【汇总篇】各类电子元器件失效机理分析！
电子元件的主要故障模式包括但不限于开路、短路、烧毁、爆炸、漏电、功能故障、电参数漂移、不稳定故障等。对于硬件工程师来说，电子元件故障是一件非常麻烦的事情。例如，一个半导体设备的外观是完整的，但实际上是半故障或完全故障将花费大量的时间进行硬件电路调试，有时甚至爆炸。
硬件工程师调试爆炸现场
因此，硬件工程师掌握各种电子元件的有效机制和特点是必不可少的知识。以下是各种电子元件的故障模式和机制。
各种失效现象及其表现形式。
是物理、化学、热力学或其他导致失效的过程。
1) 开路：主要故障机制为电阻膜烧毁或大面积脱落、基体断裂、导线帽和电阻体脱落。
2) 阻值漂移超规范：电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良。
3) 导线断裂：电阻体焊接工艺缺陷、焊点污染、导线机械应力损伤。
4) 短路：银迁移，电晕放电。
(1)线绕电阻
| 失效模式 |
占失效总比例 |
| 开路 |
90% |
| 阻值漂移 |
2% |
| 引线断裂 |
7% |
| 其它 |
1% |
(2)非线绕电阻
| 失效模式 |
占失效总比例 |
| 开路 |
49% |
| 阻值漂移 |
22% |
| 引线断裂 |
17% |
| 其它 |
7% |
电阻器故障机制多种多样，工作条件或环境条件下的各种理化过程都是电阻器老化的原因。
薄膜电阻器的导电膜层一般采用蒸汽相积法获得，在一定程度上存在无定型结构。从热力学的角度来看，无定型结构有结晶的趋势。在工作条件或环境条件下，导电膜层中的无定型结构以一定的速度结晶，即导电材料的内部结构趋于致密，往往会导致电阻值的下降。随着温度的升高，结晶速度加快。
电阻线或电阻膜在制备过程中会承受机械应力，使其内部结构变形，线径越小或膜层越薄，应力影响越明显。内应力一般可以通过热处理消除，残余内应力可以在长期使用过程中逐渐消除，电阻值可能会发生变化。
结晶过程和内应力清除过程随着时间的推移而减慢，但在电阻使用过程中不可能终止。可以认为，这两个过程在电阻工作期间以近似恒定的速度进行。与它们相关的电阻变化约占原电阻的千分之几。
电负荷高温老化：在任何情况下，电负荷都会加速电阻老化过程，电负荷对加速电阻老化的影响比升高温度更明显，因为电阻与导线帽接触部分的温升超过了电阻的平均温升。温度通常每升高10次℃，寿命缩短一半。过载使电阻温升超过额定负荷时，温升为50℃，正常情况下，电阻器的寿命只有1/32。10年内电阻器的工作稳定性可通过不到4个月的加速寿命试验进行评估。
电解作用：电解作用导致电阻老化。电解发生在刻槽电阻器槽中，电阻基体中所含的碱金属离子在槽间电场中位移，产生离子电流。湿气存在时，电解过程更加剧烈。若电阻膜为碳膜或金属膜，则主要是电解氧化；若电阻膜为金属氧化膜，则主要是电解还原。对于高阻膜电阻器，电解的后果会增加电阻值，沿槽螺旋侧可能会损坏膜。在潮热环境下进行直流负荷试验，可全面评估电阻基材和膜层的抗氧化或抗还原性能，以及保护层的防潮性能。
一批现场仪器在化工厂使用一年后出现故障。经分析发现，仪器中使用的厚膜片的电阻值变大，甚至开路。将故障电阻放在显微镜下观察，发现电阻电极边缘有黑色晶体。进一步分析发现，黑色物质是硫化银晶体。原来的电阻被空气中的硫腐蚀了。
膜晶粒边界或导电颗粒和粘合剂部分，膜式电阻器的电阻膜总能吸附少量气体，形成晶粒之间的中间层，阻碍导电颗粒之间的接触，从而显著影响电阻值。
合成膜电阻器是在正常压力下制成的。当真空或低压工作时，吸收部分附着气体，改善导电颗粒之间的接触，降低电阻值。同样，当真空中制成的热分解碳膜电阻器直接在正常环境下工作时，部分气体会因气压升高而被吸附，从而增加电阻值。如果在正常压力下预置未刻半成品，将提高电阻成品的电阻稳定性。
温度和气压是影响气体吸附与解吸的主要环境因素。对于物理吸附，降温可增加平衡吸附量，升温则反之。由于气体吸附与解吸发生在电阻体的表面。所以对膜式电阻器的影响较为显着。阻值变化可达1%~2%。
