电子元件失效

失效。错误的输入极性导致芯片严重过热并烧毁塑料外壳。]]
电子元件存在多种失效模式，可根据时间或原因等不同方式分类。失效的原因包括过高温度、过大电流或电压、游離輻射、机械冲击、应力或撞击等多种因素。在半导体器件中，封装问题可能导致失效，例如污染、机械应力或开路、短路等。

电子元件的失效通常发生在其生命周期的早期或晚期，形成著名的“浴缸曲線”失效率分布。为检测早期失效，通常采用“燒機筛选”程序。在半导体器件中，在正常运行中通常无关紧要，但在失效过程中可能起关键作用，既可能成为失效源，也可能提供一定保护。

在航天系统、生命支持系统、电信、铁路信号系统和计算机等高可靠性应用中，大量电子元件被使用。对失效的统计特性进行分析，有助于制定设计方案，以满足特定的可靠性要求。例如，在高空飞行器中，电阻的功率负载能力可能需要大幅降额，以确保足够的使用寿命。

某些失效可能引发连锁反应。例如，突发性开路故障如果发生过快，并且电路中包含电感，会产生高达500伏的電壓突波，从而引发多重次生失效。此外，芯片金属化层断裂可能导致二次过压损坏。熱失控则可能导致熔化、起火或爆炸等突发性失效。

封装失效
电子元件的大部分失效与电子封装相关。封装作为电子元件与外部环境之间的屏障，易受环境因素影响。不同材料的热膨胀系数不匹配，可能导致机械应力积累，引发材料疲勞。湿气及腐蚀性化学物质可能损坏封装材料和引线，导致电气失效。超过规定的环境温度范围可能导致键合线过应力，使其断裂，半导体芯片破裂，甚至封装开裂。封装可能因机械冲击或震动而出现裂纹。

在封装过程中，键合线可能会被切断、短路，或接触芯片晶圆，通常发生在边缘位置。由于机械过载或热冲击，晶圆可能出现裂纹；加工过程中引入的缺陷，例如划片，可能会发展成断裂。引线框架可能含有过多材料或毛刺，从而导致短路。碱金属和卤素等离子污染物可能从封装材料迁移至半导体晶圆，造成腐蚀或参数退化。玻璃-金属密封常因针脚与玻璃界面处形成径向裂纹而失效，这些裂纹向外扩展；其他失效原因包括界面氧化层薄弱以及玻璃对针脚包覆不良。封装的分层与热膨胀可能会导致芯片晶圆相对于封装材料移动，从而使键合线变形，甚至发生短路或断裂。理想情况下，接触电阻应当保持低且稳定，但接触压力不足、机械振动及腐蚀可能会显著改变接触电阻，导致接触点发热并最终引发电路失效。

焊接接点可能因多种因素而失效，包括电迁移和脆性金屬互化物的形成。某些失效仅在极端温度下显现，从而增加了故障排查的难度。印刷电路板材料与元件封装之间的热膨胀失配会对焊点施加应力，导致焊点与电路板之间的连接受损。热循环可能引发焊点疲劳裂纹。封装内部可能出现松散颗粒，例如焊渣和锡须，这些颗粒可能在封装内部移动，并引发间歇性短路或对震动敏感的短路。腐蚀可能导致接触表面生成氧化物或其他非导电物质，从而在接触闭合时产生不可接受的高接触电阻；这些氧化物还可能迁移并导致短路。

印刷电路板失效
印制电路板（PCB）容易受到环境因素的影响，例如，其导线容易腐蚀，蚀刻不当可能导致部分短路，机械负载可能导致裂纹，而通孔的镀层可能不足。焊剂残留可能加剧腐蚀，而PCB表面的其他污染物可能引发电气泄漏。极性共价化合物（如抗静电剂）可能吸湿，在导线之间形成一层薄的导电水膜，或者吸收高频能量，造成寄生；氯化物等离子化合物易促进腐蚀。碱金属离子可能通过塑料封装迁移，并影响半导体的功能。氯化烃残留物可能发生水解，释放腐蚀性氯化物，这些问题通常在数年后才显现。

