【導讀】掌握各類電子元器件的實效機理與特性是硬件工程師比不可少的知識。下面分類細敘一下各類電子元器件的失效模式與機理。
電子元器件的主要失效模式包括但不限于開路、短路、燒毀、爆炸、漏電、功能失效、電參數漂移、非穩定失效等。
對于硬件工程師來講電子元器件失效是個非常麻煩的事情，比如某個半導體器件外表完好但實際上已經半失效或者全失效會在硬件電路調試上花費大把的時間，有時甚至炸機。
硬件工程師調試爆炸現場
所以掌握各類電子元器件的實效機理與特性是硬件工程師比不可少的知識。下面分類細敘一下各類電子元器件的失效模式與機理。
1 電阻器失效模式與機理
失效機理：是導致失效的物理、化學、熱力學或其他過程。
1、電阻器的主要失效模式與失效機理為
1) 開路：主要失效機理為電阻膜燒毀或大面積脫落，基體斷裂，引線帽與電阻體脫落。
2) 阻值漂移超規范：電阻膜有缺陷或退化，基體有可動鈉離子，保護涂層不良。
3) 引線斷裂：電阻體焊接工藝缺陷，焊點污染，引線機械應力損傷。
4) 短路：銀的遷移，電暈放電。
2、失效模式占失效總比例表
(1) 線繞電阻
(2) 非線繞電阻
3、失效機理分析
電阻器失效機理是多方面的，工作條件或環境條件下所發生的各種理化過程是引起電阻器老化的原因。
(1) 導電材料的結構變化
薄膜電阻器的導電膜層一般用汽相淀積方法獲得，在一定程度上存在無定型結構。按熱力學觀點，無定型結構均有結晶化趨勢。
在工作條件或環境條件下，導電膜層中的無定型結構均以一定的速度趨向結晶化，也即導電材料內部結構趨于致密化，能常會引起電阻值的下降。結晶化速度隨溫度升高而加快。
電阻線或電阻膜在制備過程中都會承受機械應力，使其內部結構發生畸變，線徑愈小或膜層愈薄，應力影響愈顯著。
一般可采用熱處理方法消除內應力，殘余內應力則可能在長時間使用過程中逐步消除，電阻器的阻值則可能因此發生變化。
結晶化過程和內應力清除過程均隨時間推移而減緩，但不可能在電阻器使用期間終止。可以認為在電阻器工作期內這兩個過程以近似恒定的速度進行。與它們有關的阻值變化約占原阻值的千分之幾。
電負荷高溫老化：任何情況，電負荷均會加速電阻器老化進程，并且電負荷對加速電阻器老化的作用比升高溫度的加速老化后果更顯著，原因是電阻體與引線帽接觸部分的溫升超過了電阻體的平均溫升。
通常溫度每升高10℃，壽命縮短一半。如果過負荷使電阻器溫升超過額定負荷時溫升50℃，則電阻器的壽命僅為正常情況下壽命的1/32。可通過不到四個月的加速壽命試驗，即可考核電阻器在10年期間的工作穩定性。
直流負荷—電解作用：直流負荷作用下，電解作用導致電阻器老化。電解發生在刻槽電阻器槽內，電阻基體所含的堿金屬離子在槽間電場中位移，產生離子電流。濕氣存在時，電解過程更為劇烈。
如果電阻膜是碳膜或金屬膜，則主要是電解氧化;如果電阻膜是金屬氧化膜，則主要是電解還原。對于高阻薄膜電阻器，電解作用的后果可使阻值增大，沿槽螺旋的一側可能出現薄膜破壞現象。
在潮熱環境下進行直流負荷試驗，可全面考核電阻器基體材料與膜層的抗氧化或抗還原性能，以及保護層的防潮性能。
(2) 硫化
有一批現場儀表在某化工廠使用一年后，儀表紛紛出現故障。經分析發現儀表中使用的厚膜貼片電阻阻值變大了，甚至變成開路了。
把失效的電阻放到顯微鏡下觀察，可以發現電阻電極邊緣出現了黑色結晶物質，進一步分析成分發現，黑色物質是硫化銀晶體。原來電阻被來自空氣中的硫給腐蝕了。
(3) 氣體吸附與解吸
