失效電子元器件分析方法

張光強

（中電集團第十研究所，四川 成都 610036）

1 電子元器件失效

一件電子成品的失效是指產品喪失規定的功能指標，不能滿足規范要求，其中90%以上是可以通過更換元器件修復的，而元器件的失效往往是不可修復的。因此，要控制成品設備的可靠性，就需要對元器件的失效規律進行研究分析，控制好元器件的失效率就能提高產品的可靠性。影響一個元器件失效的因素多種多樣，不同的元器件在同一應力環境失效的模式和機理都有可能不同，同一種元器件在不同的應力環境的失效狀態也會不同。因此，我們在分析元器件失效時要統計出元器件的材料、質量等級、靜電等級、失效模式、失效機理以及應力階段、加電時長等。

2 名詞解釋

（1）失效：產品喪失規定功能指標不能滿足規范要求。

（2）失效模式：失效的外在直觀表現形式和過程規律，主要包括漏電、短路、開路、參數漂移及功能失效。

（3）失效機理：電子元器件本身化學、物理變化，這種變化一般是機械、腐蝕、過電引起。

（4）失效原因：引起器件失效的外在因素，電子元器件在材料、制造、設計、使用中引起的直接失效原因。

（5）失效分析：是找到產品的失效模式，根據失效模式找出產品失效機理以及失效原因，制定對策防止產品再次失效的活動。

3 失效分析步驟

造成元器件失效的因素很多，必須收集器件失效的多方面要素加以比對分析才能找到失效根因，主要分析過程按圖1執行。

圖1 元器件失效分析過程

3.1 統計失效元器件的關鍵要素

損壞元器件的關鍵要素主要有器件類別、質量等級、靜電等級、失效模式、失效機理、失效階段等。

3.1.1 電子元器件主要類別

元器件可以按照功能、預定用途、封裝等因素進行分類。國內軍用電子元器件一般按國產軍用電子元器件產品手冊系統分30大類，GJB/Z 299C《電子設備可靠性預計手冊》分21大類。如表1所示。

表1 國產軍用電子元器件分類

3.1.2 器件質量等級分類

3.1.2.1 國產電子元器件的生產控制質量等級分類

國產電子元器件的生產控制質量等級可以分為普軍品、（七專）8406、七專（7905）（七專）84061A、國軍標等五種。對于國產電子元器件，各類分為A、B、C三個質量層次，每個層次再用阿拉伯下標數字進一步劃分。如表2所示。

表2 國軍標（GJB）元器件生產控制質量等級

3.1.2.2 美軍標元器件質量保證等級分類

進口美軍元器件的質量等級劃分如表3所示。

表3 美軍標元器件質量

3.1.3 器件來源分類

器件來源分為國產器件（納入軍用電子元器件合格產品目錄（QPL）的器件）和進口器件，都在軍用電子元器件合格制造廠目錄（QML）內的元器件。

3.1.4 靜電敏感等級分類

根據GJB 548B-2005 規定的靜電放電敏感元器件/組件和設備的分級如表4所示。

表4 靜電敏感器件分級

3.1.5 應力階段分類以及應力類型

器件應力失效階段大致分為存儲、運輸、裝配、產品調試、應力實驗、交付用戶使用等（見圖2），一般軍用元器件應力類型如表5所示。

圖2 器件應力失效階段

表5 應力類型與器件失效模式或機理的關系

3.1.6 失效模式和失效機理分類

3.1.6.1 元器件主要的失效模式

元器件主要的失效模式包括漏電、短路、開路、參數漂移及功能失效等。常見的有管腳腐蝕折斷、燒毀、芯片表面內涂樹脂裂縫、管殼漏氣、芯片黏接不良、鍵合點不牢、芯片表面鋁腐蝕、鋁膜傷痕、漏電流大、光刻/氧化層缺陷、電壓漂移等。

3.1.6.2 元器件主要的失效機理

典型的失效機理包括靜電放電（ESD）、過電應力（EOS）、工藝缺陷及封裝缺陷等。按照引起的原因可將失效機理分為6種：

（1）設計問題：電路、圖紙、結構等方面的設計缺陷。

（2）器件內劣化：指CMOS 閉鎖效應、二次擊穿、材料缺陷引起的結構性能退化、瞬間功率過載等。

（3）表面劣化：指表面擊穿、溝道漏電、輻射損傷等。

（4）金屬劣化：指鋁電遷移、鋁腐蝕、鋁缺口、鋁化傷、過電應力燒毀等。

（5）封裝劣化：指管腳腐蝕、殼內引起漏電或短路等。

（6）使用問題：指電浪涌損傷、靜電損傷、機械應力損傷、溫度應力破壞、干擾信號故障、焊劑腐蝕管腿等。

3.2 統計及分析

對表6統計的要素數據進行分析（見圖1），研究產品失效機理，找出失效原因，發現元器件生產單位和使用單位在管理上、技術上存在的問題，從而采取有效的改進措施，及時有效預防器件的再次失效，提高電子元器件的使用可靠性和固有可靠性，進而提高整機可靠性，以較小的質量成本獲取較高的經濟效益，避免產品出現重復性問題，最終達到控制質量成本的目的。

表6 失效器件統計要素表

3.3 措施及對策

對總結分析結果制定對策要素（見表7）

表7 統計分析對策表

4 結束語

總之，元器件失效是不可避免的，但失效的原因是可以預防的。只要有有效防護設施，并且人員培訓、管理到位，器件失效數量就可以大幅減少，電子裝備的可靠性就可以提高。元器件的失效分析工作是一項長期的系統工程，任何環節的失誤或疏漏，都有可能導致元器件的失效分析工作的失敗，只有從根本上了解元器件的失效模式，找到失效原因，并且采取準確有效的改進措施，才能降低元器件失效數量，達到降低生產成本的目的。