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氧化是一个长期的因素（不同于吸附）。氧化过程从电阻体表面开始，逐渐深入内部。除贵金属和合金薄膜电阻外，其他材料的电阻体也会受到空气中氧气的影响。氧化的结果是电阻值增加。电阻膜层越薄，氧化效果就越明显。
防止氧化的基本措施是密封（金属、陶瓷、玻璃等无机材料）。有机材料（塑料、树脂等）的涂层或密封不能完全防止保护层湿透气。虽然它可以延缓氧化或吸收气体，但它也会带来一些与有机保护层相关的新的老化因素。
在有机保护层形成过程中，释放收缩挥发物或溶剂蒸汽。热处理过程将部分挥发物扩散到电阻体中，导致电阻值上升。这个过程可以持续1次~2年左右，但对阻值的影响很大~8个月后，为了保证成品的电阻稳定性，在出厂前将产品搁置在仓库一段时间比较合适。
电阻的可靠性在很大程度上取决于电阻器的机械性能。电阻体、导线帽和导线应具有足够的机械强度，导线帽损坏或导线断裂可导致电阻故障。
电解电容器寿命的最终判断通常是基于电容量下降到额定(初始值)的80%以下。由于早期铝电解电容器的电解液充满，工作早期铝电解电容器的电容量缓慢下降。工作电解液在负荷过程中不断修复杂质损伤的阳极氧化膜导致电解质逐渐减少。在使用后期，由于电解质挥发性降低，粘度增加的电解质难以完全接触腐蚀处理的粗铝箔表面的氧化膜，从而降低铝电解电容器极板的有效面积，即阳极和阴极铝箔的容量，导致电容量急剧下降。因此，可以认为铝电解电容器低是由电解液挥发引起的。电解质挥发的主要原因是高温环境或发热。
铝电解电容器在整流滤波器（包括开关电源输出的高频整流滤波器）中工作，电源炉电源旁路的纹波（或脉动）电流通过铝电解电容器，铝电解电容器ESR产生损失并转化为热使其发热。
当铝电解质电解质蒸发较多，溶液变稠时，由于粘度增加，电阻率增加，工作电解质等效串联电阻增加，导致电容器损耗显著增加，损耗角增加。例如，对于105度工作温度的电解电容器，当芯包最大温度高于125度时，电解液粘度急剧增加，电解液ESR增加近十倍。.等效串联电阻的增加会产生更大的热量，导致电解质的挥发。铝电解电容器容量急剧下降，甚至爆炸。
铝电解电容器经常因漏电流增加而失效。
过高的应用电压和过高的温度会导致漏电流的增加
为了防止铝电解电容器中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成铝电解电容器的爆炸。为了消除铝电解电容器的爆炸，直径8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力
释放装置，这些压力释放装置在铝电解电容器内的气压达到铝电解电容器爆炸的危险压力前释放气体。随着铝电解电容器压力释放装置的运行，铝电解电容器宣布失效。
铝电解电容器的漏电流就是电化学过程，前面已经详尽论述，不再赘述。电化学过程将产生气体，这些气体的聚积将造成铝电解电容器的内部气压上升，最终达到压力释放装置动作泄压。
铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高，如铝电解电容器附近有发热元件或整个电子装置就出在高温环境；
铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的根本原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在铝电解电容器的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体使铝电解电容器内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。
