电子元器件为什么会失效

电子元器件失效是指其在规定工作条件下，丧失预期功能或性能参数超出允许范围的现象。

失效可能发生于生命周期中的任一阶段，不仅影响设备正常运行，还可能引发系统级故障。导致失效的因素复杂多样，可系统性地归纳为内部因素与外部因素两大类。

内部原因

内部失效通常源于元器件在材料、结构或工艺层面的固有缺陷，或在长期工作过程中因内部物理化学变化导致的性能衰退。主要包括以下几类：

1.材料老化与退化

材料在长期应力或环境作用下发生性能衰减，如介质材料绝缘性能下降、半导体材料载流子迁移率变化、弹性元件塑性变形等，导致元器件参数漂移或功能丧失。

2.结构损伤与机械失效

包括引线断裂、键合点脱落、衬底裂纹、封装开裂等，常由热机械应力、振动或冲击引起，尤其在热膨胀系数不匹配的区域更易发生。

3.金属疲劳与电迁移

在交变负载或高电流密度作用下，金属互连可能出现疲劳断裂；电迁移则导致导体材料原子定向移动，形成孔洞或小丘，造成开路或短路。

4.寿命限制性失效

如电解电容器电解质干涸、OLED发光材料衰减、继电器触点磨损等，属于在使用中逐渐发生的耗损型失效，与工作时间和应力水平密切相关。

5.热失效机制

高温可加速材料老化、引发硅腐蚀、焊点熔融或再结晶、引起热逃逸（如MOSFET二次击穿）等，严重影响元器件的长期可靠性。

6.工艺缺陷

制造过程中存在的瑕疵，如氧化层针孔、掩模误对准、焊接虚接、内部污染、封装气密性不良等，可能在初期或应力条件下表现为失效。

7.污染与化学腐蚀

杂质离子（如Na⁺、K⁺）、湿气、有机物残留等污染物可引起漏电、枝晶生长、接触面腐蚀或离子迁移，导致性能退化或短路。

8.功能材料性能衰退

如电解电容器介电质氧化膜退化、软磁材料磁导率下降、荧光粉光效降低等，属于材料功能性衰减带来的失效。

9.介质与磁芯失效

包括介质层击穿、磁芯饱和或碎裂、压电材料极化失效等，影响储能、传输或传感类元件的性能。

10.界面与接触失效

如欧姆接触退化、焊点IMC（金属间化合物）过度生长、粘结界面剥离等，导致连接电阻增大或开路。

外部原因

外部失效多由使用环境、电气应力或人为因素引起，往往具有突发性和偶然性，但仍可通过合理防护与控制予以缓解，：

1.过电应力（EOS）与静电放电（ESD）

包括雷击、开关浪涌、负载突变等引起的过电压/过电流事件，以及人体或设备带电导致的静电放电，造成绝缘击穿或元件过热损坏。

2.环境腐蚀与气氛影响

高温高湿、盐雾、硫化氢、二氧化硫等恶劣气氛会腐蚀外引脚、焊盘及封装体，尤其对微间距组件和无防护封装威胁更大。

3.机械应力影响

振动、冲击、离心力等机械作用可能导致结构松动、断裂、连接脱落或参数偏移，特别是在车载、航空航天及工业振动环境中。

4.电磁干扰（EMI）

强电磁场可引起信号失真、误触发、 latch-up（闩锁效应）或热损毁，对高频和低功耗元件影响尤为显著。

5.负载与电源异常

包括负载短路、开路、反接，以及电源电压波动、纹波过大、瞬时掉电等，都可能使元器件超出安全工作区（SOA）而损坏。

6.热环境失控

散热不良、环境温度过高或温变过快导致元器件温度超过额定限值，引发性能衰退或热击穿。

7.辐射效应

空间环境中的电离辐射、中子辐射等可引起材料性能改变、参数漂移或软错误，对航天电子设备可靠性构成挑战。

8.人为误操作与安装缺陷

如电路设计错误、防反接或过压保护缺失、焊接温度过高、机械安装过紧等，均可能直接或间接引发失效。

电子元器件失效是由内部材料、结构与工艺因素，以及外部电气、环境与人为操作因素共同作用的结果。实际应用中，多应力耦合（如热—机械应力、电—热应力）常常加剧失效风险。因此，应从设计选型、制造工艺、测试筛选、电路保护、环境控制及操作培训等多环节实施系统化的可靠性工程措施，才能显著提升电子设备的整体寿命与功能稳定性。