電子元器件失效機(jī)理指導(dǎo)致其功能喪失的物理、化學(xué)或熱力學(xué)過(guò)程，涵蓋性能退化(如容量衰減)和安全性失效(如熱失控)，根源包括材料結(jié)構(gòu)破壞、界面反應(yīng)異常及環(huán)境應(yīng)力作用等微觀變化。????

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(cè)方法對(duì)于提高產(chǎn)品的可靠性和性能至關(guān)重要。以下是常見(jiàn)的失效原因及檢測(cè)方法。

失效原因

1. 環(huán)境因素：

- 溫度：過(guò)高或過(guò)低的溫度會(huì)導(dǎo)致元器件性能下降，甚至失效。

- 濕度：高濕度環(huán)境可能導(dǎo)致絕緣失效或腐蝕。

- 塵埃和污染：灰塵和化學(xué)污染物可能導(dǎo)致短路或電氣性能下降。

2. 電氣應(yīng)力：

- 過(guò)電壓：超過(guò)額定電壓會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┗驌p壞。

- 過(guò)電流：超出額定電流會(huì)引發(fā)過(guò)熱和燒毀。

- 電磁干擾：外部電磁場(chǎng)可能影響元器件的正常工作。

3. 機(jī)械應(yīng)力：

- 振動(dòng)和沖擊：機(jī)械振動(dòng)和沖擊可能導(dǎo)致焊點(diǎn)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。

- 熱循環(huán)：熱脹冷縮可能導(dǎo)致材料疲勞和失效。

4. 材料缺陷：

- 制造缺陷：生產(chǎn)過(guò)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(shí)間的推移可能會(huì)退化，導(dǎo)致性能下降。

5. 設(shè)計(jì)缺陷：

- 不合理的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)不當(dāng)可能導(dǎo)致元器件在特定條件下無(wú)法正常工作。

常見(jiàn)檢測(cè)方法

1. 視覺(jué)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?yè)p傷、裂紋或焊接缺陷。

2. 電氣測(cè)試：

- 直流電阻測(cè)試：測(cè)量元器件的直流電阻，判斷其導(dǎo)通性。

- 交流阻抗測(cè)試：用于評(píng)估電容器和電感器的性能。

3. 熱成像檢測(cè)：

- 使用熱成像儀檢測(cè)元器件的溫度分布，識(shí)別過(guò)熱區(qū)域和潛在故障點(diǎn)。

4. 功能測(cè)試：

- 在實(shí)際工作條件下測(cè)試元器件的功能，確保其正常工作。

5. 老化測(cè)試：

- 在高溫、高濕環(huán)境下對(duì)元器件進(jìn)行加速老化測(cè)試，評(píng)估其長(zhǎng)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(shí)別潛在的內(nèi)部缺陷。

7. 電磁兼容性(EMC)測(cè)試：

- 測(cè)試元器件對(duì)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(duì)失效元器件進(jìn)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(duì)于半導(dǎo)體器件，影響顯著。溫度變化對(duì)其性能有著顯著的影響。由于P-N結(jié)的正向壓降對(duì)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(dǎo)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(huì)逐漸減小，這會(huì)導(dǎo)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(huì)引起輸出電平的偏移、波形失真、穩(wěn)態(tài)失調(diào)等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致熱擊穿。

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

公式表明，當(dāng)溫度從TR℃升高到T°C時(shí)，反向漏電流ICQ將增加，且每升高10℃，ICQ的增加量將達(dá)到一倍。這種變化會(huì)導(dǎo)致晶體管放大器的工作點(diǎn)發(fā)生漂移，進(jìn)而影響晶體管的電流放大系數(shù)和特性曲線，最終使得動(dòng)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(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。這種變化不僅會(huì)影響晶體管的工作狀態(tài)，還會(huì)進(jìn)一步影響到電路的整體性能。溫度上升會(huì)導(dǎo)致晶體管的最大允許功耗降低。而電阻的熱噪聲會(huì)增加，阻值可能偏離其標(biāo)稱值。然而，電阻的這一特性并非全然不利。例如，特別設(shè)計(jì)的PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)和NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)的阻值對(duì)溫度變化非常敏感，這使得它們可以當(dāng)作傳感器使用。

> 濕度的影響

高濕度會(huì)導(dǎo)致電路板焊點(diǎn)腐蝕和漏電，引發(fā)漏電耦合的問(wèn)題;另一方面，濕度過(guò)低則容易產(chǎn)生靜電，對(duì)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(guò)高電壓的影響

過(guò)高電壓同樣是導(dǎo)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(guò)高電壓會(huì)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(duì)于集成電路，超過(guò)其最大允許電壓的電壓將直接造成器件的損壞。

> 振動(dòng)與沖擊的影響

振動(dòng)和沖擊是導(dǎo)致元器件失效的重要因素。 振動(dòng)與沖擊會(huì)加速元器件內(nèi)部缺陷發(fā)展的進(jìn)程，可能導(dǎo)致焊點(diǎn)松動(dòng)和接觸不良。機(jī)械振動(dòng)會(huì)使內(nèi)部有缺陷的元件更快失效，造成嚴(yán)重故障。若振動(dòng)使導(dǎo)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(jī)理因類型而異。 電阻器失效包括開(kāi)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(wèn)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(fù)雜因素而受損。