通常铝电解电容器的芯包核心温度每降低10℃， 其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心，是电容器内部最热的点。可是，当电容器升温接近其最大允许温度时，对于大多数型号电容器在125℃时，其电解液要受到电容器芯包的排挤（driven），导致电容器的ESR增大到原来的10倍。在这种作用下，瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大，从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警惕瞬时超温发生的可能，还要额外注意铝电解电容器的冷却。
上电冲击
上电过程中，由于滤波电感释放储能到滤波电容器中，导致滤波电容器的过瞬时过电压。
上电过电压示意
电容过电压失效的防范
电容器在过压状态下容易被击穿，而实际应用中的瞬时高电压是经常出现的。
选择承受瞬时过电压性能好的铝电解电容器，RIFA有的铝电解电容器就给出了瞬时过电压值得参数。
电解液自然挥发
电解液的消耗
电解液的挥发速度随温度的升高
电解液的挥发速度与电容器的密封质量有关，无论在高温还是在低温条件下都要有良好的密封性
漏电流所引起的电化学效应消耗电解液
铝电解电容器的寿命随漏电流增加而减少
漏电流随温度的升高而增加：25℃时漏电 流仅仅是85℃时漏电流的不到十分之一漏电流随施加电压升高而增加：耐压为400V的铝电解电容器在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。
根据铝电解电容器的电解液的不同，铝电解电容器的最高工作温度可分为：
一般用途：85℃
一般高温用途：105℃
特殊高温用途：125℃
汽车发动机舱：140~150℃
按寿命小时数铝电解电容器可以分为：
一般用途（常温，3年以内）：1000小时
一般用途（常温，希望比较长的时间）：2000小时以上
工业级：更长的寿命小时数
温度每升高10℃，寿命小时数减半
电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命
高温缩短铝电解电容器寿命
高纹波电流缩短铝电解电容器寿命
工作电压过高缩短铝电解电容器寿命
工作电压与漏电流的关系
工作电压与漏电流的关系
某公司生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与施加电压的关系
温度与漏电流的关系
某公司生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系
温度、电压、纹波电流共同作用对寿命的影响
以某电子镇流器用铝电解电容器为例。
在不同的电压与温度条件下的铝电解电容 器寿命不同
某电子镇流器用 铝电解电容器降额寿命特性
某电子镇流器用铝电解电容器的过电压寿命特性
铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系
电感量和其他性能的超差、开路、短路
1.磁芯在加工过程中产生的机械应力较大，未得到释放
2.磁芯内有杂质或空洞磁芯材料本身不均匀，影响磁芯的磁场状况，使磁芯的磁导率发生了偏差；
3.由于烧结后产生的烧结裂纹；
4.铜线与铜带浸焊连接时，线圈部分溅到锡液，融化了漆包线的绝缘层，造成短路；
5.铜线纤细，在与铜带连接时，造成假焊，开路失效
低频片感经回流焊后感量上升 《 20％
由于回流焊的温度超过了低频片感材料的居里温度，出现退磁现象。片感退磁后，片感材料的磁导率恢复到最大值，感量上升。一般要求的控制范围是片感耐焊接热后，感量上升幅度小于20%。
耐焊性可能造成的问题是有时小批量手工焊时，电路性能全部合格（此时片感未整体加热，感量上升小）。但大批量贴片时，发现有部分电路性能下降。这可能是由于过回流焊后，片感感量会上升，影响了线路的性能。在对片感感量精度要求较严格的地方（如信号接收发射电路），应加大对片感耐焊性的关注。
检测方法：先测量片感在常温时的感量值，再将片感浸入熔化的焊锡罐里10秒钟左右，取出。待片感彻底冷却后，测量片感新的感量值。感量增大的百分比既为该片感的耐焊性大小
