干货｜各类电子元器件失落效机理分析

硬件工程师调试爆炸现场

以是节制各种电子元器件的实效机理与特性是硬件工程师比不可少的知识。
下面分类细叙一下各种电子元器件的失落效模式与机理。

电阻器失落效模式与机理

失落效模式：各种失落效的征象及其表现的形式。

失落效机理：是导致失落效的物理、化学、热力学或其他过程。

1、电阻器的紧张失落效模式与失落效机理为

1) 开路：紧张失落效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落，基体断裂，引线帽与电阻体脱落。

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) 引线断裂：电阻体焊接工艺毛病，焊点污染，引线机器应力损伤。

4) 短路：银的迁移，电晕放电。

2、失落效模式占失落效总比例表

(1) 线绕电阻

失落效模式

占失落效总比例

开路

90%

阻值漂移

2%

引线断裂

7%

其它

1%

(2) 非线绕电阻

失落效模式

占失落效总比例

开路

49%

阻值漂移

22%

引线断裂

17%

其它

7%

3、失落效机理剖析

电阻器失落效机理是多方面的，事情条件或环境条件下所发生的各种理化过程是引起电阻器老化的缘故原由。

(1) 导电材料的构造变革

薄膜电阻器的导电膜层一样平常用汽相淀积方法得到，在一定程度上存在无定型构造。
按热力学不雅观点，无定型构造均有结晶化趋势。
在事情条件或环境条件下，导电膜层中的无定型构造均以一定的速率趋向结晶化，也即导电材料内部构造趋于致密化，能常会引起电阻值的低落。
结晶化速率随温度升高而加快。

电阻线或电阻膜在制备过程中都会承受机器应力，使其内部构造发生畸变，线径愈小或膜层愈薄，应力影响愈显著。
一样平常可采取热处理方法肃清内应力，残余内应力则可能在永劫光利用过程中逐步肃清，电阻器的阻值则可能因此发生变革。

结晶化过程和内应力打消过程均随韶光推移而减缓，但不可能在电阻器利用期间终止。
可以认为在电阻器事情期内这两个过程以近似恒定的速率进行。
与它们有关的阻值变革约占原阻值的千分之几。

电负荷高温老化：任何情形，电负荷均会加速电阻器老化进程，并且电负荷对加速电阻器老化的浸染比升高温度的加速老化后果更显著，缘故原由是电阻体与引线帽打仗部分的温升超过了电阻体的均匀温升。
常日温度每升高10℃，寿命缩短一半。
如果过负荷使电阻器温升超过额定负荷时温升50℃，则电阻器的寿命仅为正常情形下寿命的1/32。
可通过不到四个月的加速寿命试验，即可考察电阻器在10年期间的事情稳定性。

直流负荷—电解浸染：直流负荷浸染下，电解浸染导致电阻器老化。
电解发生在刻槽电阻器槽内，电阻基体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，电解过程更为剧烈。
如果电阻膜是碳膜或金属膜，则紧张是电解氧化;如果电阻膜是金属氧化膜，则紧张是电解还原。
对付高阻薄膜电阻器，电解浸染的后果可使阻值增大，沿槽螺旋的一侧可能涌现薄膜毁坏征象。
在潮热心况下进行直流负荷试验，可全面考察电阻器基体材料与膜层的抗氧化或抗还原性能，以及保护层的防潮性能。

(2) 硫化

有一批现场仪表在某化工厂利用一年后，仪表纷纭涌现故障。
经剖析创造仪表中利用的厚膜贴片电阻阻值变大了，乃至变成开路了。
把失落效的电阻放到显微镜下不雅观察，可以创造电阻电极边缘涌现了玄色结晶物质，进一步剖析身分创造，玄色物质是硫化银晶体。
原来电阻被来自空气中的硫给堕落了。

(3) 气体吸附与解吸

膜式电阻器的电阻膜在晶粒边界上，或导电颗粒和黏结剂部分，总可能吸附非常少量的气体，它们构成了晶粒之间的中间层，阻碍了导电颗粒之间的打仗，从而明显影响阻值。

合成膜电阻器是在常压下制成，在真空或低气压事情时，将解吸部分附气体，改进了导电颗粒之间的打仗，使阻值低落。
同样，在真空中制成的热分解碳膜电阻器直接在正常环境条件下事情时，将因气压升高而吸附部分气体，使阻值增大。
如果将未刻的半成品预置在常压下适当韶光，则会提高电阻器成品的阻值稳定性。

温度和气压是影响气体吸附与解吸的紧张环境成分。
对付物理吸附，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。
以是对膜式电阻器的影响较为显著。
阻值变革可达1%~2%。

