【电子通识】电子元器件可靠性基本概念

news2024/9/22 0:59:27

什么是电子元器件

        电子元器件是电子产品的基本组成单元, 是电子元件电子器件的总称。

        通常电子元件指的是无源元件, 电子器件指的是有源器件。无源元件是对所供给的电能执行被动操作(如耗散、储蓄或释放等)的元件, 如电阻、电容、 电感、 连接器等。有源器件是主动影响(如放大、整流、转换等)所供给电能的元件, 如三极管、 场效应晶体管、 集成电路等。参考文章:【电子通识】无源元件与有源元件的定义和区别是什么?

        随着电子封装技术、 电子组装技术和芯片集成化技术的发展, 电子元件和电子器件的界线越来越模糊, 一个电子封装/组装中往往既有有源器件又有无源元件, 也包含了互连技术。 对电子元器件材料、 结构、 工艺及特性的认识和了解, 是正确认识和掌握电子产品可靠性的基础。

可靠性定义

        产品的可靠性是指产品在规定的条件下、 在规定的时间内完成规定功能的能力。

        描述可靠性的常用指标有可靠度、 不可靠度、 失效概率密度、 瞬时失效率及寿命等。结合元器件的特点, 重点讨论在电子元器件可靠性中经常用到的几个关键指标。

电子元器件失效

        电子元器件失效是指其功能完全或部分丧失、参数漂移,或者间歇性地出现上述情况。 电子元器件一旦发生失效,无论是否可以恢复,都不再允许使用,也就意味着其寿命已经终了。对电子元器件失效的认识必须从失效模式、失效机理和失效原因入手

        失效模式是指产品失效的形式、形态及现象,是产品失效的外在宏观表现。不同类别的产品失效模式各不相同。 对于电子元器件,最直接的失效模式有开路、 短路、 时开时断、 功能异常、 参数漂移等。

        导致电子元器件失效的原因有很多。其中包括因质量控制不当而引入的材料、工艺缺陷,产品设计不当引入的设计缺陷,老化、筛选、装配中应力选择不当或环境控制不当引入的损伤,产品的固有可靠性问题,使用中工作应力和环境应力引入的可靠性问题,以及人为因素造成的可靠性问题等。无论是什么原因导致的产品失效,都是外因和内因共同作用的结果。引起电子元器件失效的外因可以是环境应力、电应力、机械应力等,而内因则是在其材料、结构中的一系列物理、化学变化。

        我们通常将这种内在原因称为失效机理失效机理是指产品失效的物理、化学变化,这种变化可以是原子、分子、离子的变化,是失效发生的内在本质。

电子元器件失效基本分类

        由于电子元器件种类繁多、结构复杂、材料多样,其失效分类也较为复杂。一般可以按照失效机理、失效时间特征以及失效后果对产品的失效进行分类。 

失效机理

按照失效机理,电子元器件的失效可以分为以下几类:

  1. 结构性失效:产品的结构件由于材料的损伤或蜕变而造成的失效,如疲劳断裂、磨损、变形等。对于电子元器件产品,结构性失效主要是由结构件的材料特性及受到的机械应力造成的,有时候也与热应力和电应力有关。

  2. 热失效:产品由于过热或急剧温度变化而导致的烧毁、熔融、蒸发、迁移、断裂等失效。对于电子元器件产品,热失效主要是由热应力造成的,但往往也与产品的结构设计、材料选择有关。

  3. 电失效:产品由于过电或长期电应力作用而导致的烧毁、熔融、参数漂移或退化等失效。对于电子元器件产品,电失效主要是由电应力造成的,但与材料缺陷、结构密切相关。

  4. 腐蚀性失效:产品受到化学腐蚀、电化学腐蚀,或材料出现老化、变质而造成的失效。对于电子元器件产品,腐蚀性失效主要是由腐蚀性物质(如酸、碱等)的侵入或残留造成的,也与外部的温度、湿度、电压等因素有关。

失效时间特征

按照失效时间特征,电子元器件产品的失效同样可以分为早期失效、偶然失效和耗损失效。

  1. 早期失效:早期失效是由材料缺陷或制造过程引入的缺陷等造成的失效,这时产品的失效率往往较高。可以通过特定的老化、筛选来剔除有缺陷的产品,使失效率很快降低并稳定下来。对于电子产品,早期失效的原因有:材料缺陷、设计缺陷、制造过程引入的缺陷等。要减少产品的早期失效,必须明确引起失效的缺陷及产生途经,并加以有效控制。

  2. 偶然失效:偶然失效是由随机发生的事件引起的失效,这时产品失效发生的概率较小且具有随机性。要预防和控制偶然失效的发生,同样需要寻找失效发生的根源。对于电子元器件产品,引起偶然失效的原因有设计裕度不当、潜在缺陷、偶发应力和人为因素等。

  3. 耗损失效:耗损失效是由于长期工作或恶劣环境造成产品性能、功能发生不可逆变化而引起的失效,这时产品的失效率快速增大,最终产品失效。对于电子元器件产品,引起耗损失效的原因有原子/离子迁移、界面效应、辐射效应、热电效应、电化学腐蚀、磨损、断裂和疲劳等。

失效后果分类

按照失效后果,电子元器件产品的失效可以分为以下几种:

  1. 参数漂移:指电子元器件产品一个或多个参数发生正向或逆向漂移出规定范围而失效。对于电子元器件产品,引起参数漂移的原因有离子沾污、氧化层电荷等。

  2. 退化失效:是电子元器件产品一个或多个参数或产品的某个局部特性发生退化性变化直至达不到规定要求而失效。退化失效是一个渐变的过程。对于电子元器件产品,引起退化失效的原因有长期应力作用、材料互扩散、电化学腐蚀和金属原子迁移等。

  3. 功能失效:是电子元器件产品部分丧失或完全丧失规定的功能而失效。对于电子元器件产品,引起功能失效的原因有过应力、退化引起的性能突变、腐蚀等。

  4. 间歇失效:是电子元器件产品在试验或使用中出现的时好时坏现象的失效。对于电子元器件产品,引起间歇失效的原因有导电多余物、沾污、金属间化合物生成、应力导致的裂缝等。

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