5_元器件(半导体)的可靠性及选择

可靠性设计——

V.电子元器件的可靠性
高嵩

本章内容
1. 元器件的失效特征 2. 元器件的失效机理 3. 元器件的失效分析技术 4. 元器件的选择和应用
2015/9/19

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1.元器件的失效特征

概念
元器件包括半导体分立元器件、集成电路元器件、电阻器、电容器、石英晶体振荡器、连接器、开关、电缆、光导纤维和继电器等。失效特征，主要指元器件的失效规律，失效形式等。

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元器件的失效规律
浴盆曲线（Bathtub curve ）
人们在长期的生产实践中发现新制造出来的电子元器件，在刚投入使用的时候，一般失效率较高，叫做早期失效。经过早期失效后，电子元器件便进入了正常的使用期阶段，一般来说，在这一阶段中，电子元器件的失效率会大大降低。过了正常使用阶段，电子元器件便进入耗损老化期阶段，意味着寿终正寝。这个规律，恰似一条浴盆曲线，人们称它为电子元器件的效能曲线。
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元器件的失效规律

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元器件的失效规律
早期失效期
特征——多发生在元器件制造和计算机及其应用系统或电子设备刚安装运行的几个月内，一般为几百小时。失效原因：
设计不当元器件本身的缺陷安装工艺不可靠环境条件恶化

克服的办法：元器件筛选、严控质量和安装工艺、老化后再使用。
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元器件的失效规律
稳定工作期（正常寿命期、正常使用期）
特征——元器件突然性失效较少，而暂时性故障较多。故障率可降低到一个较低的水平，且基本处于稳定状态，可以近似故障率为常数。持续时间较长。失效原因：应力引起

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元器件的失效规律
衰老期（耗损期）
特征——失效率大大增加，可靠性急剧下降，接近报废。失效原因：元器件的物理变化、老化和机械磨损、疲劳磨损等。克服办法：应用系统到了这个时期，应大修，更换一批失效的元器件。常采用定期维修、更换等手段进行预防降低系统故障率。

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元器件的失效形式
分类：
突然失效退化失效局部失效全局失效

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元器件的失效形式
突然失效
也称为“灾难性失效”。这是元器件参数急剧变化或因元器件制造工艺不良，环境条件变化而导致短路或开路所造成的。如器件因焊接不牢造成开路，或因灰尘微粒使器件管脚短路，电容器因电解质击穿造成短路等。

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元器件的失效形式
退化失效
也称为“衰变失效”。这是因元器件制造公差，温度系数变化、材料变质、电源电压

波动、工艺不良、电应力变化、随机影响和老化过程引起的，使元器件参数逐渐变化，性能变差。

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元器件的失效形式
局部失效
退化失效使系统性能变化，使局部功能失效，称之为局部失效。如数码寄存器因机器温度过高，使某一位触发器性能变差，导致该数码寄存器局部失效。

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元器件的失效形式
全局失效
一个突然失效会使整个系统失效，这种失效称为全局失效。如时序控制电路的晶体振荡器两端的电容突然短路，使该晶振损坏，造成整个微机无法工作，即整体失效。

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2.元器件的失效机理
元器件的失效直接受温度、湿度、电压、机械、电磁场等因素的影响。

环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
1）温度变化对半导体器件的影响
半导体器件与温度有直接关系。尤其是双极型半导体器件，组成这类元器件的基本单元P-N结，对温度变化很敏感。当P-N结反偏时，由少数载流子形成的反向漏电流受温度变化影响，其关系为

ICO ? ICOR [e

0.069(T ?TR )

]

由上式看出，温度每升高10℃，ICO将增加一倍。

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环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
1）温度变化对半导体器件的影响
这种变化将导致如下结果：晶体管放大器的工作点产生漂移。这是形成运放零点漂移的主要原因。电流放大系数 β 发生变化，造成放大器增益不稳定。导致晶体管的特性曲线发生变化，使其所允许的动态范围发生变化。

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环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
1）温度变化对半导体器件的影响
温度与允许功耗有如下关系： T jm ? T Pcm ? RT Pcm为最大允许功耗；Tjm为最高允许结温；T为使用环境温度；RT为热阻。