(4) 氧化

氧化是长期起浸染的成分(与吸附不同)，氧化过程是由电阻体表面开始，逐步向内部深入。
除了贵金属与合金薄膜电阻外，其他材料的电阻体均会受到空气中氧的影响。
氧化的结果是阻值增大。
电阻膜层愈薄，氧化影响就更明显。

防止氧化的根本方法是密封(金属、陶瓷、玻璃等无机材料)。
采取有机材料(塑料、树脂等)涂覆或灌封，不能完备防止保护层透湿或透气，虽能起到延缓氧化或吸附气体的浸染，但也会带来与有机保护层有关的些新的老化成分。

(5) 有机保护层的影响

有机保护层形成过程中，放出缩聚浸染的挥发物或溶剂蒸气。
热处理过程使部分挥发物扩散到电阻体中，引起阻值上升。
此过程虽可持续1~2年，但显著影响阻值的韶光约为2~8个月，为了担保成品的阻值稳定性，把产品在库房中搁置一段韶光再出厂是比较适宜的。

(6) 机器损伤

电阻的可靠很大程度上取决于电阻器的机器性能。
电阻体、引线帽和引出线等均应具有足够的机器强度，基体毛病、引线帽破坏或引线断裂均可导致电阻器失落效。

电解电容失落效

失落效模式

1、耗尽失落效

耗尽失落效(1)

常日电解电容器寿命的终了评判依据是电容量低落到额定(初始值)的80%以下。
由于早期铝电解电容器的电解液丰裕，铝电解电容器的电容量在事情早期缓慢低落。
随着负荷过程中事情电解液不断修补倍杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。
到利用后期，由于电解液挥发而减少，粘稠度增大的电解液就难于充分打仗经堕落处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层，这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，即阳极、阴极铝箔容量减少，引起电容量急剧低落。
因此，可以认为铝电解电容器的容量降落是由于电解液挥发造成。
而造成电解液的挥发的最紧张的缘故原由便是高温环境或发热。

耗尽失落效(2)

由于运用条件使铝电解电容器发热的缘故原由是铝电解电容器在事情在整流滤波(包括开关电源输出的高频整流滤波)、功率电炉的电源旁路时的纹波(或称脉动)电流流过铝电解电容器，在铝电解电容器的ESR产生损耗并转变成热使其发热。

当铝电解电容器电解液蒸发较多、溶液变稠时，电阻率因粘稠度增大而上升，使事情电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显上升，损耗角增大。
例如对付105度事情温度的电解电容器，其最大芯包温度高于125度时，电解液粘稠度骤增，电解液的ESR增加近十倍。
.增大的等效串联电阻会产生更大热量，造成电解液的更大挥发。
如此循环往来来往，铝电解电容器容量急剧低落，乃至会造成爆炸。

耗尽失落效(3)

泄电流增加每每导致铝电解电容器失落效。

运用电压过高和温度过高都会引起泄电流的增加

2、压力开释装置动作

压力开释装置动作

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。
为了肃清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开释装置，这些压力开释装置在铝电解电容器内部的气压达到尚未使铝电解电容器爆炸的危险压力前动作，泄放出气体。
随着铝电解电容器的压力开释装置的动作，铝电解电容器即发布失落效。

铝电解电容器压力开释装置(中间的十字)

电化学过程导致压力开释装置动作

铝电解电容器的泄电流便是电化学过程，前面已经详尽论述，不再赘述。
电化学过程将产生气体，这些气体的堆积将造成铝电解电容器的内部气压上升，终极达到压力开释装置动作泄压。

温度过高导致压力开释装置动作

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全体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缘故原由是芯包温度过高。
铝电解电容器芯包温度过高的根本缘故原由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开释装置动作。

3、瞬时超温

常日铝电解电容器的芯包核心温度每降落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央，是电容器内部最热的点。
可是，当电容器升温靠近其最大许可温度时，对付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。
在这种浸染下，瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大，从而造成电容器失落效。
在高温和大纹波电流的运用中特殊要当心瞬时超温发生的可能，还要额外把稳铝电解电容器的冷却。

4、瞬时过电压的产生

上电冲击

上电过程中，由于滤波电感开释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

电容过电压失落效的戒备

电容器在过压状态下随意马虎被击穿，而实际运用中的瞬时高电压是常常涌现的。

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。

5、电解液干涸是铝电解电容器失落效的最紧张缘故原由

电解液干涸的缘故原由

电解液自然挥发

电解液的花费

电解液自然挥发

电解液的挥发速率随温度的升高

电解液的挥发速率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

电解液的花费

泄电流所引起的电化学效应花费电解液

铝电解电容器的寿命随泄电流增加而减少

泄电流随温度的升高而增加：25℃时泄电流仅仅是85℃时泄电流的不到十分之一泄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泄电流大约是90%额定电压下的泄电流的5倍。