膜式電阻器的電阻膜在晶粒邊界上，或導電顆粒和黏結劑部分，總可能吸附非常少量的氣體，它們構成了晶粒之間的中間層，阻礙了導電顆粒之間的接觸，從而明顯影響阻值。
合成膜電阻器是在常壓下制成，在真空或低氣壓工作時，將解吸部分附氣體，改善了導電顆粒之間的接觸，使阻值下降。
同樣，在真空中制成的熱分解碳膜電阻器直接在正常環境條件下工作時，將因氣壓升高而吸附部分氣體，使阻值增大。如果將未刻的半成品預置在常壓下適當時間，則會提高電阻器成品的阻值穩定性。
溫度和氣壓是影響氣體吸附與解吸的主要環境因素。對于物理吸附，降溫可增加平衡吸附量，升溫則反之。由于氣體吸附與解吸發生在電阻體的表面。所以對膜式電阻器的影響較為顯著。阻值變化可達1%~2%。
(4) 氧化
氧化是長期起作用的因素(與吸附不同)，氧化過程是由電阻體表面開始，逐步向內部深入。除了貴金屬與合金薄膜電阻外，其他材料的電阻體均會受到空氣中氧的影響。氧化的結果是阻值增大。電阻膜層愈薄，氧化影響就更明顯。
防止氧化的根本措施是密封(金屬、陶瓷、玻璃等無機材料)。采用有機材料(塑料、樹脂等)涂覆或灌封，不能完全防止保護層透濕或透氣，雖能起到延緩氧化或吸附氣體的作用，但也會帶來與有機保護層有關的些新的老化因素。
(5) 有機保護層的影響
有機保護層形成過程中，放出縮聚作用的揮發物或溶劑蒸氣。熱處理過程使部分揮發物擴散到電阻體中，引起阻值上升。此過程雖可持續1~2年，但顯著影響阻值的時間約為2~8個月，為了保證成品的阻值穩定性，把產品在庫房中擱置一段時間再出廠是比較適宜的。
(6) 機械損傷
電阻的可靠很大程度上取決于電阻器的機械性能。電阻體、引線帽和引出線等均應具有足夠的機械強度，基體缺陷、引線帽損壞或引線斷裂均可導致電阻器失效。
2 電解電容失效
失效模式
1、耗盡失效
通常電解電容器壽命的終了評判依據是電容量下降到額定(初始值)的80%以下。由于早期鋁電解電容器的電解液充盈，鋁電解電容器的電容量在工作早期緩慢下降。
隨著負荷過程中工作電解液不斷修補倍雜質損傷的陽極氧化膜所致電解液逐漸減少。
到使用后期，由于電解液揮發而減少，粘稠度增大的電解液就難于充分接觸經腐蝕處理的粗糙的鋁箔表面上的氧化膜層，這樣就使鋁電解電容器的極板有效面積減小，即陽極、陰極鋁箔容量減少，引起電容量急劇下降。
因此，可以認為鋁電解電容器的容量降低是由于電解液揮發造成。而造成電解液的揮發的最主要的原因就是高溫環境或發熱。
由于應用條件使鋁電解電容器發熱的原因是鋁電解電容器在工作在整流濾波(包括開關電源輸出的高頻整流濾波)、功率電爐的電源旁路時的紋波(或稱脈動)電流流過鋁電解電容器，在鋁電解電容器的ESR產生損耗并轉變成熱使其發熱。
當鋁電解電容器電解液蒸發較多、溶液變稠時，電阻率因粘稠度增大而上升，使工作電解質的等效串聯電阻增大，導致電容器損耗明顯上升，損耗角增大。
例如對于105度工作溫度的電解電容器，其最大芯包溫度高于125度時，電解液粘稠度驟增，電解液的ESR增加近十倍。
增大的等效串聯電阻會產生更大熱量，造成電解液的更大揮發。如此循環往復，鋁電解電容器容量急劇下降，甚至會造成爆炸。漏電流增加往往導致鋁電解電容器失效。
應用電壓過高和溫度過高都會引起漏電流的增加。
2、壓力釋放裝置動作
為了防止鋁電解電容器中電解液由于內部高溫沸騰的氣體或電化學過程而產生的氣體而引起內部高氣壓造成鋁電解電容器的爆炸。