当达到回流焊的温度时，金属银（Ag）会跟金属锡（Sn）反应形成共熔物，因此不能在片感的银端头上直接镀锡。而是在银端头上先镀镍（2ｕm 左右） ，形成隔绝层，然后再镀锡（4－8ｕm ）。
将待检测的片感的端头用酒精清洗干净，将片感在熔化的焊锡罐中浸入4秒钟左右，取出。如果片感端头的焊锡覆盖率达到90％以上，则可焊性合格。、
1）端头氧化：当片感受高温、潮湿、化学品、氧化性气体（SO2、NO2等）的影响， 或保存时间过长，造成片感端头上的金属Sn氧化成SnO2，片感端头变暗。由于SnO2不和Sn、 Ag、Cu等生成共熔物，导致片感可焊性下降。片感产品保质期：半年。如果片感端头被污染，比如油性物质，溶剂等，也会造成可焊性下降
2）镀镍层太薄，吃银：如果镀镍时，镍层太薄不能起隔离作用。回流焊时，片感端头上的Sn和自身的Ag首先反应，而影响了片感端头上的Sn和焊盘上的焊膏共熔，造成吃银现象，片感的可焊性下降。
判断方法：将片感浸入熔化的焊锡罐中几秒钟，取出。如发现端头出现坑洼情况，甚至出现瓷体外露，则可判断是出现吃银现象的。
如果片感在制作过程中产生了较大的内部应力，且未采取措施消除应力，在回流焊过程中，贴好的片感会因为内应力的影响产生立片，俗称立碑效应。
判断片感是否存在较大的内应力，可采取一个较简便的方法：
取几百只的片感，放入一般的烤箱或低温炉中，升温至230℃左右，保温，观察炉内情况。如听见噼噼叭叭的响声，甚至有片子跳起来的声音，说明产品有较大的内应力。
如果片感产品有弯曲变形，焊接时会有放大效应。
焊接不良、虚焊
焊接正常
焊盘设计不当
a.焊盘两端应对称设计，避免大小不一，否则两端的熔融时间和润湿力会不同
b.焊合的长度在0.3mm以上（即片感的金属端头和焊盘的重合长度）
c.焊盘余地的长度尽量小，一般不超过0.5mm。
d.焊盘的本身宽度不宜太宽，其合理宽度和MLCI宽度相比，不宜超过0.25mm
当贴片时，由于焊垫的不平或焊膏的滑动，造成片感偏移了θ角。由于焊垫熔融时产生的润湿力，可能形成以上三种情况，其中自行归正为主，但有时会出现拉的更斜，或者单点拉正的情况，片感被拉到一个焊盘上，甚至被拉起来，斜立或直立（立碑现象）。目前带θ角偏移视觉检测的贴片机可减少此类失效的发生
回流焊机的焊接温度曲线须根据焊料的要求设定，应该尽量保证片感两端的焊料同时熔融，以避免两端产生润湿力的时间不同，导致片感在焊接过程中出现移位。如出现焊接不良，可先确认一下，回流焊机温度是否出现异常，或者焊料有所变更。
电感在急冷、急热或局部加热的情况下易破损，因此焊接时应特别注意焊接温度的控制，同时尽可能缩短焊接接触时间
回流焊推荐温度曲线
手工焊推荐温度曲线
从线路板上取下片感测试，片感性能是否正常
如选取的片感，磁珠的额定电流较小，或电路中存在大的冲击电流会造成电流烧穿，片感或磁珠 失效，导致电路开路。从线路板上取下片感测试，片感失效，有时有烧坏的痕迹。如果出现电流烧穿，失效的产品数量会较多，同批次中失效产品一般达到百分级以上。
回流焊时急冷急热，使片感内部产生应力，导致有极少部分的内部存在开路隐患的片感的缺陷变大，造成片感开路。从线路板上取下片感测试，片感失效。如果出现焊接开路，失效的产品数量一般较少，同批次中失效产品一般小于千分级。
片感烧结不好或其它原因，造成瓷体强度不够，脆性大，在贴片时，或产品受外力冲击造成瓷体破损
如果片感端头银层的附着力差，回流焊时，片感急冷急热，热胀冷缩产生应力，以及瓷体受外力冲击，均有可能会造成片感端头和瓷体分离、脱落；或者焊盘太大，回流焊时，焊膏熔融和端头反应时产生的润湿力大于端头附着力，造成端头破坏。
片感过烧或生烧，或者制造过程中，内部产生微裂纹。回流焊时急冷急热，使片感内部产生应力，出现晶裂，或微裂纹扩大，造成瓷体破损。
半导体器件失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式(失效模式)，分析造成器件失效的物理和化学过程(失效机理)，寻找器件失效原因，制订纠正和改进措施。加强半导体器件的失效分析，提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。
