第九章元器件(半导体)的可靠性及选择.

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环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
2）温度变化对电阻的影响
温度变化对电阻的影响主要是温度升高时，电 阻内热噪声加剧，阻值偏离标称值，允许耗散功率 下降等。如RXT系列的碳膜电阻在温度升高到100℃ 时，允许的耗散功率仅为标称值的20%。
3）温度变化对电容的影响
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元器件的失效规律
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元器件的失效规律
早期失效期
特征——多发生在元器件制造和计算机及其 应用系统或电子设备刚安装运行的几个月内， 一般为几百小时。 失效原因：
设计不当 元器件本身的缺陷 安装工艺不可靠 环境条件恶化
克服的办法：元器件筛选、严控质量和安装 工艺、老化后再使用。
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元器件的失效形式
突然失效
也称为“灾难性失效”。这是元器件参数急 剧变化或因元器件制造工艺不良，环境条件 变化而导致短路或开路所造成的。 如器件因焊接不牢造成开路，或因灰尘微粒 使器件管脚短路，电容器因电解质击穿造成 短路等。
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元器件的失效形式
失效分析的思路
失效分析是通过对失效的元器件进行测试分 析，找出引起失效的原因，是从事件的结果 推导事件发生的原因的过程。 进行失效分析最主要的依据就是失效或故障 的元器件。 失效分析除了具备一定的专业知识外，还要 有正确的思路、科学的方法和必要的条件。
温度变化对电容的影响主要是引起电容介质损 耗变化，从而影响其寿命。温度每升高 10℃ 时，电 容器的寿命就降低一半，同时还引起电路阻容时间 常数等参数的变化，甚至发生因介质损耗过大而热 击穿的情况。
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环境因素对元器件可靠性的影响
2. 湿度影响
湿度过高，当含有酸性的尘埃落到线路板或配电盘上时， 将迅速腐蚀元器件焊点与接线处，造成焊点脱落，接头 断开，引起接触性故障。 湿度过高，也是引起漏电耦合的主要原因。当具有导电 性的尘埃落到线路板上时，将使线路板表面的绝缘性能 变化，若电压由漏电耦合到低压器件，将造成电压击穿 故障。 湿度过高，还会使密封较差的元器件受到腐蚀而退化。 湿度过低，如相对湿度低于40%时，空气被认为是干燥 的。当相对湿度低于20%时，极易产生静电，人不敢接 触机器，一碰机器就会引起电子元器件击穿，特别是 MOS器件击穿损坏，或造成机器误动作。
总之，系统运行环境应严格控制湿度。
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环境因素对元器件可靠性的影响
3. 电压影响
施加到元器件上的电压稳定性是保证元器 件正常运行的重要条件。过高的电压会增 加元器件的热损耗，甚至造成电压击穿。 例如，对电容器来说，其失效率正比于电 容电压的5次幂。
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退化失效
也称为“衰变失效”。这是因元器件制造公 差，温度系数变化、材料变质、电源电压波 动、工艺不良、电应力变化、随机影响和老 化过程引起的，使元器件参数逐渐变化，性 能变差。
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元器件的失效形式
局部失效
退化失效使系统性能变化，使局部功能失效， 称之为局部失效。 如数码寄存器因机器温度过高，使某一位触 发器性能变差，导致该数码寄存器局部失效。
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环境因素对元器件可靠性的影响
4. 振动、冲击影响
机械振动与冲击会使一些内部有缺陷的元器件加速 失效，造成灾难性故障。 机械振动会使焊点、压线点发生松动，导致接触不 良；若振动导致接线产生不应有的碰连，会引起更 严重的后果，造成短路事故。振动会使元器件移位， 变形及相互碰撞，引起分布参数变化。 机械振动、冲击还会引起紧固件脱落或松动，甚至 撞击其他零部件，造成零件损坏。
环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
1）温度变化对半导体器件的影响
半导体器件与温度有直接关系。尤其是双极型半导 体器件，组成这类元器件的基本单元P-N结，对温度变 化很敏感。当P-N结反偏时，由少数载流子形成的反向 漏电流受温度变化影响，其关系为
ICO ICOR [e
0.069(T TR )