為了消除鋁電解電容器的爆炸，直徑8毫米以上的鋁電解電容器均設置了壓力釋放裝置，這些壓力釋放裝置在鋁電解電容器內部的氣壓達到尚未使鋁電解電容器爆炸的危險壓力前動作，泄放出氣體。隨著鋁電解電容器的壓力釋放裝置的動作，鋁電解電容器即宣告失效。
鋁電解電容器壓力釋放裝置(中間的十字)
電化學過程導致壓力釋放裝置動作
鋁電解電容器的漏電流就是電化學過程，前面已經詳盡論述，不再贅述。電化學過程將產生氣體，這些氣體的聚積將造成鋁電解電容器的內部氣壓上升，最終達到壓力釋放裝置動作泄壓。
溫度過高導致壓力釋放裝置動作
鋁電解電容器溫度過高可能是環境溫度過高，如鋁電解電容器附近有發熱元件或整個電子裝置就出在高溫環境。
鋁電解電容器溫度過高的第二個原因是芯包溫度過高。鋁電解電容器芯包溫度過高的根本原因是鋁電解電容器流過過高的紋波電流。
過高的紋波電流在鋁電解電容器的ESR中產生過度的損耗而產生過度的發熱使電解液沸騰產生大量氣體使鋁電解電容器內部壓力及急劇升高時壓力釋放裝置動作。
3、瞬時超溫
通常鋁電解電容器的芯包核心溫度每降低10℃，其壽命將增大到原來的一倍。這個核心大致位于電容器的中心，是電容器內部最熱的點。
可是，當電容器升溫接近其最大允許溫度時，對于大多數型號電容器在125℃時，其電解液要受到電容器芯包的排擠(driven)，導致電容器的ESR增大到原來的10倍。
在這種作用下，瞬間超溫或過電流可以使ESR永久性的增大，從而造成電容器失效。在高溫和大紋波電流的應用中特別要警惕瞬時超溫發生的可能，還要額外注意鋁電解電容器的冷卻。
4、瞬時過電壓的產生
上電沖擊
上電過程中，由于濾波電感釋放儲能到濾波電容器中，導致濾波電容器的過瞬時過電壓。
上電過電壓示意
電容過電壓失效的防范
電容器在過壓狀態下容易被擊穿，而實際應用中的瞬時高電壓是經常出現的。選擇承受瞬時過電壓性能好的鋁電解電容器，RIFA有的鋁電解電容器就給出了瞬時過電壓值得參數。
5、電解液干涸是鋁電解電容器失效的最主要原因
電解液干涸的原因
電解液自然揮發
電解液的消耗
電解液自然揮發
電解液的揮發速度隨溫度的升高
電解液的揮發速度與電容器的密封質量有關，無論在高溫還是在低溫條件下都要有良好的密封性
電解液的消耗
漏電流所引起的電化學效應消耗電解液，鋁電解電容器的壽命隨漏電流增加而減少。
漏電流隨溫度的升高而增加：25℃時漏電流僅僅是85℃時漏電流的不到十分之一漏電流隨施加電壓升高而增加：耐壓為400V的鋁電解電容器在額定電壓下的漏電流大約是90%額定電壓下的漏電流的5倍。
6、電解液干涸的時間就是鋁電解電容器的壽命
影響鋁電解電容器壽命的的因素(溫度1)
根據鋁電解電容器的電解液的不同，鋁電解電容器的最高工作溫度可分為：
一般用途：85℃
一般高溫用途：105℃
特殊高溫用途：125℃
汽車發動機艙：140~150℃
影響鋁電解電容器壽命的的因素(額定壽命小時數)
按壽命小時數鋁電解電容器可以分為：
一般用途(常溫，3年以內)：1000小時
一般用途(常溫，希望比較長的時間)：2000小時以上
工業級：更長的壽命小時數
影響鋁電解電容器壽命的的因素(溫度2)
溫度每升高10℃，壽命小時數減半
影響鋁電解電容器壽命的的因素(電解液)
電解液的多與寡決定鋁電解電容器的壽命
影響鋁電解電容器壽命的的因素(應用條件)
高溫縮短鋁電解電容器壽命
高紋波電流縮短鋁電解電容器壽命
工作電壓過高縮短鋁電解電容器壽命
7、影響鋁電解電容器壽命的參數與應用條件
工作電壓與漏電流的關系