對(duì)于非線形電阻器和電位器，常見(jiàn)的失效原因包括開(kāi)路、阻值漂移、引線機(jī)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(kāi)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(kāi)路，通常建議直接更換新件，而不進(jìn)行修復(fù)。

> 電容器失效分析

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

開(kāi)路則是另一種常見(jiàn)的失效模式。這通常是由于擊穿導(dǎo)致電極和引線絕緣，或者電解電容器陽(yáng)極引出箔被腐蝕斷。

> 電感與變壓器失效分析

外部因素如負(fù)載短路、受潮等是導(dǎo)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(dāng)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(fù)載過(guò)重。若出現(xiàn)發(fā)熱、冒煙、有焦味或保險(xiǎn)絲燒斷，則可能是線圈短路或負(fù)載過(guò)重所致。

失效機(jī)理類型與影響因素

??性能失效?：如?電阻膜燒毀或脫落導(dǎo)致開(kāi)路，?電解電容器因電解液揮發(fā)耗盡致容量下降。????

??安全性失效?：如?熱失控引發(fā)爆炸，或?內(nèi)層空洞導(dǎo)致電場(chǎng)集中、局部過(guò)熱及短路燒毀。????

?關(guān)鍵影響因素?：

溫度：每升高10℃，?半導(dǎo)體漏電流倍增，電容壽命減半。??

電壓：過(guò)壓致?電擊穿，電容失效率與電壓5次冪正相關(guān)。??

?濕度：高濕腐蝕?焊點(diǎn)，低濕引發(fā)電靜電。??

機(jī)械應(yīng)力：?振動(dòng)致焊點(diǎn)松動(dòng)或?結(jié)構(gòu)裂紋。??

分析方法與預(yù)防

通過(guò)?X射線衍射、?電化學(xué)阻抗譜及?工業(yè)CT掃描定位缺陷，結(jié)合?材料全生命周期數(shù)據(jù)建模預(yù)測(cè)。預(yù)防需加強(qiáng)?來(lái)料管控(如?超聲掃描篩查空洞)、優(yōu)化設(shè)計(jì)(如選用?耐瞬時(shí)過(guò)電壓器件)，并建立?失效知識(shí)庫(kù)以改進(jìn)工藝。??

失效分析在產(chǎn)品的可靠性質(zhì)量保證和提高中發(fā)揮著重要作用，在產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、使用中都需要引入失效分析工作。金鑒實(shí)驗(yàn)室提供電子元器件失效分析的檢測(cè)服務(wù)，金鑒實(shí)驗(yàn)室擁有專業(yè)LED質(zhì)量工程師團(tuán)隊(duì)及高精度電子元器件檢測(cè)設(shè)備，具有精湛的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)格執(zhí)行，現(xiàn)已得到行業(yè)內(nèi)各廠家一致認(rèn)可。

溫度對(duì)元件失效的影響

1.溫度對(duì)半導(dǎo)體器件失效的影響

環(huán)境溫度是導(dǎo)致元件失效的關(guān)鍵因素之一。半導(dǎo)體器件的核心結(jié)構(gòu)是 P-N 結(jié)，其對(duì)溫度變化極為敏感。當(dāng) P-N 結(jié)處于反向偏置狀態(tài)時(shí)，由少數(shù)載流子形成的反向漏電流會(huì)隨著溫度變化而改變。

其中，ICQ 為溫度 T 時(shí)的反向漏電流，ICQR 為溫度 TR 時(shí)的反向漏電流，T?TR 為溫度變化的絕對(duì)值。

從該公式可以看出，溫度每升高 10℃，反向漏電流 ICQ 將增加一倍。這一變化會(huì)導(dǎo)致晶體管放大器的工作點(diǎn)發(fā)生漂移，晶體管的電流放大系數(shù)發(fā)生變化，特性曲線也隨之改變，動(dòng)態(tài)范圍變小。

其中，PCM 為最大允許功耗，TjM 為最高允許結(jié)溫，T 為使用環(huán)境溫度，RT 為熱阻。從該公式可以看出，溫度升高會(huì)使晶體管的最大允許功耗下降。

此外，由于 P-N 結(jié)的正向壓降受溫度影響較大，以 P-N 結(jié)為基本單元構(gòu)成的雙極型半導(dǎo)體邏輯元件(如 TTL、HTL 等集成電路的)電壓傳輸特性和抗干擾度也與溫度密切相關(guān)。

當(dāng)溫度升高時(shí)，P-N 結(jié)的正向壓降減小，其開(kāi)門和關(guān)門電平都會(huì)減小，這使得元件的低電平抗干擾電壓容限隨溫度升高而變小，高電平抗干擾電壓容限隨溫度升高而增大，從而導(dǎo)致輸出電平偏移、波形失真、穩(wěn)態(tài)失調(diào)，甚至可能出現(xiàn)熱擊穿現(xiàn)象。