因此应避免振动、冲击的发生，当无法避免较大的 振动冲击源时，应采取防振、减振措施。
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环境因素对元器件可靠性的影响
5. 电磁场影响
电磁场会瞬间造成很大的电压脉冲，或出现 “火花”，会对系统的感性或容性负载产生严 重影响，会影响到整个电路上的电压。 此外，人身上也会积累电荷，发生静电放电。 电磁场的高频瞬态电压、浪涌电压、谐波畸变 和大电流冲击会产生很强的噪声干扰，会使计 算机信息出错，还会使元器件损坏。
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元器件的失效形式
全局失效
一个突然失效会使整个系统失效，这种失效 称为全局失效。 如时序控制电路的晶体振荡器两端的电容突 然短路，使该晶振损坏，造成整个微机无法 工作，即整体失效。
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2.元器件的失效机理
元器件的失效直接受温度、湿度、电压、机械、电磁 场等因素的影响。
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元器件的失效机理
金属件的失效机理
疲劳（占36.3%） 脆断（占12.6%） 腐蚀（占12%） 应力腐蚀（占3.8%） 磨损（占6%） 韧性断裂（占7.9%） 其他（占21.4%）
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3.元器件的失效分析技术
①失效分析的概念
失效分析的目的绝不仅是评价系统及其组成单元的可 靠性水平，更重要的是提高系统的可靠性水平。因此， 必须对系统及其组成单元和元器件进行失效分析，所 形成的失效分析技术构成了系统可靠性技术的一项重 要内容。 要保证和提高系统和设备的可靠性，必须选择高可靠 性的元器件。要提高元器件的可靠性，必须了解其失 效的本质、失效的模式及故障机理，以便采取有效的 措施。 系统和设备可靠性设计需要提供元器件及材料的失效 率、失效模式和故障模式及其严重性的信息。
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元器件的失效机理
半导体元器件的失效机理
半导体缺陷引起的失效 SiO2层中正电荷引起的失效 SiO2 层缺陷（如针孔、划伤、钻蚀、断裂等） 引起的失效 二次击穿引起的失效 金属化系统（电极）引起的失效，占半导体失 效的首位 贴片或焊片失效，如掉片、热阻增大，使性能 退化 封装失效、气密性差等
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元器件的失效规律
稳定工作期（正常寿命期、正常使用期）
特征——元器件突然性失效较少，而暂时性 故障较多。故障率可降低到一个较低的水平， 且基本处于稳定状态，可以近似故障率为常 数。持续时间较长。 失效原因：应力引起
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元器件的失效规律
衰老期（耗损期）
可靠性设计——
V.电子元器件的可靠性
本章内容
1. 元器件的失效特征 2. 元器件的失效机理 3. 元器件的失效分析技术 4. 元器件的选择和应用
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1.元器件的失效特征
概念
元器件包括半导体分立元器件、集成电 路元器件、电阻器、电容器、石英晶体 振荡器、连接器、开关、电缆、光导纤 维和继电器等。 失效特征，主要指元器件的失效规律， 失效形式等。
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①失效分析的概念
应力和时间是诱发失效的重要外部因素。 由外因诱发失效的物理和化学过程叫失 效机理。失效的状态类型称为失效模式。 失效分析，既要分析产生故障的原因， 提出改进的方法和措施，又要弄清失效 模式和故障机理，从本质上预防失效和 故障的再发生。
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①失效分析的概念
失效物理
是研究元器件及其材料故障机理的一门综合学科。 故障机理是指引起元器件及其材料发生故障的物理 和化学过程及原因。 从微观角度研究故障机理，从失效过程的描述中建 立物理模型。 以故障机理研究为核心，通过建立物理模型，将微 观本质与宏观性能相结合 ，并应用于可靠性工程。 总之，研究元器件的故障机理及其物理模型，不断 地从失效分析中汲取营养，又反过来从理论上充实 和指导失效分析技术。
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环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
1）温度变化对半导体器件的影响
