢測方法：X射線透視檢查封裝缺陷(知識庫[5])。

四、材料老化：時間累積的“慢性殺手”

介質(zhì)老化與遷移

機理：電介質(zhì)(如陶瓷電容)因長期使用發(fā)生性能退化，或銀離子遷移導致短路。

案例：MLCC(多層陶瓷電容)因老化導致容量下降10%以上;電解電容壽命隨溫度升高呈指數(shù)衰減(每升10℃，壽命減半)。

金屬疲勞與腐蝕

機理：金屬引線或焊點因熱循環(huán)發(fā)生晶界滑移，或因環(huán)境腐蝕導致電阻升高。

案例：線繞電阻器因引線氧化斷裂;金線鍵合點因熱疲勞脫落。

五、失效分析的關(guān)鍵步驟

電測定位：通過IV曲線、阻抗測試確定失效模式(開路/短路/參數(shù)漂移)。

形貌分析：SEM/EDS觀察微觀裂紋或腐蝕痕跡。

熱成像：EMMI(電子空穴發(fā)光)定位熱點區(qū)域。

電子元器件主要包括元件和器件，電子元件是生產(chǎn)加工過程中分子成分不被改變的成品，比如：電容、電阻和電感等。電子器件是生成加工過程中分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的成品，比如：電子管、集成電路等。

電阻類元器件

電阻類元器件出現(xiàn)故障在電子設(shè)備中占很大的比例，電阻可以分為分流、降壓、負載、阻抗匹配等功能。根據(jù)構(gòu)造的不同，電阻類元器件可以分為線繞電阻、非線繞電阻。

電阻類元器件失效的主要方式有接觸損壞、開路以及引線機械損傷。

溫度變化對電阻的影響主要是溫度升高時，電阻的熱噪聲增加，阻值偏離標稱值，允許耗散概率下降等。但我們也可以利用電阻的這一特性，比如，有經(jīng)過特殊設(shè)計的一類電阻：PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)和NTC(負溫度系數(shù)熱敏電阻)，它們的阻值受溫度的影響很大。

機械振動會使焊點、壓線點發(fā)生松動，導致接觸不良等機械損傷。

電容類元器件

電容類元器件失效的主要方式有擊穿、機械損傷、電解液泄露等。

電容出現(xiàn)擊穿的原因主要有：

1、介質(zhì)存在缺陷、雜質(zhì)和導電離子;

2、介質(zhì)出現(xiàn)老化;

3、介質(zhì)材料存在電、氣隙擊穿;

4、制造加工時介質(zhì)有機械損傷;

5、介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化;

6、金屬離子遷移構(gòu)成導電溝道或邊緣飛弧放電。

電容失效也可能是開路造成的，引出線與電容接觸點氧化導致低電平開路，引出線與電極接觸不良，電解電容器陽極引出金屬箔由于機械折斷等造成開路故障。此為，電容也可能因為電參數(shù)退化故障而導致失效，比如：電極材料金屬離子出現(xiàn)遷移、材料金屬化電極自愈效應(yīng)、電極的電解腐化與化學腐化、潮濕、表面污染等都可能造成電容的電參數(shù)退化。

電感類元器件

電感類元器件涉及到變壓器、電感、濾波線圈、震蕩線圈等。電感類元器件的大部分故障是外界因素導致的，比如：變壓器的溫度升高、負載短路使線圈經(jīng)過的電流過大等，都會使線圈出現(xiàn)短路、短路以及擊穿等故障。

在集成電路中，不論哪一部分出現(xiàn)問題，整體都無法正常運行，比如：電極短路、開路、機械磨損、可焊接性差等都會失效。失效主要分為徹底損壞和熱穩(wěn)定性不良等，熱穩(wěn)定性失效主要出現(xiàn)在高溫或者低溫，超出了器件的工作溫度范圍而失效。

解決方法

那如何有效的找到失效的電子元器件，并更換或者修復問題呢?

在調(diào)試中，出現(xiàn)電路無法工作或工作不正常的問題時。首先通過動態(tài)觀察法，就是將線路設(shè)備通電的情況下，聽、看、摸、聞等方法對電子元器件的故障進行判斷。比如：聽設(shè)備是不是有異常的聲音，仔細看電路內(nèi)有沒有冒煙、火花等情況;摸一摸元器件、電路有沒有發(fā)燙的情況;聞一聞有沒有焦糊等味道。

也可通過萬用表測量電路中通斷情況，通過測量正常與不正常電路中各類值來判斷。