失效电子元器件分析方法

张光强

（中电集团第十研究所，四川 成都 610036）

1 电子元器件失效

一件电子成品的失效是指产品丧失规定的功能指标，不能满足规范要求，其中90%以上是可以通过更换元器件修复的，而元器件的失效往往是不可修复的。因此，要控制成品设备的可靠性，就需要对元器件的失效规律进行研究分析，控制好元器件的失效率就能提高产品的可靠性。影响一个元器件失效的因素多种多样，不同的元器件在同一应力环境失效的模式和机理都有可能不同，同一种元器件在不同的应力环境的失效状态也会不同。因此，我们在分析元器件失效时要统计出元器件的材料、质量等级、静电等级、失效模式、失效机理以及应力阶段、加电时长等。

2 名词解释

（1）失效：产品丧失规定功能指标不能满足规范要求。

（2）失效模式：失效的外在直观表现形式和过程规律，主要包括漏电、短路、开路、参数漂移及功能失效。

（3）失效机理：电子元器件本身化学、物理变化，这种变化一般是机械、腐蚀、过电引起。

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

（5）失效分析：是找到产品的失效模式，根据失效模式找出产品失效机理以及失效原因，制定对策防止产品再次失效的活动。

3 失效分析步骤

造成元器件失效的因素很多，必须收集器件失效的多方面要素加以比对分析才能找到失效根因，主要分析过程按图1执行。

图1 元器件失效分析过程

3.1 统计失效元器件的关键要素

损坏元器件的关键要素主要有器件类别、质量等级、静电等级、失效模式、失效机理、失效阶段等。

3.1.1 电子元器件主要类别

元器件可以按照功能、预定用途、封装等因素进行分类。国内军用电子元器件一般按国产军用电子元器件产品手册系统分30大类，GJB/Z 299C《电子设备可靠性预计手册》分21大类。如表1所示。

表1 国产军用电子元器件分类

3.1.2 器件质量等级分类

3.1.2.1 国产电子元器件的生产控制质量等级分类

国产电子元器件的生产控制质量等级可以分为普军品、（七专）8406、七专（7905）（七专）84061A、国军标等五种。对于国产电子元器件，各类分为A、B、C三个质量层次，每个层次再用阿拉伯下标数字进一步划分。如表2所示。

表2 国军标（GJB）元器件生产控制质量等级

3.1.2.2 美军标元器件质量保证等级分类

进口美军元器件的质量等级划分如表3所示。

表3 美军标元器件质量

3.1.3 器件来源分类

器件来源分为国产器件（纳入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的器件）和进口器件，都在军用电子元器件合格制造厂目录（QML）内的元器件。

3.1.4 静电敏感等级分类

根据GJB 548B-2005 规定的静电放电敏感元器件/组件和设备的分级如表4所示。

表4 静电敏感器件分级

3.1.5 应力阶段分类以及应力类型

器件应力失效阶段大致分为存储、运输、装配、产品调试、应力实验、交付用户使用等（见图2），一般军用元器件应力类型如表5所示。

图2 器件应力失效阶段

表5 应力类型与器件失效模式或机理的关系

3.1.6 失效模式和失效机理分类

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电、短路、开路、参数漂移及功能失效等。常见的有管脚腐蚀折断、烧毁、芯片表面内涂树脂裂缝、管壳漏气、芯片黏接不良、键合点不牢、芯片表面铝腐蚀、铝膜伤痕、漏电流大、光刻/氧化层缺陷、电压漂移等。

3.1.6.2 元器件主要的失效机理

典型的失效机理包括静电放电（ESD）、过电应力（EOS）、工艺缺陷及封装缺陷等。按照引起的原因可将失效机理分为6种：

（1）设计问题：电路、图纸、结构等方面的设计缺陷。

（2）器件内劣化：指CMOS 闭锁效应、二次击穿、材料缺陷引起的结构性能退化、瞬间功率过载等。

（3）表面劣化：指表面击穿、沟道漏电、辐射损伤等。

（4）金属劣化：指铝电迁移、铝腐蚀、铝缺口、铝化伤、过电应力烧毁等。

（5）封装劣化：指管脚腐蚀、壳内引起漏电或短路等。

（6）使用问题：指电浪涌损伤、静电损伤、机械应力损伤、温度应力破坏、干扰信号故障、焊剂腐蚀管腿等。

3.2 统计及分析

对表6统计的要素数据进行分析（见图1），研究产品失效机理，找出失效原因，发现元器件生产单位和使用单位在管理上、技术上存在的问题，从而采取有效的改进措施，及时有效预防器件的再次失效，提高电子元器件的使用可靠性和固有可靠性，进而提高整机可靠性，以较小的质量成本获取较高的经济效益，避免产品出现重复性问题，最终达到控制质量成本的目的。

表6 失效器件统计要素表

3.3 措施及对策

对总结分析结果制定对策要素（见表7）

表7 统计分析对策表

4 结束语

总之，元器件失效是不可避免的，但失效的原因是可以预防的。只要有有效防护设施，并且人员培训、管理到位，器件失效数量就可以大幅减少，电子装备的可靠性就可以提高。元器件的失效分析工作是一项长期的系统工程，任何环节的失误或疏漏，都有可能导致元器件的失效分析工作的失败，只有从根本上了解元器件的失效模式，找到失效原因，并且采取准确有效的改进措施，才能降低元器件失效数量，达到降低生产成本的目的。