电子元器件失效机理

摘要：电子元器件被广泛的应用于人们的生产和生活的各种装置中，是社会进步发展必不可少，具有极为重要的作用。然而各类电子元器件在使用过程中不可避免地会出现失效现象。因此分析元器件失效原因和老化机理，并提出可行的老化方法就显得尤为重要。

关键字：老化机理，失效原因

Abstract：Electronic components are widely used in people's production and life, is essential for social progress and development, an extremely important role. However, the use of various electronic components will inevitably occur during the failure phenomenon. Therefore, the aging analysis of the causes and mechanisms of component failure, and put forward feasible method of aging is particularly important.

Keyword：Aging mechanisms，failure causes

1引言

电子元器件在各种电子产品中有广泛的应用。电子产品都有一定的使用寿命，这与电子元器件的寿命密切相关。电子元器件在使用的过程有可能出现故障，即失去了原有的功能，从而使电子产品失效。电子产品的应用十分的广泛，是生产生活所不能缺少的重要部分。因此研究电子元器件的失效原因和老化机理，并提出可行的老化方法就具有重要意义。老化是一种方法，即给电子元器件施加环境应力试验。若了解电子元器件的老化机理就能提出可靠的老化，就可以剔除产生出有缺陷将会早期失效的元器件，因而保证了出产产品的使用寿命。一个有效的老化方法能降低生产成本，提高收益，减少不必要的损失和麻烦。

2 研究电子元器件失效的意义

电子元器件的失效即为特性的改变，表现为激烈或缓慢变化，不能正常工作。

在文献[1]中介绍了电子元器件的失效原因。

其主要分为：

1致命性失效：如过电应力损伤

2缓慢退化：如MESFET（金属—半导体场效应晶体管）的IDSS（饱和漏源电流）下降

3间歇失效:如塑封器件随温度变化间歇失效

在文献[1]中也介绍了研究电子元器件失效的实验方法。

其主要可分为：

1应力----强度模型即保持元器件所在的环境不发生任何变化只改变应力的大小。从一个低的应力下缓慢增加直至应力超过元器件的强度承受范围（如过电应力（EOS）静电放电（ESD）闩锁等等），纪录下在各种应力的电子元器件的各种电气特性的数据，用来在实验结束后进行数据处理和分析。

2应力----时间模型即保持元器件所处的环境下各种应力是保证不发生变化的，在某一特定的应力下随着时间的积累效应，特性变化超差（如金属电迁移，腐蚀，热疲劳等等）。同样也要纪录下在各个时间段内元器件的各种电气特性数据，用来在实验结束后进行数据处理和分析。

研究电子元器件的失效原理能确定它的失效模式、失效机理，研究分析老化机理，防止失效重复出现，并提出可行的老化方法。

3 各种电子元器件失效原因和老化机理

3.1电容器的失效原理

在文献[1]中介绍了各种电容器的失效原因和老化

一：电解电容

电解电容主要应用于电源滤波，一旦短路后果严重。它的优点是电容量大，价格低;缺点是寿命短，漏电流大，易燃。

在经过大量的研究后发现电解电容的失效原因主要有以下几点。

1：漏液：电容减小，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大

2：短路放电：大电流烧坏电极

3：电源反接：大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜增厚，电容量下降

4：长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大

与其对应的老化主要是：降温使用，不做短路放电，电源不反接，经常通电。

二：固体钽电容失效原因：过流烧毁；正负极反接。

三：陶瓷电容失效原因：电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增大；银迁引起边缘漏电和介质内部漏电。

3.2微电子器件的失效原理

在文献[1]中介绍了微电子器件的失效原理主要有如下几种情况。

开路的可能失效原因：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMMOS电路的闩锁效应。

漏电和短路的可能失效原因：颗粒引发短路、介质击穿、PN微等离子击穿、Si-Al互熔。参数漂移的可能失效原因：封装内水汽凝结、介质的离子玷污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤。

在文献[1]中也介绍了一些环境应力对微电子器件的影响。

例如水汽对电子元器件的影响主要包括：电参数漂移；外引线腐蚀；金属化腐蚀；金属半导体接触退化等。

辐射对电子元器件的影响主要包括：参数漂移、软失效。

过电：PN结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁。

静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁。

热：键合失效、Al-Si互熔、PN结漏电

热电：金属电迁移、欧姆接触退化。

高温：芯片断裂、芯片粘接失效。

低温：芯片断裂。

3.3ZnO 压敏电阻失效原理

在文献[2-5]中介绍了ZnO 压敏电阻的导电机理和失效原因。

ZnO 压敏电阻由于具有优良的非线性伏安特性和冲击能量吸收能力，在高、中、低压电气工程领域均有广泛的应用，用以限制过电压对回路或系统的危害。ZnO 压敏电阻在电力系统中主要用作ZnO避雷器的关键器件，ZnO压敏电阻的电气性能决定了ZnO避雷器限制过电压的水平。其主要的导电机理如表3-1所示。

表3-1氧化锌电阻片导电机理的研究历程

年份研究者模型

1971Matsuoka 空间电荷限制电流（SCLC）

1975 Levinson&Phillip 晶粒界面层的遂穿过程

1975 Levine 肖特基势垒的遂穿过程

1976 Morris 肖特基势垒遂穿过程

1977 Emtage 有异质结的肖特基势垒遂穿过程