某公司生產的450V/4700μF/85℃鋁電解電容器的漏電流與施加電壓的關系
溫度與漏電流的關系
某公司生產的450V/4700μF/85℃鋁電解電容器的漏電流與環境溫度的關系
溫度、電壓、紋波電流共同作用對壽命的影響。以某電子鎮流器用鋁電解電容器為例。在不同的電壓與溫度條件下的鋁電解電容器壽命不同。
鋁電解電容器的壽命與溫度、紋波電流的關系
3 電感失效分析
電感器失效模式：電感量和其他性能的超差、開路、短路
模壓繞線片式電感失效機理：
1.磁芯在加工過程中產生的機械應力較大，未得到釋放。
2.磁芯內有雜質或空洞磁芯材料本身不均勻，影響磁芯的磁場狀況，使磁芯的磁導率發生了偏差。
3.由于燒結后產生的燒結裂紋。
4.銅線與銅帶浸焊連接時，線圈部分濺到錫液，融化了漆包線的絕緣層，造成短路。
5.銅線纖細，在與銅帶連接時，造成假焊，開路失效。
1、耐焊性
由于回流焊的溫度超過了低頻片感材料的居里溫度，出現退磁現象。片感退磁后，片感材料的磁導率恢復到最大值，感量上升。一般要求的控制范圍是片感耐焊接熱后，感量上升幅度小于20%。
耐焊性可能造成的問題是有時小批量手工焊時，電路性能全部合格(此時片感未整體加熱，感量上升小)。
但大批量貼片時，發現有部分電路性能下降。這可能是由于過回流焊后，片感感量會上升，影響了線路的性能。在對片感感量精度要求較嚴格的地方(如信號接收發射電路)，應加大對片感耐焊性的關注。
檢測方法：先測量片感在常溫時的感量值，再將片感浸入熔化的焊錫罐里10秒鐘左右，取出。待片感徹底冷卻后，測量片感新的感量值。感量增大的百分比既為該片感的耐焊性大小
2、可焊性
電鍍簡介
當達到回流焊的溫度時，金屬銀(Ag)會跟金屬錫(Sn)反應形成共熔物，因此不能在片感的銀端頭上直接鍍錫。而是在銀端頭上先鍍鎳(2um 左右) ，形成隔絕層，然后再鍍錫(4-8um )。
可焊性檢測
將待檢測的片感的端頭用酒精清洗干凈，將片感在熔化的焊錫罐中浸入4秒鐘左右，取出。如果片感端頭的焊錫覆蓋率達到90%以上，則可焊性合格。
可焊性不良
1)端頭氧化：當片感受高溫、潮濕、化學品、氧化性氣體(SO2、NO2等)的影響， 或保存時間過長，造成片感端頭上的金屬Sn氧化成SnO2，片感端頭變暗。
由于SnO2不和Sn、 Ag、Cu等生成共熔物，導致片感可焊性下降。片感產品保質期：半年。如果片感端頭被污染，比如油性物質，溶劑等，也會造成可焊性下降
2)鍍鎳層太薄，吃銀：如果鍍鎳時，鎳層太薄不能起隔離作用。回流焊時，片感端頭上的Sn和自身的Ag首先反應，而影響了片感端頭上的Sn和焊盤上的焊膏共熔，造成吃銀現象，片感的可焊性下降。
判斷方法：將片感浸入熔化的焊錫罐中幾秒鐘，取出。如發現端頭出現坑洼情況，甚至出現瓷體外露，則可判斷是出現吃銀現象的。
3、焊接不良
內應力
如果片感在制作過程中產生了較大的內部應力，且未采取措施消除應力，在回流焊過程中，貼好的片感會因為內應力的影響產生立片，俗稱立碑效應。
判斷片感是否存在較大的內應力，可采取一個較簡便的方法：
取幾百只的片感，放入一般的烤箱或低溫爐中，升溫至230℃左右，保溫，觀察爐內情況。如聽見噼噼叭叭的響聲，甚至有片子跳起來的聲音，說明產品有較大的內應力。
元件變形
如果片感產品有彎曲變形，焊接時會有放大效應。
焊接不良、虛焊
焊接正常
焊盤設計不當
a.焊盤兩端應對稱設計，避免大小不一，否則兩端的熔融時間和潤濕力會不同