温度的升高将使晶体管的最大允许功耗下降。

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环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
1）温度变化对半导体器件的影响
环境温度升高将直接引起元器件温度升高，从而引起最高工作电压下降。温度过高，将使元器件的P-N结被击穿而损坏。由于 P-N 结的正向压降受温度的影响较大，所以双极型半导体器件 TTL 、 HTL 等 IC 的电压传输特性和抗干扰度也与温度密切相关。

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环境因素对元器件可靠性的影响
1. 温度影响
2）温度变化对电阻的影响
温度变化对电阻的影响主要是温度升高时，电阻内热噪声加剧，阻值偏离标称值，允许耗散功率下降等。如RXT系列的碳膜电阻在温度升高到100℃ 时，允许的耗散功率仅为标称值的20%。

3）温度变化对电容的影响
温度变化对

电容的影响主要是引起电容介质损耗变化，从而影响其寿命。温度每升高 10℃ 时，电容器的寿命就降低一半，同时还引起电路阻容时间常数等参数的变化，甚至发生因介质损耗过大而热击穿的情况。
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环境因素对元器件可靠性的影响
2. 湿度影响
湿度过高，当含有酸性的尘埃落到线路板或配电盘上时，将迅速腐蚀元器件焊点与接线处，造成焊点脱落，接头断开，引起接触性故障。湿度过高，也是引起漏电耦合的主要原因。当具有导电性的尘埃落到线路板上时，将使线路板表面的绝缘性能变化，若电压由漏电耦合到低压器件，将造成电压击穿故障。湿度过高，还会使密封较差的元器件受到腐蚀而退化。湿度过低，如相对湿度低于40%时，空气被认为是干燥的。当相对湿度低于20%时，极易产生静电，人不敢接触机器，一碰机器就会引起电子元器件击穿，特别是 MOS器件击穿损坏，或造成机器误动作。

总之，系统运行环境应严格控制湿度。
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环境因素对元器件可靠性的影响
3. 电压影响
施加到元器件上的电压稳定性是保证元器件正常运行的重要条件。过高的电压会增加元器件的热损耗，甚至造成电压击穿。例如，对电容器来说，其失效率正比于电容电压的5次幂。

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环境因素对元器件可靠性的影响
4. 振动、冲击影响
机械振动与冲击会使一些内部有缺陷的元器件加速失效，造成灾难性故障。机械振动会使焊点、压线点发生松动，导致接触不良；若振动导致接线产生不应有的碰连，会引起更严重的后果，造成短路事故。振动会使元器件移位，变形及相互碰撞，引起分布参数变化。机械振动、冲击还会引起紧固件脱落或松动，甚至撞击其他零部件，造成零件损坏。

因此应避免振动、冲击的发生，当无法避免较大的振动冲击源时，应采取防振、减振措施。
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环境因素对元器件可靠性的影响
5. 电磁场影响
电磁场会瞬间造成很大的电压脉冲，或出现 “火花”，会对系统的感性或容性负载产生严重影响，会影响到整个电路上的电压。此外，人身上也会积累电荷，发生静电放电。电磁场的高频瞬态电压、浪涌电压、谐波畸变和大电流冲击会产生很强的噪声干扰，会使计算机信息出错，还会使元器件损坏。

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环境因素对元器件可靠性的影响
6. 腐蚀
腐蚀，有空气腐蚀或氧化、电解液腐蚀等种类。大气中含有各种酸盐及化工、冶炼等工业生产中排出的有害气体，如SO2、H2S、CO2、CO和臭氧等。这些腐蚀性气体会使计算

机及其应用系统或电子设备金属化表面氧化腐蚀，使接插件接触情况恶化，使半导体元器件管脚和电子线路引起腐蚀，还会使半导体稳定性受到破坏。电解液对金属有着很强的腐蚀和氧化作用，会造成接头与插座之间，元器件与插座或焊接孔之间电阻加大，电流减小，引起间歇故障，严重时会造成断路。
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元器件的失效机理
半导体元器件的失效机理
半导体缺陷引起的失效 SiO2层中正电荷引起的失效 SiO2 层缺陷（如针孔、划伤、钻蚀、断裂等）引起的失效二次击穿引起的失效金属化系统（电极）引起的失效，占半导体失效的首位贴片或焊片失效，如掉片、热阻增大，使性能退化封装失效、气密性差等
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