元器件失效原因深度剖析：设计缺陷与极限应力影响

　　在电子设备的运行过程中，元器件的失效是一个常见且关键的问题。元器件设计、材料、结构、工艺缺陷引起的失效是元器件常见失效类型之一。这种失效主要由元器件自身的缺陷决定，而应用环境和工作中施加的条件则是失效的外因。无论应用环境和工作条件是否出现异常，这类失效都有可能发生。
　　此类失效通常在产品使用的初期就会出现，并且在整个产品寿命周期内都会陆续发生，贯穿于产品的整个寿命过程，会导致早期失效率和随机失效率异常增大。而且，从元器件规范指标的常规检测中很难发现这类问题，通常需要通过某种应力（如电压、温度、湿度）的激发，才会出现某种指标的异常。
　　元器件的规范指标中，有一部分属于极限应力，极限应力主要分为两种：“极限应力” 和 “寿命相关极限应力”。对于 “极限应力”，当外部应力超过元器件的极限应力时，元器件会立刻改变其性质。例如，二极管、三极管的击穿电压，半导体结温、铝电解电容器温度等都属于 “极限应力” 指标。当外部反向电压高于二极管、三极管的反向耐压时，管子会发生击穿，成为 “0 电阻” 通道，若外部提供足够的能量，管子会立即烧毁；对于双极晶体管，CE 之间击穿后还会出现 “负电阻” 的情况，这显然更容易导致管子烧毁；当硅半导体器件结温达到 375°C 时，半导体进入本征导电，失去 PN 功能。
　　而对于 “寿命相关极限应力”，当外部应力超过元器件的极限应力时，元器件不会立刻失效，但工作的安全性无法保证，或者使用寿命会被缩短。像电阻器的功率、二、三极管的电流、三极管的安全工作区等指标都属于 “寿命相关极限应力”。在产品寿命评价、极限应力能力评价时，通常会对这方面的指标进行过应力（加严应力）工作，以在短时间内完成寿命加速评价，或者通过过应力试验，评价不同厂家产品的差别。
　　以下通过几个实际来进一步说明元器件失效的情况。
　　如图所示的集成电路在使用中发生失效，无电源电流，集成电路的功能丧失。经分析，可见芯片上的电源端口的金属化铝熔融，熔融的金属化铝喷射，整个金属化铝条已经完全脱离芯片。这是因为金属化铝条流过很大的电流，在金属化铝上产生欧姆热，热量在极短时间内达到铝熔融的温度，而与金属化铝接触的芯片仍处于温度较低的状态，巨大的温差导致了喷射现象。在集成电路中，极短时间内金属化铝条上产生极大电流密度，显然是该端口引入了具有相当能量的浪涌电压，如雷电对电源的影响，或与其它更高电压的电源短路。本表明，在实际应用中，仅仅靠选取更大应力极限的产品来控制元器件的失效是不全面的。毕竟元器件的极限耐受能力是有限的，应充分了解电路中所可能遇到的极端外部应力情况，必要时设计（或加强）相应的保护电路。

　　某通讯系统故障，经分析诊断，定位到如图所示的集成电路失效。经分析发现，该集成电路 Pin102 端口过电击穿，端口连接的金属化铝条过流，图中白色圈内有源区击穿，红色圈内也有异常。另外，在该机站同位置上使用的、后来又发生失效的另外 1 只集成电路也在 Pin102 端口过电击穿，且具有相同的电异常表现和异常物理表现，说明该集成电路 Pin102 所连接的线路上存在异常的电压（通常为浪涌电压）。该说明，在元器件极限应力未退化至失效之前，外部的强应力（过大应力）常常导致样品失效，在这种情况下，必须依靠元器件外部的有效保护来控制这类失效。元器件本身（通常指集成电路和组件）具有一定的保护功能，但由于元器件的体积，尤其是价格的限制，这种保护功能是有限的，不可能应付比较强的外部异常应力，因此，要求电路设计者充分掌握整机可能遇到的极端情况，在元器件外部加强必要的过应力保护装置，如采用瞬变二极管、压电陶瓷电阻等浪涌电压释放（吸收）电路。