6、电解液干涸的韶光便是铝电解电容器的寿命

影响铝电解电容器寿命的的成分(温度1)

根据铝电解电容器的电解液的不同，铝电解电容器的最高事情温度可分为：

一样平常用场：85℃

一样平常高温用场：105℃

分外高温用场：125℃

汽车发动机舱：140~150℃

影响铝电解电容器寿命的的成分(额定寿命小时数)

按寿命小时数铝电解电容器可以分为：

一样平常用场(常温，3年以内)：1000小时

一样平常用场(常温，希望比较长的韶光)：2000小时以上

工业级：更长的寿命小时数

影响铝电解电容器寿命的的成分(温度2)

温度每升高10℃，寿命小时数减半

影响铝电解电容器寿命的的成分(电解液)

电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命

影响铝电解电容器寿命的的成分(运用条件)

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

事情电压过高缩短铝电解电容器寿命

7、影响铝电解电容器寿命的参数与运用条件

事情电压与泄电流的关系

某公司生产的450V/4700F/85℃铝电解电容器的泄电流与施加电压的关系

温度与泄电流的关系

某公司生产的450V/4700F/85℃铝电解电容器的泄电流与环境温度的关系

温度、电压、纹波电流共同浸染对寿命的影响

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

电感失落效剖析

电感器失落效模式：电感量和其他性能的超差、开路、短路

模压绕线片式电感失落效机理：

1.磁芯在加工过程中产生的机器应力较大，未得到开释

2.磁芯内有杂质或空洞磁芯材料本身不屈均，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，开路失落效

1、耐焊性

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，涌现退磁征象。
片感退磁后，片感材料的磁导率规复到最大值，感量上升。
一样平常哀求的掌握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，创造有部分电路性能低落。
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。
在对片感感量精度哀求较严格的地方(如旗子暗记吸收发射电路)，应加大对片感耐焊性的关注。

检测方法：先丈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秒钟旁边，取出。
待片感彻底冷却后，丈量片感新的感量值。
感量增大的百分比既为该片感的耐焊性大小

2、可焊性

电镀简介

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 旁边) ，形成隔绝层，然后再镀锡(4-8um )。

可焊性检测

将待检测的片感的端头用酒精洗濯干净，将片感在熔化的焊锡罐中浸入4秒钟旁边，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。

可焊性不良

1)端头氧化：当片感想熏染高温、湿润、化学品、氧化性气体(SO2、NO2等)的影响， 或保存韶光过长，造成片感端头上的金属Sn氧化成SnO2，片感端头变暗。
由于SnO2反面Sn、 Ag、Cu等天生共熔物，导致片感可焊性低落。
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，也会造成可焊性低落

2)镀镍层太薄，吃银：如果镀镍时，镍层太薄不能起隔离浸染。
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，造成吃银征象，片感的可焊性低落。

判断方法：将片感浸入熔化的焊锡罐中几秒钟，取出。
如创造端头涌现坑洼情形，乃至涌现瓷体外露，则可判断是涌现吃银征象的。

3、焊接不良

内应力

如果片感在制作过程中产生了较大的内部应力，且未采纳方法肃清应力，在回流焊过程中，贴好的片感会由于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，可采纳一个较简便的方法：

取几百只的片感，放入一样平常的烤箱或低温炉中，升温至230℃旁边，保温，不雅观察炉黑幕况。
如听见噼噼叭叭的响声，乃至有电影跳起来的声音，解释产品有较大的内应力。

元件变形

如果片感产品有波折变形，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，否则两端的熔融韶光和润湿力会不同

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.焊盘余地的长度只管即便小，一样平常不超过0.5mm。

d.焊盘的本身宽度不宜太宽，其合理宽度和MLCI宽度比较，不宜超过0.25mm

贴片不良

当贴片时，由于焊垫的不平或焊膏的滑动，造成片感偏移了角。
由于焊垫熔融时产生的润湿力，可能形成以上三种情形，个中自行归正为主，但有时会涌现拉的更斜，或者单点拉正的情形，片感被拉到一个焊盘上，乃至被拉起来，斜立或直立(立碑征象)。
目前带角偏移视觉检测的贴片机可减少此类失落效的发生

焊接温度

回流焊机的焊接温度曲线须根据焊料的哀求设定，该当只管即便担保片感两端的焊料同时熔融，以避免两端产生润湿力的韶光不同，导致片感在焊接过程中涌现移位。
如涌现焊接不良，可先确认一下，回流焊机温度是否涌现非常，或者焊料有所变更。