半导体器件与使用有关的失效十分突出，占全部失效器件的绝大部分。进口器件与国产器件相比，器件固有缺陷引起器件失效的比例明显较低，说明进口器件工艺控制得较好，固有可靠性水平较高。
与使用有关的失效原因主要有：
过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、使用线路设计不当、机械过应力、操作失误等。
过电应力引起的烧毁失效占使用中失效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、安装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线及电源系统产生的电浪涌、烙铁漏电、仪器或测试台接地不当产生的感应电浪涌等。按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结触发CMOS电路闩锁后引起电源电流增大而造成的烧毁失效。
严格来说，器件静电损伤也属于过电应力损伤，但是由于静电型过电应力的特殊性以及静电敏感器件的广泛使用，该问题日渐突出。静电型过电应力的特点是：电压较高(几百伏至几万伏)，能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程中，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。
器件选型不当也是经常发现的使用问题引起失效的原因之一，主要是设计人员对器件参数、性能了解不全面、考虑不周，选用的器件在某些方面不能满足所设计的电路要求。
操作失误也是器件经常出现的失效原因之一，例如器件的极性接反引起的烧毁失效等。
与器件固有缺陷有关的失效原因主要有：表面问题、金属化问题、压焊丝键合问题、芯片键合问题、封装问题、体内缺陷等。在这几种原因中，对器件可靠性影响较大的是表面问题、键合问题和粘片问题引起的失效，它们均带有批次性，且经常重复出现。
从可靠性方面考虑，对器件影响最大的是二氧化硅层内的可动正离子电荷，它会使器件的击穿电压下降，漏电流增大，并且随着加电时间的增加使器件性能逐渐劣化。有这种缺陷的器件用常规的筛选方法不能剔除，对可靠性危害很大。此外，芯片表面二氧化硅层中的针孔对器件可靠性的影响也较大。有这种缺陷的器件，针孔刚开始时往往还有一层极薄的氧化层，器件性能还是正常的，还可顺利通过老炼、筛选等试验，但长期使用后由于TDDB效应和电浪涌的冲击，针孔就会穿通短路，引起器件失效。
引起器件失效的常见的金属化问题是台阶断铝、铝腐蚀、金属膜划伤等。对于一次集成电路，台阶断铝、铝腐蚀较为常见：对于二次集成电路来说，内部金属膜电阻在清洗、擦拭时被划伤而引起开路失效也是常见的失效模式之一。
常见的压焊丝键合问题引起的失效有以下几类。
①压焊丝端头或压焊点沾污腐蚀造成压焊点脱落或腐蚀开路。
②外压焊点下的金层附着不牢或发生金铝合金，造成压焊点脱落。
③压焊点过压焊，使压焊丝颈部断开造成开路失效。
④压焊丝弧度不够，与芯片表面夹角太小，容易与硅片棱或与键合丝下的金属化铝线相碰，造成器件失效。
最常见的是芯片粘结的焊料太少、焊料氧化、烧结温度过低等引起的开路现象。芯片键合不好，焊料氧化发黑，导致芯片在"磁成形"时受到机械应力作用后从底座抬起分离，造成开路失效。
封装问题引起的失效有以下几类。①封装不好，管壳漏气，使水汽或腐蚀性物质进入管壳内部，引起压焊丝和金属化腐蚀。②管壳存在缺陷，使管腿开路、短路失效。
③内涂料龟裂、折断键合铝丝，造成器件开路或瞬时开路失效。这种失效现象往往发生在器件进行高、低温试验时。
半导体器件体内存在缺陷也可引起器件的结特性变差而失效，但这种失效形式并不多见，而经常出现的是体内缺陷引起器件二次击穿耐量和闩锁阈值电压降低而造成烧毁。