航空电子元器件失效模式及其机理探讨

航空电子元器件失效模式及其机理探讨

本文对航空电子元器件的失效模式及失效机理进行了研究，并给出其敏感环境，对于电子产品的设计提供一定的参考。

1 典型元器件失效模式

为获取电子元器件的敏感环境，对其环境相关典型故障模式进行分析，如表1所示。

表1 电子元器件典型故障模式

2 典型元器件失效机理分析

电子元器件的故障模式并不单一，仅对有代表性的部分典型元器件敏感环境的耐受极限进行分析，以得到较为通适的结论。

2.1 机电元件

典型机电元件包括电连接器、继电器等。分别结合两类元器件的结构对其失效模式进行深入分析。

1）电连接器

电连接器由壳体、绝缘体和接触体三大基本单元组成,其失效模式概括起来有接触失效、绝缘失效和机械联接失效三种失效形式。电连接器的主要失效形式为接触失效，其失效表现为：接触对瞬断和接触电阻增大。对于电连接器来说，由于接触电阻及材料导体电阻的存在，当有电流流过电连接器时，接触电阻和金属材料导体电阻将会产生焦耳热，焦耳热升高会使得热量增加，导致接触点的温度升高，过高的接触点温度会使得接触表面的金属软化、融化甚至沸腾，同时也会增大接触电阻，从而引发接触失效。在高温环境的作用下，接触件还会出现蠕变现象，使得接触件之间的接触压力不断减小。当接触压力减小到一定程度后，接触电阻会急剧增大，最后造成电接触不良，引发接触失效。

另一方面，电连接器在贮存、运输和工作时，会受到各种振动载荷和冲击力的作用，当外界振动载荷的激励频率和电连接器固有频率接近时，会使得电连接器产生共振现象，造成接触件的间隙变大，间隙增大到一定程度，接触压力会瞬时消失，从而导致电接触的“瞬断”。在振动、冲击载荷作用下，电连接器内部会产生应力，当应力超过材料的屈服强度时，会使得材料产生破坏和断裂；在这种长期应力的作用下，材料也会发生疲劳损伤，最后引发失效。

2）继电器

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点、簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，进而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断目的。

电磁继电器整体失效的主要模式有：继电器常开、继电器常闭、继电器动弹簧动作不满足要求、触点闭合后继电器电参数超差等。由于电磁继电器生产工艺的不足，很多电磁继电器的失效在生产过程中就埋下质量隐患，如机械应力释放期过短导致机械结构成型后部件变形，残留物去除不尽导致 PIND检测不合格甚至失效，出厂检测与使用筛选不严使得失效器件投入使用等。而冲击环境易引发金属触点的塑性变形，导致继电器发生失效。在进行含继电器设备的设计时，需要着重对于其冲击环境适应性进行考虑。

图2 继电器

2.2 半导体微波元件

微波半导体器件是指由Ge、Si和III~V族化合物半导体材料制成的工作在微波波段的元器件。用于雷达、电子战系统和微波通信系统等电子设备。微波分立器件的封装除了要为管芯和引脚提供电连接及机械、化学保护外，管壳的设计和选用还要考虑管壳寄参量对器件微波传输特性的影响。微波管壳也是电路的一部分，它本身就构成了一个完整的输入输出电路。因此，管壳的形状结构、尺寸大小、介质材料、导体

配置等都要与元器件的微波特性和电路应用方面相匹配。这些因素确定了管壳的电容、电引线电阻、特性阻抗及导体和介质的损耗等参数。

图3 半导体微波元器件

微波半导体元器件的环境相关的失效模式与机理主要包括栅金属下沉和电阻性

能的退化。栅金属下沉是因为栅金属(Au)热加速扩散进入GaAs中，所以这种失效机理主要在加速寿命试验或极高温工作时出现。栅金属(Au)扩散进入GaAs的速率是栅金属材料的扩散系数、温度和材料浓度梯度的函数，对于完美的晶格结构，在正常的工作温度下因扩散率非常慢而不会影响器件的性能，然而颗粒边界很大或表面缺陷很多时，扩散率会很显著。电阻通常被用于微波单片集成电路的反馈电路、设置有源器件的偏置点、隔离、功率合成或耦合的末端,有两种结构的电阻:金属薄膜电阻(TaN、NiCr)和轻掺杂GaAs薄层电阻。试验表明潮湿引起NiCr电阻的退化是其失效的主要机理。

2.3 混合集成电路

传统的混合集成电路，按基片表面的厚膜导带、薄膜导带工艺不同分为厚膜混合集成电路和薄膜混合集成电路两大类：某些小型的印制电路板（PCB）电路，由于印制电路是以膜的形式在平整板表面形成导电图形的，也归类为混合集成电路。随着多芯片组件这一先进混合集成电路的出现，其基板特有的多层布线结构和通孔工艺技术，已使组件成为混合集成电路中一种高密度互连结构的代名词，多芯片组件所采用的基板又包括：薄膜多层、厚膜多层、高温共烧、低温共烧、硅基、PCB多层基板等。

图4 混合集成电路

混合集成电路环境应力失效模式主要有基片开裂造成电开路失效以及元器件与

厚膜导体、元器件与薄膜导体、基板与外壳之间的焊接失效。产品跌落产生的机械冲击力、锡焊操作带来的热冲击、基片翘曲不平引起的额外应力、基片与金属外壳和黏结料之间热失配产生的横向拉伸应力、基片内部缺陷造成的机械应力或热应力集中、基片钻孔和基片切割局部微裂纹造成的潜在损伤，最终导致外部机械应力大于陶瓷基片固有的机械强度，造成失效。

焊接结构易在温度循环应力的反复作用下，会导致焊料层热疲劳，造成黏结强度下降、热阻增加。对于锡基类的韧性焊料，温度循环应力作用导致焊料层的热疲劳，是由于焊料连接的两结构的热膨胀系数不一致，是焊料产生位移变形或剪切变形，多次反复后，焊料层随着疲劳裂纹扩展和延伸，最终导致焊接层疲劳失效。

2.4 分立器件与集成电路

半导体分立器件按大类分为二极管、双极型晶体管、MOS场效应管、晶闸管和绝缘栅双极型晶体管。集成电路应用范围广泛，根据功能可分为三类，即数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路。

1）分立器件

分立器件种类繁多，因各自功能和工艺不同，失效表现有较大差异，有其特殊性。然而，作为半导体工艺形成的基本器件，其失效物理有一定的相似性。与外界力学及自然环境相关的失效主要有热致击穿、动态雪崩、芯片焊接失效及内引线键合失效。