当PCB温度超过玻璃转化温度时，其树脂基体会软化并变得容易吸收污染物。例如，助焊剂中的聚乙二醇可能进入电路板并增加其湿气吸收率，进而恶化其介电性能和抗腐蚀能力。使用陶瓷等多层基板的PCB也会面临类似问题。

在PCB内部，导电阳极丝（CAF）可能沿着复合材料纤维生长。金属通常源自通孔镀层，并在离子、水分及电势的作用下发生迁移；钻孔损伤及玻璃-树脂结合不良会加剧这一问题。CAF的形成通常始于玻璃-树脂结合不良，随后吸附水分形成离子及腐蚀产物的迁移通道。在氯离子存在的情况下，沉淀的腐蚀产物主要是氯銅礦，其半导体特性会导致电流泄漏增加、介电强度下降，并最终在导线之间形成短路。焊剂残留中的乙二醇会加重这一问题。由于PCB纤维和树脂的热膨胀系数不同，在焊接时这种膨胀失配会削弱它们之间的结合力；无铅焊料要求更高的焊接温度，从而进一步增加CAF的发生概率。此外，CAF的发生与湿度密切相关，低于某一湿度阈值时，CAF不会形成。

电弧产生的高温和电流会导致金属迁移，使触点表面形成特定的锥形或凹坑结构。除了物理损伤外，触点表面还会积累碳及其他杂质。这种退化现象大大限制了继电器或接触器的寿命，其操作次数通常仅为机械寿命的1%或更少，通常在10万次左右。

半导体失效
许多失效会导致热电子的产生。这些热电子可以在光学显微镜下观察到，因为它们会产生可被CCD 摄像机检测到的近红外光子。闩锁现象可以通过这种方式观察到。如果可见，失效的位置可能提供关于过应力性质的线索。液晶涂层可用于失效定位：胆甾液晶具有热致变色特性，可用于可视化芯片上的发热位置，而向列液晶对电压有响应，可用于可视化氧化物缺陷导致的电流泄漏及芯片表面的电荷状态（特别是逻辑状态）。

参数失效
通孔是芯片中容易引入额外串联电阻的常见结构；有缺陷的通孔会表现出不可接受的高电阻，导致信号传播延迟增加。由于电阻率随温度升高而降低，因此如果芯片的最高工作频率下降，可能表明存在此类故障。“鼠咬”（mousebites）是指金属化区域宽度的减少；这类缺陷通常不会在电气测试中显现，但却是主要的可靠性风险。鼠咬中的高电流密度可能会加剧电迁移问题；需要较大程度的空洞形成才能引起对温度敏感的传播延迟。

IDSS退化由栅极沉降和氢中毒引起。这是最常见且最容易检测的失效，受栅极沉降导致的晶体管有源通道缩减以及氢中毒导致的供体密度耗尽影响。
栅极漏電流退化，在加速寿命测试或高温条件下发生，可能由表面态效应引起。
阈值电压退化，这是高温下工作的砷化镓器件的常见失效模式，主要来源于半导体-金属相互作用和栅极金属结构的退化，氢元素也是一个影响因素。通过在触点和砷化镓之间添加适当的阻挡金属可减少这种失效。
漏-源电阻增加，主要发生在高温环境中，由金属-半导体相互作用、栅极沉降和欧姆接触退化引起。

金属化失效
金属化失效是FET晶体管退化比材料过程更常见和更严重的原因；非晶材料没有晶界，从而抑制了扩散和腐蚀。此类失效的示例包括：

电迁移会将原子从有源区域迁移出去，导致位错与点缺陷，这些缺陷会作为非辐射复合中心产生热量。这种现象可能发生在射頻信号工作的MESFET中使用铝栅的情况下，导致漏极电流波动不稳定；此类电迁移称为栅下陷。而使用金栅则不会发生这种问题。此外，氧化铟锡与银也会发生电迁移，引起漏电流，并在LED中于芯片边缘造成非辐射復合。在所有情况下，电迁移都可能改变晶体管栅极与半导体结的尺寸与参数。
机械应力、高电流与腐蚀性环境会导致金属晶鬚的形成与短路。这些效应可在封装内部或电路板上发生。
硅结节的形成。为防止合金尖峰，铝互连层在沉积过程中可能掺硅至饱和。在热循环过程中，硅原子可能迁移并聚集形成结节，这些结节作为空洞存在，会导致局部电阻上升并降低器件寿命。