温度与允许功耗有如下关系： T jm T Pcm RT Pcm为最大允许功耗；Tjm为最高允许结温；T为使用环 境温度；RT为热阻。
温度的升高将使晶体管的最大允许功耗下降。
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元器件的失效机理
阻容元器件的失效机理
电介质击穿 发生化学或电解腐蚀 离子迁移 纸介质的脱水作用 有机膜、云母、玻璃等介质发生电晕 电解质如钽、电解铝出现蒸发 界面极性
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元器件的失效机理
阻容元器件的失效机理
纸、有机膜、云母、玻璃等介质出现污染 纸介质加水分解 云母等介质发生热劣化 云母、有机膜的残余应力松弛 云母、玻璃陶瓷出现伸缩 云母、玻璃介质热疲劳 云母介质发生电弧 纸、玻璃、陶瓷、钽等介质出现电介质泄露
]
由上式看出，温度每升高10℃，ICO将增加一倍。
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环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
1）温度变化对半导体器件的影响
这种变化将导致如下结果： 晶体管放大器的工作点产生漂移。这是形成运放零 点漂移的主要原因。 电流放大系数 β 发生变化，造成放大器增益不稳定。 导致晶体管的特性曲线发生变化，使其所允许的动 态范围发生变化。
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元器件的失效规律
浴盆曲线（Bathtub curve ）
人们在长期的生产实践中发现新制造出来的 电子元器件，在刚投入使用的时候，一般失 效率较高，叫做早期失效。经过早期失效后， 电子元器件便进入了正常的使用期阶段，一 般来说，在这一阶段中，电子元器件的失效 率会大大降低。过了正常使用阶段，电子元 器件便进入耗损老化期阶段，意味着寿终正 寝。这个规律，恰似一条浴盆曲线，人们称 它为电子元器件的效能曲线。
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①失效分析的概念
对于电子元器件的可靠性设计来说，最能暴露 问题的方法还是进行各种试验。在这些最接近 实际使用条件的试验中，许多隐患和薄弱环节 都会显示出来，参加试验的组件、部件，子系 统，甚至整个系统都可能会不同程度地丧失其 应有的功能，即失效。 失效分析就是分析寻找引起元器件失效的原因， 并提出补救和纠正措施。20世纪60年代出现的 以研究故障机理为核心的失效物理学科成了其 研究的重要内容。
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②失效分析的意义、思路
对于可靠性工程的意义
为合理选择元器件提供依据 为设计提供正确的理论依据和设计思想 为改进工艺指明方向 指导各种可靠性试验条件和可靠性分析方法 在处理可靠性工程问题时，为决策提供科学 依据 为可靠性设计提供宝贵的信息资料
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②失效分析的意义、思路
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环境因素对元器件可靠性的影响
6. 腐蚀
腐蚀，有空气腐蚀或氧化、电解液腐蚀等种类。 大气中含有各种酸盐及化工、冶炼等工业生产中排 出的有害气体，如SO2、H2S、CO2、CO和臭氧等。 这些腐蚀性气体会使计算机及其应用系统或电子设 备金属化表面氧化腐蚀，使接插件接触情况恶化， 使半导体元器件管脚和电子线路引起腐蚀，还会使 半导体稳定性受到破坏。 电解液对金属有着很强的腐蚀和氧化作用，会造成 接头与插座之间，元器件与插座或焊接孔之间电阻 加大，电流减小，引起间歇故障，严重时会造成断 路。
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环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
1）温度变化对半导体器件的影响
环境温度升高将直接引起元器件温度升高，从而引 起最高工作电压下降。 温度过高，将使元器件的P-N结被击穿而损坏。 由于 P-N 结的正向压降受温度的影响较大，所以双 极型半导体器件 TTL 、 HTL 等 IC 的电压传输特性和 抗干扰度也与温度密切相关。
特征——失效率大大增加，可靠性急剧下降， 接近报废。 失效原因：元器件的物理变化、老化和机械 磨损、疲劳磨损等。 克服办法：应用系统到了这个时期，应大修， 更换一批失效的元器件。常采用定期维修、 更换等手段进行预防降低系统故障率。
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元器件的失效形式
分类：
突然失效 退化失效 局部失效 全局失效