b.焊合的長度在0.3mm以上(即片感的金屬端頭和焊盤的重合長度)
c.焊盤余地的長度盡量小，一般不超過0.5mm。
d.焊盤的本身寬度不宜太寬，其合理寬度和MLCI寬度相比，不宜超過0.25mm
貼片不良
當貼片時，由于焊墊的不平或焊膏的滑動，造成片感偏移了θ角。由于焊墊熔融時產生的潤濕力，可能形成以上三種情況，其中自行歸正為主，但有時會出現拉的更斜，或者單點拉正的情況，片感被拉到一個焊盤上，甚至被拉起來，斜立或直立(立碑現象)。目前帶θ角偏移視覺檢測的貼片機可減少此類失效的發生。
焊接溫度
回流焊機的焊接溫度曲線須根據焊料的要求設定，應該盡量保證片感兩端的焊料同時熔融，以避免兩端產生潤濕力的時間不同，導致片感在焊接過程中出現移位。
如出現焊接不良，可先確認一下，回流焊機溫度是否出現異常，或者焊料有所變更。
電感在急冷、急熱或局部加熱的情況下易破損，因此焊接時應特別注意焊接溫度的控制，同時盡可能縮短焊接接觸時間
回流焊推薦溫度曲線
手工焊推薦溫度曲線
4、上機開路
虛焊、焊接接觸不良
從線路板上取下片感測試，片感性能是否正常
電流燒穿
如選取的片感，磁珠的額定電流較小，或電路中存在大的沖擊電流會造成電流燒穿，片感或磁珠 失效，導致電路開路。
從線路板上取下片感測試，片感失效，有時有燒壞的痕跡。如果出現電流燒穿，失效的產品數量會較多，同批次中失效產品一般達到百分級以上。
焊接開路
回流焊時急冷急熱，使片感內部產生應力，導致有極少部分的內部存在開路隱患的片感的缺陷變大，造成片感開路。從線路板上取下片感測試，片感失效。如果出現焊接開路，失效的產品數量一般較少，同批次中失效產品一般小于千分級。
5、磁體破損
磁體強度
片感燒結不好或其它原因，造成瓷體強度不夠，脆性大，在貼片時，或產品受外力沖擊造成瓷體破損
附著力
如果片感端頭銀層的附著力差，回流焊時，片感急冷急熱，熱脹冷縮產生應力，以及瓷體受外力沖擊，均有可能會造成片感端頭和瓷體分離、脫落;或者焊盤太大，回流焊時，焊膏熔融和端頭反應時產生的潤濕力大于端頭附著力，造成端頭破壞。
片感過燒或生燒，或者制造過程中，內部產生微裂紋。回流焊時急冷急熱，使片感內部產生應力，出現晶裂，或微裂紋擴大，造成瓷體破損。
4 半導體器件失效分析
半導體器件失效分析就是通過對失效器件進行各種測試和物理、化學、金相試驗，確定器件失效的形式(失效模式)，分析造成器件失效的物理和化學過程(失效機理)，尋找器件失效原因，制訂糾正和改進措施。
加強半導體器件的失效分析，提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改進電子產品質量最積極、最根本的辦法，對提高整機可靠性有著十分重要的作用。
半導體器件與使用有關的失效十分突出，占全部失效器件的絕大部分。進口器件與國產器件相比，器件固有缺陷引起器件失效的比例明顯較低，說明進口器件工藝控制得較好，固有可靠性水平較高。
1、與使用有關的失效
與使用有關的失效原因主要有：過電應力損傷、靜電損傷、器件選型不當、使用線路設計不當、機械過應力、操作失誤等。
①過電應力損傷。過電應力引起的燒毀失效占使用中失效器件的絕大部分，它發生在器件測試、篩選、安裝、調試、運行等各個階段，其具體原因多種多樣，常見的有多余物引起的橋接短路、地線及電源系統產生的電浪涌、烙鐵漏電、儀器或測試臺接地不當產生的感應電浪涌等。