电感在急冷、急热或局部加热的情形下易破损，因此焊接时应特殊把稳焊接温度的掌握，同时尽可能缩短焊接打仗韶光

回流焊推举温度曲线

手工焊推举温度曲线

4、上机开路

虚焊、焊接打仗不良

从线路板上取下片感测试，片感性能是否正常

电流烧穿

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 失落效，导致电路开路。
从线路板上取下片感测试，片感失落效，有时有烧坏的痕迹。
如果涌现电流烧穿，失落效的产品数量会较多，同批次中失落效产品一样平常达到百分级以上。

焊接开路

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毛病变大，造成片感开路。
从线路板上取下片感测试，片感失落效。
如果涌现焊接开路，失落效的产品数量一样平常较少，同批次中失落效产品一样平常小于千分级。

5、磁体破损

磁体强度

片感烧结不好或其它缘故原由，造成瓷体强度不足，脆性大，在贴片时，或产品受外力冲击造成瓷体破损

附着力

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，造成端头毁坏。

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，涌现晶裂，或微裂纹扩大，造成瓷体破损。

半导体器件失落效剖析

半导体器件失落效剖析便是通过对失落效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失落效的形式(失落效模式)，剖析造成器件失落效的物理和化学过程(失落效机理)，探求器件失落效缘故原由，订定纠正和改进方法。
加强半导体器件的失落效剖析，提高它的固有可靠性和利用可靠性，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主要的浸染。

半导体器件与利用有关的失落效十分突出，占全部失落效器件的绝大部分。
入口器件与国产器件比较，器件固有缺陷引起器件失落效的比例明显较低，解释入口器件工艺掌握得较好，固有可靠性水平较高。

1、与利用有关的失落效

与利用有关的失落效缘故原由紧张有：

过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、利用线路设计不当、机器过应力、操作失落误等。

①过电应力损伤。
过电应力引起的烧毁失落效占利用中失落效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、安装、调试、运行等各个阶段，其详细缘故原由多种多样，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、烙铁泄电、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泄电、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、金属化烧毁失落效，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落效。

②静电损伤。
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分外性以及静电敏感器件的广泛利用，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，但持续韶光极短。
与一样平常的过电应力比较，静电型损伤常常发生在器件运输、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落效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失落效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失落效模式。

③器件选型不当。
器件选型不当也是常常创造的利用问题引起失落效的缘故原由之一，紧张是设计职员对器件参数、性能理解不全面、考虑不周，选用的器件在某些方面不能知足所设计的电路哀求。

④操作失落误。
操作失落误也是器件常常涌现的失落效缘故原由之一，例如器件的极性接反引起的烧毁失落效等。

2、器件固有缺陷引起的失落效

与器件固有缺陷有关的失落效缘故原由紧张有：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、体内毛病等。
在这几种缘故原由中，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落效，它们均带有批次性，且常常重复涌现。

(1) 表面问题

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低落，泄电流增大，并且随着加电韶光的增加使器件性能逐渐劣化。
有这种毛病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。
有这种毛病的器件，针孔刚开始时每每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，但长期利用后由于TDDB效应和电浪涌的冲击，针孔就会穿通短路，引起器件失落效。

(2) 金属化问题

引起器件失落效的常见的金属化问题是台阶断铝、铝堕落、金属膜划伤等。
对付一次集成电路，台阶断铝、铝堕落较为常见：对付二次集成电路来说，内部金属膜电阻在洗濯、擦拭时被划伤而引起开路失落效也是常见的失落效模式之一。

(3) 压焊丝键合问题

常见的压焊丝键合问题引起的失落效有以下几类。

①压焊丝端头或压焊点沾污堕落造成压焊点脱落或堕落开路。

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落效。

④压焊丝弧度不足，与芯片表面夹角太小，随意马虎与硅片棱或与键合丝下的金属化铝线相碰，造成器件失落效。

(4) 芯片键合问题

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征象。
芯片键合不好，焊料氧化发黑，导致芯片在\"大众磁成形\"大众时受到机器应力浸染后从底座抬起分离，造成开路失落效。

(5) 封装问题

封装问题引起的失落效有以下几类。

①封装不好，管壳漏气，使水汽或堕落性物质进入管壳内部，引起压焊丝和金属化堕落。

②管壳存在毛病，使管腿开路、短路失落效。

③内涂料龟裂、折断键合铝丝，造成器件开路或瞬时开路失落效。
这种失落效征象每每发生在器件进行高、低温试验时。

(6) 体内毛病

半导体器件体内存在毛病也可引起器件的结特性变差而失落效，但这种失落效形式并不多见，而常常涌现的是体内毛病引起器件二次击穿耐量和闩锁阈值电压降落而造成烧毁。

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