电子元器件典型失效模式与机理全解析

在现代电子设备中，元器件的可靠性直接影响着整个系统的稳定运行。本文将深入探讨各类电子元器件的典型失效模式及其背后的机理，为电子设备的设计、制造和应用提供参考。

典型元件一：机电元件

机电元件包括电连接器、继电器等，它们共同特点是包含机械和电子两部分，因此对工作环境尤为敏感。

电连接器

由壳体、绝缘体和接触体三大部分组成，其失效主要表现为接触失效、绝缘失效和机械联接失效。其中接触失效最为常见，具体表现为接触对瞬断和接触电阻增大。

• 接触失效：主要表现为接触电阻增大或瞬断。电流通过时产生的焦耳热使接触点温度升高，可能导致金属软化或熔化，进一步增大接触电阻，形成恶性循环。
• 高温蠕变：持续高温下接触件发生蠕变，接触压力下降，当低于临界值时引发接触不良。
• 振动与冲击：外部振动可引起共振，导致接触压力瞬时消失，长期作用可致材料疲劳或断裂。
  

继电器方面

，电磁继电器通过线圈通电产生磁力驱动衔铁，使触点闭合或断开。

• 常见失效包括触点动作不良、电参数超差等。
• 制造过程中的应力释放不充分、残留物清理不彻底或筛选不严，均可导致潜在缺陷。
• 冲击环境下金属触点易发生塑性变形，造成功能失效。
  
  

典型元件二：半导体微波元件

微波半导体器件广泛应用于雷达、电子战系统和微波通信设备中。这类器件不仅要求封装提供电连接和机械化学保护，还需要考虑管壳寄生参数对微波传输特性的影响。

微波半导体器件的主要环境相关失效模式包括栅金属下沉和电阻性能退化。

• 栅金属下沉：指金栅极金属在高温下扩散进入GaAs基材中的现象。在完美晶格结构中，正常温度下扩散极其缓慢，但当晶粒边界较大或表面存在缺陷时，扩散速率会显著增加，影响器件性能。
• 电阻性能退化：电阻在微波单片集成电路中广泛用于反馈电路、偏置点设置和功率合成。常见的电阻结构有金属薄膜电阻和轻掺杂GaAs薄层电阻。实验表明，潮湿环境是引起NiCr电阻性能退化的主要因素。
  
  

典型元件三：混合集成电路

混合集成电路包括厚膜混合集成电路、薄膜混合集成电路以及采用多层布线结构的多芯片组件。这类电路的环境应力失效主要表现为基片开裂导致的电开路失效，以及各接口间的焊接失效。

1. 基片开裂

诱因包括机械冲击、热冲击、基片翘曲、材料热失配或内部缺陷，当应力超过基片强度时发生开裂。

2. 焊接失效

温度循环作用下，焊料层因热膨胀系数不匹配发生剪切变形，经多次循环后形成疲劳裂纹，最终导致焊接失效。

典型元件四：分立器件与集成电路

半导体分立器件包括二极管、双极型晶体管、MOS场效应管等多种类型。虽然各类器件功能不同，但基于相似的半导体工艺，其失效物理机制有一定共性。

1. 热致击穿（二次击穿）

功率元器件的主要失效机理之一。它分为正向偏置和反向偏置两种类型，前者与器件自身热性能相关，后者与载流子雪崩倍增有关，两者均伴随着器件内部的电流集中。

2. 动态雪崩

另一种常见失效，指在动态关断过程中，器件内部发生的由电流控制的碰撞电离现象。这种问题在双极型器件、二极管和IGBT中都可能出现。

3. 芯片焊接失效

主要源于芯片与焊料的热膨胀系数不匹配导致的热失配问题。同时，焊接空洞会增大热阻，形成局部热点，升高结温，引发电迁移等温度相关失效。

4.内引线键合失效

主要表现为键合点腐蚀，在湿热盐雾环境中，水汽和氯元素会引起铝材料腐蚀。温度循环或振动还会导致铝键合引线疲劳断裂。集成电路的失效与环境条件密切相关。潮湿环境中的水汽、静电或电浪涌损伤、过高工作温度以及辐射环境都会导致器件失效。

5. 界面与金属化问题

• 高温下SiO₂与铝互连线发生反应，导致铝层变薄。
• 金-铝键合形成金属间化合物，引入应力并降低导电性。
• 塑封器件中水汽渗透可引起“爆米花”效应，导致封装分层或破裂。
  

典型元件五：阻容元件

电阻器按照电阻体材料可分为合金型、薄膜型、厚膜型和合成型。固定电阻器主要失效模式是开路和电参数漂移，电位器还有噪声增大的问题。

1. 电阻器失效

• 氧化是主要老化机制，高温高湿加速阻值增大。
• 有机合成电阻黏结剂老化导致机械性能下降。
• 直流负荷下刻槽电阻可能发生电解反应，潮湿环境加剧该过程。
  

2. 电容器失效

• 短路：由极间飞弧或机械冲击引起。
• 开路：湿热环境导致电极氧化或引出箔腐蚀。
• 电参数退化：潮湿引起容量变化、损耗角增大或绝缘电阻下降。

典型元件六：板级电路

印制电路板提供电子元器件的承载载体和电气机械连接，其失效模式多样：焊接不良与焊盘表面处理质量相关；开路往往出现在导线或金属化孔上；短路常因导体间绝缘间距减小或电化学迁移造成；分层起泡与板材压合工艺相关；板弯板翘则源于基材质量与加工工艺。冲击和振动环境容易导致焊点疲劳，产生微裂纹，加速电路板失效。

典型元件七：电真空器件

电真空器件如行波管、磁控管、速调管等利用真空中的电子效应工作。这类器件对温度变化极为敏感，温度突变会导致磁控管振荡频率发生偏移，影响设备性能。

结论

电子元器件的可靠性受到多种环境因素的影响，其中热环境及冲击、振动环境最为关键，容易导致焊点失效和结构失效。同时，湿热、盐雾等自然环境也会引发腐蚀失效，降低元器件寿命。