　　元器件随着使用时间的推移，其极限应力会发生退化，整流二极管的反向耐压（击穿电压）就是一个典型的例子。整流二极管通常采用台面结构，台面结的保护结构决定了整流二极管的反向耐压的稳定性。整流二极管工作过程中的反向电压会使其台面保护退化，当外部应力超出台面保护的承受范围时，就会发生击穿失效，尤其是整流输入的交流电源经常出现异常的脉冲电压，因此，退化的台面保护结构更容易发生击穿失效。从图中可见，失效的二极管击穿部位发生在台面结处，这是电压击穿的明显特征，符合台面保护结构退化机理的失效特征。从本可见，一方面，元器件的极限应力水平在退化，另一方面，外部应力存在异常波动。因此，在设计上应充分考虑外部应力的异常情况，在选用元器件时，应考虑元器件极限应力的一致性，以防极限应力分布异常带来的 “时段性” 失效；另外，应评价元器件极限应力的退化，优选稳定的产品。

　　元器件的 “寿命相关极限应力”（如工作电流、功率等）是一种极限应力，但这种应力没有明显的应力失效点，而往往与产品寿命相关。使用应力在产品的应力范围内，则产品的寿命指标是有效的，超出产品的应力指标，则使用寿命将明显缩短。在民用产品中，由于造价的问题，临界的使用、甚至超额使用是常有的事，严重的时候，在整机工艺过程中就已经有失效的表现，有的则在产品使用一段时间后才陆续出现失效，这与应力超额程度以及不同应力之间的相互影响有关。某公司生产的电磁炉在某时间段生产的电磁炉维修率异常波动，失效率是以往产品的 2 - 3 倍，而失效率增大的原因均为 IGBT（双极型场效应管 —— 电磁炉的功率管）引起的失效。经分析发现，失效的 IGBT 芯片上的失效表现非常一致，均呈现过电流、过功率、或过功率的失效特征。经过强电流、功率、和高温应力的模拟试验，可重现失效的 IGBT 芯片的失效特征。可见，强电流模拟试验的结果与使用失效的失效特征一致，说明本次使用的 IGBT 的失效属于过电流失效。大失效率时段和以前使用的 IGBT 均为 PHLIP 公司的产品，但高失效时段的 IGBT 是新型号产品，是原来型号的升级产品。对比升级前后的 IGBT 的产品规范，发现失效时段使用的 IGBT 的功能指标不仅没有下降，反而，失效时段的 IGBT 的功率指标从原来的 175W 提高到 330W。从参数指标来说，新型号产品在相同的电路上使用，其可靠性应该更高，但实际使用新型号的失效率显著增大。通过新、老型号产品的解剖分析可见，老型号的 IGBT 中，反向释放二极管是独立芯片，而新型号 IGBT 释放二极管将释放二极管集成到一个芯片中，但新型号的 IGBT 的芯片面积并没有增大，与老型号的 IGBT 的芯片面积一样。所以，新型号的 IGBT 更容易出现过电流烧毁的问题。在实际改进中，或采用更大电流能力的 IGBT，或适当降低电磁炉的功率，即降低电磁炉的电流。本可见，在选用新型号元器件的时候，不仅要关注产品的指标规范，还要关注两方面的问题：，新型号元器件那些指标参数有改变，这些改变的参数对整机产品的潜在影响；第二，还要关注产品内部结构是否也发生改变。通常情况下，新型号或同型号的产品在设计、内部结构、材料、以及工艺发生改变，其产品的规范上不提供相应改变的内容。但一旦内部结构发生改变，可能引起某些参数的实质性下降，但没有超出原来产品规范的规定。因此，对于新型号产品要分析其内部的变化，以及这些变化对产品性能可能产生的影响，尤其是对诸如电流、功率之类的 “寿命相关极限应力” 指标的影响，因为此类指标不是应力超过指标就烧毁，而是应力越强，产品寿命越短。如果产品在使用中已经临界甚至超指标使用，一旦新型号产品内部结构改变对这些指标有负面影响，显然，产品的失效率将显著增大。