第九章元器件(半导体)可靠性及选择

可靠性设计——V.电子元器件的可靠性2023/2/3可靠性设计2本章内容元器件的失效特征元器件的失效机理元器件的失效分析技术元器件的选择和应用1.元器件的失效特征2023/2/3可靠性设计4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。2023/2/3可靠性设计5元器件的失效规律浴盆曲线（Bathtubcurve

）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。2023/2/3可靠性设计6元器件的失效规律2023/2/3可靠性设计7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。2023/2/3可靠性设计8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2023/2/3可靠性设计9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。2023/2/3可靠性设计10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2023/2/3可靠性设计11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。2023/2/3可靠性设计12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。2023/2/3可靠性设计13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。2023/2/3可靠性设计14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。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。2023/2/3可靠性设计16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，其关系为由上式看出，温度每升高10℃，ICO将增加一倍。2023/2/3可靠性设计17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。2023/2/3可靠性设计18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：

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。2023/2/3可靠性设计19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。2023/2/3可靠性设计20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。2023/2/3可靠性设计21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。2023/2/3可靠性设计22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。2023/2/3可靠性设计23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。2023/2/3可靠性设计24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。2023/2/3可靠性设计25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。2023/2/3可靠性设计26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2023/2/3可靠性设计27元器件的失效机理阻容元器件的失效机理电介质击穿发生化学或电解腐蚀离子迁移纸介质的脱水作用有机膜、云母、玻璃等介质发生电晕电解质如钽、电解铝出现蒸发界面极性2023/2/3可靠性设计28元器件的失效机理阻容元器件的失效机理纸、有机膜、云母、玻璃等介质出现污染纸介质加水分解云母等介质发生热劣化云母、有机膜的残余应力松弛云母、玻璃陶瓷出现伸缩云母、玻璃介质热疲劳云母介质发生电弧纸、玻璃、陶瓷、钽等介质出现电介质泄露2023/2/3可靠性设计29元器件的失效机理金属件的失效机理疲劳（占36.3%）脆断（占12.6%）腐蚀（占12%）应力腐蚀（占3.8%）磨损（占6%）韧性断裂（占7.9%）其他（占21.4%）3.元器件的失效分析技术2023/2/3可靠性设计31①失效分析的概念失效分析的目的绝不仅是评价系统及其组成单元的可靠性水平，更重要的是提高系统的可靠性水平。因此，必须对系统及其组成单元和元器件进行失效分析，所形成的失效分析技术构成了系统可靠性技术的一项重要内容。要保证和提高系统和设备的可靠性，必须选择高可靠性的元器件。要提高元器件的可靠性，必须了解其失效的本质、失效的模式及故障机理，以便采取有效的措施。系统和设备可靠性设计需要提供元器件及材料的失效率、失效模式和故障模式及其严重性的信息。2023/2/3可靠性设计32①失效分析的概念对于电子元器件的可靠性设计来说，最能暴露问题的方法还是进行各种试验。在这些最接近实际使用条件的试验中，许多隐患和薄弱环节都会显示出来，参加试验的组件、部件，子系统，甚至整个系统都可能会不同程度地丧失其应有的功能，即失效。失效分析就是分析寻找引起元器件失效的原因，并提出补救和纠正措施。20世纪60年代出现的以研究故障机理为核心的失效物理学科成了其研究的重要内容。2023/2/3可靠性设计33①失效分析的概念失效物理是研究元器件及其材料故障机理的一门综合学科。