按電應力的類型區分，有金屬橋接短路后形成的持續大電流型電應力，還有線圈反沖電動勢產生的瞬間大電流型電應力以及漏電、感應等引起的高壓小電流電應力;按器件的損傷機理區分，有外來過電應力直接造成的PN結、金屬化燒毀失效，還有外來過電應力損傷PN結觸發CMOS電路閂鎖后引起電源電流增大而造成的燒毀失效。
②靜電損傷。嚴格來說，器件靜電損傷也屬于過電應力損傷，但是由于靜電型過電應力的特殊性以及靜電敏感器件的廣泛使用，該問題日漸突出。
靜電型過電應力的特點是：電壓較高(幾百伏至幾萬伏)，能量較小，瞬間電流較大，但持續時間極短。
與一般的過電應力相比，靜電型損傷經常發生在器件運輸、傳送、安裝等非加電過程中，它對器件的損傷過程是不知不覺的，危害性很大。
從靜電對器件損傷后的失效模式來看，不僅有PN結劣化擊穿、表面擊穿等高壓小電流型的失效模式，也有金屬化、多晶硅燒毀等大電流失效模式。
③器件選型不當。器件選型不當也是經常發現的使用問題引起失效的原因之一，主要是設計人員對器件參數、性能了解不全面、考慮不周，選用的器件在某些方面不能滿足所設計的電路要求。
④操作失誤。操作失誤也是器件經常出現的失效原因之一，例如器件的極性接反引起的燒毀失效等。
2、器件固有缺陷引起的失效
與器件固有缺陷有關的失效原因主要有：表面問題、金屬化問題、壓焊絲鍵合問題、芯片鍵合問題、封裝問題、體內缺陷等。在這幾種原因中，對器件可靠性影響較大的是表面問題、鍵合問題和粘片問題引起的失效，它們均帶有批次性，且經常重復出現。
(1) 表面問題
從可靠性方面考慮，對器件影響最大的是二氧化硅層內的可動正離子電荷，它會使器件的擊穿電壓下降，漏電流增大，并且隨著加電時間的增加使器件性能逐漸劣化。
有這種缺陷的器件用常規的篩選方法不能剔除，對可靠性危害很大。此外，芯片表面二氧化硅層中的針孔對器件可靠性的影響也較大。
有這種缺陷的器件，針孔剛開始時往往還有一層極薄的氧化層，器件性能還是正常的，還可順利通過老煉、篩選等試驗，但長期使用后由于TDDB效應和電浪涌的沖擊，針孔就會穿通短路，引起器件失效。
(2) 金屬化問題
引起器件失效的常見的金屬化問題是臺階斷鋁、鋁腐蝕、金屬膜劃傷等。對于一次集成電路，臺階斷鋁、鋁腐蝕較為常見：對于二次集成電路來說，內部金屬膜電阻在清洗、擦拭時被劃傷而引起開路失效也是常見的失效模式之一。
(3) 壓焊絲鍵合問題
常見的壓焊絲鍵合問題引起的失效有以下幾類。
①壓焊絲端頭或壓焊點沾污腐蝕造成壓焊點脫落或腐蝕開路。
②外壓焊點下的金層附著不牢或發生金鋁合金，造成壓焊點脫落。
③壓焊點過壓焊，使壓焊絲頸部斷開造成開路失效。
④壓焊絲弧度不夠，與芯片表面夾角太小，容易與硅片棱或與鍵合絲下的金屬化鋁線相碰，造成器件失效。
(4) 芯片鍵合問題
最常見的是芯片粘結的焊料太少、焊料氧化、燒結溫度過低等引起的開路現象。芯片鍵合不好，焊料氧化發黑，導致芯片在"磁成形"時受到機械應力作用后從底座抬起分離，造成開路失效。
(5) 封裝問題
封裝問題引起的失效有以下幾類。
①封裝不好，管殼漏氣，使水汽或腐蝕性物質進入管殼內部，引起壓焊絲和金屬化腐蝕。
②管殼存在缺陷，使管腿開路、短路失效。
③內涂料龜裂、折斷鍵合鋁絲，造成器件開路或瞬時開路失效。這種失效現象往往發生在器件進行高、低溫試驗時。
(6) 體內缺陷
半導體器件體內存在缺陷也可引起器件的結特性變差而失效，但這種失效形式并不多見，而經常出現的是體內缺陷引起器件二次擊穿耐量和閂鎖閾值電壓降低而造成燒毀。
來源：電子工程世界