2.溫度對(duì)電阻失效的影響

溫度變化對(duì)電阻的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，溫度升高時(shí)，電阻的熱噪聲會(huì)增加，導(dǎo)致阻值偏離標(biāo)稱值。其次，電阻的允許耗散功率也會(huì)下降。例如，RXT 系列的碳膜電阻在溫度升高到 100℃時(shí)，其允許的耗散功率僅為標(biāo)稱值的 20%。然而，電阻的這一特性也可以被利用。

例如，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的 PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)和 NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)，它們的阻值受溫度影響較大。對(duì)于 PTC，當(dāng)其溫度升高到某一閾值時(shí)，電阻值會(huì)急劇增大。

當(dāng)因某種故障導(dǎo)致通過(guò)它的電流增加到其閾值電流后，PTC 的溫度急劇升高，電阻值隨之變大，從而限制通過(guò)它的電流，達(dá)到保護(hù)電路的目的。而當(dāng)故障排除后，通過(guò)它的電流減小，PTC 的溫度恢復(fù)正常，電阻值也恢復(fù)到正常值。對(duì)于 NTC，其特點(diǎn)是電阻值隨溫度升高而減小。

3.溫度對(duì)電容失效的影響

溫度變化會(huì)對(duì)電容產(chǎn)生多方面的影響。首先，溫度升高會(huì)導(dǎo)致電容的介質(zhì)損耗發(fā)生變化，從而影響其使用壽命。一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高 10℃，電容器的壽命會(huì)降低 50%。

其次，溫度變化還會(huì)引起阻容時(shí)間常數(shù)的變化。此外，如果溫度過(guò)高導(dǎo)致介質(zhì)損耗過(guò)大，還可能出現(xiàn)熱擊穿的情況。同時(shí)，溫度升高也會(huì)使電感線圈、變壓器、扼流圈等的絕緣性能下降。

濕度對(duì)元件失效的影響

濕度過(guò)高會(huì)對(duì)元件產(chǎn)生不良影響。當(dāng)含有酸堿性的灰塵落到電路板上時(shí)，會(huì)腐蝕元器件的焊點(diǎn)與接線處，導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落、接頭斷裂。此外，濕度過(guò)高也是引起漏電耦合的主要原因之一。而濕度過(guò)低則容易產(chǎn)生靜電，對(duì)元件造成損害。

因此，環(huán)境的濕度應(yīng)控制在合理的水平，以確保元件的正常工作和使用壽命。金鑒實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備和專業(yè)團(tuán)隊(duì)，能夠?yàn)榭蛻籼峁┤娴腗SL濕氣敏感性測(cè)試服務(wù)，確保元件在使用過(guò)程中的可靠性。

過(guò)高電壓對(duì)元件失效的影響

施加在元器件上的電壓穩(wěn)定性是保證元器件正常工作的重要條件。過(guò)高的電壓會(huì)對(duì)元器件造成嚴(yán)重?fù)p害。

首先，過(guò)高的電壓會(huì)增加元器件的熱損耗，甚至導(dǎo)致電擊穿。對(duì)于電容器而言，其失效率與電電壓容的 5 次冪成正比。對(duì)于集成電路而言，超過(guò)其最大允許電壓值的電壓將直接導(dǎo)致器件損壞。電壓擊穿是指電子器件都有能承受的最高耐壓值，超過(guò)該允許值，器件存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

主動(dòng)元件和被動(dòng)元件失效的表現(xiàn)形式雖略有差別，但都有電壓允許上限。例如，晶體管元件都有耐壓值，超過(guò)耐壓值會(huì)對(duì)元件造成損傷。對(duì)于二極管、電容等元件，電壓超過(guò)其耐壓值會(huì)導(dǎo)致它們擊穿。如果能量很大，還會(huì)導(dǎo)致熱擊穿，使元件報(bào)廢。

振動(dòng)與沖擊對(duì)元件失效的影響

機(jī)械振動(dòng)與沖擊會(huì)對(duì)元件產(chǎn)生不良影響。首先，機(jī)械振動(dòng)會(huì)使一些內(nèi)部有缺陷的元件加速失效，從而引發(fā)災(zāi)難性故障。其次，機(jī)械振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)、壓線點(diǎn)松動(dòng)，造成接觸不良。

此外，若振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)線不應(yīng)有的碰連，會(huì)產(chǎn)生一些意想不到的后果。電氣過(guò)應(yīng)力(Electrical Over Stress，EOS)是一種常見(jiàn)的損害電子器件的方式，也是元器件常見(jiàn)的損壞原因之一。其表現(xiàn)方式是過(guò)壓或者過(guò)流產(chǎn)生大量的熱能，使元器件內(nèi)部溫度過(guò)高從而損壞元器件(即大家常說(shuō)的燒壞)。這種損害是由電氣系統(tǒng)中的脈沖導(dǎo)致的一種常見(jiàn)現(xiàn)象。