電子元器件失效機理指導致其功能喪失的物理、化學或熱力學過程，涵蓋性能退化(如容量衰減)和安全性失效(如熱失控)，根源包括材料結構破壞、界面反應異常及環(huán)境應力作用等微觀變化。????

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的檢測方法對于提高產品的可靠性和性能至關重要。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. 機械應力：

- 振動和沖擊：機械振動和沖擊可能導致焊點或內部結構損壞。

- 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. 設計缺陷：

- 不合理的設計：設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射線設備檢查焊接質量和內部結構，識別潛在的內部缺陷。

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結的正向壓降對溫度反應敏感，因此以P-N結為基本單元構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。

隨著溫度的升高，P-N結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)失調等問題，嚴重時甚至可能導致熱擊穿。

此外，構成雙極型半導體器件的P-N結對溫度變化非常敏感，當P-N結處于反向偏置狀態(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)生不應有的接觸，則可能產生意外的后果。

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)生變質和開路故障，其中變質往往表現(xiàn)為阻值增大。一旦電阻器出現(xiàn)變質或開路，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，可能是由于介質中存在疵點、缺陷、雜質或導電離子。

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。

失效機理類型與影響因素

??性能失效?：如?電阻膜燒毀或脫落導致開路，?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?內層空洞導致電場集中、局部過熱及短路燒毀。????

?關鍵影響因素?：

溫度：每升高10℃，?半導體漏電流倍增，電容壽命減半。??

電壓：過壓致?電擊穿，電容失效率與電壓5次冪正相關。??

?濕度：高濕腐蝕?焊點，低濕引發(fā)電靜電。??

機械應力：?振動致焊點松動或?結構裂紋。??

分析方法與預防

通過?X射線衍射、?電化學阻抗譜及?工業(yè)CT掃描定位缺陷，結合?材料全生命周期數(shù)據(jù)建模預測。預防需加強?來料管控(如?超聲掃描篩查空洞)、優(yōu)化設計(如選用?耐瞬時過電壓器件)，并建立?失效知識庫以改進工藝。??

失效分析在產品的可靠性質量保證和提高中發(fā)揮著重要作用，在產品的研發(fā)、生產、使用中都需要引入失效分析工作。金鑒實驗室提供電子元器件失效分析的檢測服務，金鑒實驗室擁有專業(yè)LED質量工程師團隊及高精度電子元器件檢測設備，具有精湛的技術與經驗。經過長時間的嚴格執(zhí)行，現(xiàn)已得到行業(yè)內各廠家一致認可。

溫度對元件失效的影響

1.溫度對半導體器件失效的影響

環(huán)境溫度是導致元件失效的關鍵因素之一。半導體器件的核心結構是 P-N 結，其對溫度變化極為敏感。當 P-N 結處于反向偏置狀態(tài)時，由少數(shù)載流子形成的反向漏電流會隨著溫度變化而改變。

其中，ICQ 為溫度 T 時的反向漏電流，ICQR 為溫度 TR 時的反向漏電流，T?TR 為溫度變化的絕對值。

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。這一變化會導致晶體管放大器的工作點發(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，動態(tài)范圍變小。

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

此外，由于 P-N 結的正向壓降受溫度影響較大，以 P-N 結為基本單元構成的雙極型半導體邏輯元件(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。

當溫度升高時，P-N 結的正向壓降減小，其開門和關門電平都會減小，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，從而導致輸出電平偏移、波形失真、穩(wěn)態(tài)失調，甚至可能出現(xiàn)熱擊穿現(xiàn)象。

2.溫度對電阻失效的影響

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

例如，經過特殊設計的 PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)和 NTC(負溫度系數(shù)熱敏電阻)，它們的阻值受溫度影響較大。對于 PTC，當其溫度升高到某一閾值時，電阻值會急劇增大。

當因某種故障導致通過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，從而限制通過它的電流，達到保護電路的目的。而當故障排除后，通過它的電流減小，PTC 的溫度恢復正常，電阻值也恢復到正常值。對于 NTC，其特點是電阻值隨溫度升高而減小。

3.溫度對電容失效的影響

溫度變化會對電容產生多方面的影響。首先，溫度升高會導致電容的介質損耗發(fā)生變化，從而影響其使用壽命。一般來說，溫度每升高 10℃，電容器的壽命會降低 50%。

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

濕度對元件失效的影響

濕度過高會對元件產生不良影響。當含有酸堿性的灰塵落到電路板上時，會腐蝕元器件的焊點與接線處，導致焊點脫落、接頭斷裂。此外，濕度過高也是引起漏電耦合的主要原因之一。而濕度過低則容易產生靜電，對元件造成損害。

因此，環(huán)境的濕度應控制在合理的水平，以確保元件的正常工作和使用壽命。金鑒實驗室擁有先進的測試設備和專業(yè)團隊，能夠為客戶提供全面的MSL濕氣敏感性測試服務，確保元件在使用過程中的可靠性。

過高電壓對元件失效的影響

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。過高的電壓會對元器件造成嚴重損害。

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

主動元件和被動元件失效的表現(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，超過耐壓值會對元件造成損傷。對于二極管、電容等元件，電壓超過其耐壓值會導致它們擊穿。如果能量很大，還會導致熱擊穿，使元件報廢。

振動與沖擊對元件失效的影響

機械振動與沖擊會對元件產生不良影響。首先，機械振動會使一些內部有缺陷的元件加速失效，從而引發(fā)災難性故障。其次，機械振動還會導致焊點、壓線點松動，造成接觸不良。

此外，若振動導致導線不應有的碰連，會產生一些意想不到的后果。電氣過應力(Electrical Over Stress，EOS)是一種常見的損害電子器件的方式，也是元器件常見的損壞原因之一。其表現(xiàn)方式是過壓或者過流產生大量的熱能，使元器件內部溫度過高從而損壞元器件(即大家常說的燒壞)。這種損害是由電氣系統(tǒng)中的脈沖導致的一種常見現(xiàn)象。