氧化物击穿：发生在电场强度大于6–10 MV/cm时。
结损伤：表现为反向漏电流增加，最终短路。
金属化与多晶硅烧毁：金属、多晶硅互连层、薄膜电阻器与扩散电阻器等损伤。
电荷注入：雪崩击穿产生的高能载流子注入氧化物层中。

灾难性ESD失效模式包括：

结烧毁：结内形成导电通路，造成短路。
金属化层烧毁：金属互连层部分熔化或蒸发，造成断路。
氧化层击穿：在两个导体或半导体之间的绝缘层中形成导电通道；栅氧化层最薄，最易受损。受损晶体管在栅极与漏极之间表现出低欧姆电阻。

参数漂移型失效仅表现为器件参数变化，可能在应力测试中显现；有时损伤程度会随时间降低。潜在型ESD失效表现为延迟性失效，包括：

绝缘体损伤：结构强度减弱。
结损伤：少数载流子寿命缩短，正向电阻增加，反向漏电流增大。
金属化损伤：导体削弱。

灾难性失效需要最高放电电压，最容易测试，但发生最少。参数失效发生在中等电压，较为常见；潜在失效最普遍，每个参数失效通常对应4–10个潜在失效。现代VLSI电路更容易受到ESD影响，因其特征尺寸更小、电容更低、电压/电荷比更高。导电层采用硅沉积使其电导更强，减少了本应提供保护作用的串联电阻。

一些MOSFET的栅氧化层在仅50伏电压下就可能被击穿，栅极与结之间隔离，电位积累导致薄介质层承受极大应力；应力氧化物可能碎裂并立即失效。栅氧本身不会立即失效，但可能由于应力诱导漏电流而加速损伤，在长时间运行后表现为延迟失效；使用氧化物或氮化物介质的片上电容器也容易受损。结构越小越脆弱，因为其電容更低，相同电荷导致电压更高。所有薄介质层都容易受损，因此采用较厚氧化层的工艺制程更具抗ESD能力。

新型CMOS输出缓冲器使用轻掺杂矽化物漏极，更易受ESD影响；N沟道驱动器通常在氧化层或n+/p阱结处受损，原因是寄生NPN晶体管“击回”过程中的电流拥塞。在P/NMOS图腾柱结构中，通常是NMOS晶体管受损。结的结构影响其ESD敏感性；结的角落与缺陷会导致电流拥塞，降低损伤阈值。正向偏置结比反向偏置结更不敏感，因为正向偏置结的焦耳热通过较厚材料层散发，而反向偏置结的耗尽区较窄。

无源元件故障
电阻器
电阻器可能出现开路或短路失效，也可能在环境条件或超出性能极限的情况下导致阻值变化。电阻器常见的失效包括：

制造缺陷导致的间歇性问题。例如，碳膜或金属电阻器中压接不当的端帽可能松动，导致接触丧失，电阻器与端帽之间的阻值变化会改变其整体阻值。
集成电路中使用的镍铬薄膜电阻器被钝化玻璃中的磷腐蚀，导致阻值上升。
采用银作端子的SMD电阻器在富含硫的环境中易发生开路失效，因银形成硫化银堆积。为防止此类失效，通常会在电路中串联热熔断器、断路器或其他限流元件。

MEMS器件失效
微机电系统存在多种失效类型：

静摩擦力导致活动部件卡滞，外部冲击有时可恢复功能。使用非粘附涂层、减少接触面积和提升设计意识可降低失效率。

重现失效模式
为了降低失效发生率，在产品设计及制造阶段准确测量键合强度至关重要。研究应从失效模式入手。假设产品存在特定的失效模式，那么键合测试应尽可能重现这种失效。然而，完全复制并不总是可行。测试载荷必须通过样品传递至键合区域，若样品的某一部分比键合区域更弱，则载荷会先导致样品本体破坏，而非键合区域。

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