故障机理是指引起元器件及其材料发生故障的物理和化学过程及原因。从微观角度研究故障机理，从失效过程的描述中建立物理模型。以故障机理研究为核心，通过建立物理模型，将微观本质与宏观性能相结合，并应用于可靠性工程。总之，研究元器件的故障机理及其物理模型，不断地从失效分析中汲取营养，又反过来从理论上充实和指导失效分析技术。2023/2/3可靠性设计34①失效分析的概念应力和时间是诱发失效的重要外部因素。由外因诱发失效的物理和化学过程叫失效机理。失效的状态类型称为失效模式。失效分析，既要分析产生故障的原因，提出改进的方法和措施，又要弄清失效模式和故障机理，从本质上预防失效和故障的再发生。2023/2/3可靠性设计35②失效分析的意义、思路对于可靠性工程的意义为合理选择元器件提供依据为设计提供正确的理论依据和设计思想为改进工艺指明方向指导各种可靠性试验条件和可靠性分析方法在处理可靠性工程问题时，为决策提供科学依据为可靠性设计提供宝贵的信息资料2023/2/3可靠性设计36②失效分析的意义、思路失效分析的思路失效分析是通过对失效的元器件进行测试分析，找出引起失效的原因，是从事件的结果推导事件发生的原因的过程。进行失效分析最主要的依据就是失效或故障的元器件。失效分析除了具备一定的专业知识外，还要有正确的思路、科学的方法和必要的条件。2023/2/3可靠性设计37②失效分析的意义、思路进行失效分析时应注意的几个方面要有整体观念。从时空上建立整体观念，切忌片面、孤立地研究和处理问题。要全面地看问题，切忌主观片面。充分调研，抓住本质，不断地完善和修正分析的思想。要重视客观分析，不要片面追求微观分析。既重视宏观分析，也重视微观分析。粗细结合，分段进行。保护好失效的元器件，做好分析。2023/2/3可靠性设计38③失效分析的一般过程为便于掌握，失效分析的一般过程是：接受任务调查研究背景材料失效过程及失效状况资料调查观察及检测先无损，后有损由表及里，先宏观后微观2023/2/3可靠性设计39③失效分析的一般过程失效分析的一般顺序失效情况调查→外观检查→电测试→非破坏性检查→检漏→必要时，模拟进行试验分析→解剖→电参数测试→镜检及扫描分析→探针测试→失效机理分析→填写失效分析报告2023/2/3可靠性设计40④失效分析技术及仪器设备功能测试仪性能测试仪材料结构分析仪器形貌观察分析仪器无损探伤仪器化学成分分析仪器常用的失效分析仪器设备如逻辑分析仪，短路故障分析仪，存储器测试仪等如电、热、磁性能测试仪，力学性能测试仪等如X光射线衍射仪，低能、高能电子衍射仪等如透视、扫描电子显微镜，金相显微镜等如X光透视仪，超声探伤仪等如一般化学分析仪，微区分析仪，表面分析仪等4.元器件的选用与控制2023/2/3可靠性设计42电子元器件的选用元器件的选用，需要元器件工程师、可靠性工程师和设备或系统设计工程师来共同完成，这是一个多学科的任务。必须制订、评审、执行元器件控制大纲和要求。元器件的选用过程包括元器件的设计鉴定、可靠性审查、结构及其失效分析和经济效益权衡等。2023/2/3可靠性设计43电子元器件的选用准则元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足装备的要求。优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不允许选用淘汰和禁用的元器件。应最大限度地压缩元器件的品种规格和生产厂家。未经设计定型的元器件不能在可靠性要求高的军工产品中正式使用。优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产商的质量认定。在性价比相等时，应优先选用国产元器件。2023/2/3可靠性设计44电子元器件的应用应用时重点考虑的问题及确保可靠性采取的措施工作应力过高——降额使用热失效——热设计抗辐射问题——抗辐射加固防静电损伤——各环节注意防护操作过程的损伤问题——严格贯彻电装工艺规定储存和保管问题——控制条件，加强管理2023/2/3可靠性设计45电子元器件控制为了确保电子元器件使用的可靠性，必须对电子设备研制、生产及使用各阶段中元器件的选择、采购、监制、验收、筛选、保管、使用、失效分析和信息管理等，实行有效的全过程质量与可靠性管理。2023/2/3可靠性设计46电子元器件控制元器件选择设备应制定电子元器件优选目录作为数据选用、质量可靠性管理和采购的依据。设备应严格按照元器件优选目录选用元器件，超目录选用应严格审批。根据设备研制阶段的需要，应对元器件优选目录实施动态管理。2023/2/3可靠性设计47电子元器件控制元器件采购首先由采购单位编制采购文件，采购文件应按规定的程序履行审批手续。然后根据采购文件签订购货合同。不应向无质量保证的中间商采购进口元器件，应选择设在本土的名牌公司作为供应商，或委托国外有信誉或军用元器件采购机构采购。2023/2/3可靠性设计48电子元器件控制元器件监制凡在订货合同中规定了监制要求的元器件，应对订购元器件供应单位进行监制。监制应按规定的技术标准和管理要求执行，监制中，如有问题应及时上报主管部门。监制后，监制人员应填写监制报告，并报上级主管部门。2023/2/3可靠性设计49电子元器件控制元器件验收凡在订货合同中规定的下厂验收元器件，应按订购元器件批次组织有验收资格的人员按合同规定到供应单位进行验收。验收应按规定的技术标准和管理要求执行。进口元器件到货后，应按规定的技术标准进行检验及复验。该工作由指定的元器件可靠性检测或失效分析机构、元器件质量控制部门进行，并按批次和品种进行破坏性物理分析（DPA）以评价其工艺可靠性。对选用无检验手段的进口元器件，必须报总设计师后方可用于军工产品或重点工程产品。2023/2/3可靠性设计50电子元器件控制元器件筛选元器件筛选应由元器件供应单位按元器件技术标准和订货合同要求，进行出厂前的筛选（一次筛选）。元器件验收合格后，根据需要由订货单位或使用单位委托元器件