电子元器件失效机理

1、摘要：电子元器件被广泛的应用于人们的生产和生活的各种装置中，是社会进步发展必不可少，具有极为 重要的作用。然而各类电子元器件在使用过程中不可避免地会出现失效现象。因此分析元器件失效原因和 老化机理，并提出可行的老化方法就显得尤为重要。关键字：老化机理，失效原因Abstract: Electronic components are widely used in people's production and life, is essential for social progress and development, an extremely important role. Howeve

2、r, the use of various electronic components will inevitably occur during the failure phenomenon. Therefore, the aging analysis of the causes and mechanisms of component failure, and put forward feasible method of aging is particularly important.Keyword : Aging mechanisms , failure causes1引言电子元器件在各种电

3、子产品中有广泛的应用。电子产品都有一定的使用寿命，这与电 子元器件的寿命密切相关。电子元器件在使用的过程有可能出现故障，即失去了原有的功能，从而使电子产品失效。电子产品的应用十分的广泛，是生产生活所不能缺少的重要部分。因此研究电子元器件的失效原因和老化机理，并提出可行的老化方法就具有重要意义。老化是一种方法，即给电子元器件施加环境应力试验。若了解电子元器件的老化机理就能提出可靠的老化，就可以剔除产生出有缺陷将会早期失效的元器件，因而保证了出产产品的使用寿命。一个有效的老化方法能降低生产成本，提高收益，减少不必要的损失和麻烦。2研究电子元器件失效的意义电子元器件的失效即为特性的改变，表现为激烈或

4、缓慢变化，不能正常工作。 在文献1中介绍了电子元器件的失效原因。 其主要分为：1致命性失效：如过电应力损伤2缓慢退化：如 MESFET （金属一半导体场效应晶体管）的 IDSS （饱和漏源电流）下降 3间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效在文献1中也介绍了研究电子元器件失效的实验方法。其主要可分为：1应力-强度模型即保持元器件所在的环境不发生任何变化只改变应力的大小。从一个低 的应力下缓慢增加直至应力超过元器件的强度承受范围（如过电应力（EOS）静电放电（ESD）闩锁等等），纪录下在各种应力的电子元器件的各种电气特性的数据，用来在实验结束后进 行数据处理和分析。2应力-时间模型即保持元器件所

5、处的环境下各种应力是保证不发生变化的，在某一特定 的应力下随着时间的积累效应，特性变化超差（如金属电迁移，腐蚀，热疲劳等等）。同样也要纪录下在各个时间段内元器件的各种电气特性数据，用来在实验结束后进行数据处理和分析。研究电子元器件的失效原理能确定它的失效模式、失效机理，研究分析老化机理， 防止失效重复出现，并提出可行的老化方法。3各种电子元器件失效原因和老化机理3.1电容器的失效原理在文献1中介绍了各种电容器的失效原因和老化一：电解电容电解电容主要应用于电源滤波，一旦短路后果严重。它的优点是电容量大，价格低；缺点是寿命短，漏电流大，易燃。在经过大量的研究后发现电解电容的失效原因主要有以下几点。

6、1:漏液：电容减小，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大2:短路放电：大电流烧坏电极3:电源反接：大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜增厚，电容量下降4:长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大与其对应的老化主要是：降温使用，不做短路放电，电源不反接，经常通电。二：固体祖电容失效原因：过流烧毁；正负极反接。三：陶瓷电容失效原因： 电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增大；银迁引起边缘漏电和介质内部漏电。3.2微电子器件的失效原理在文献1中介绍了微电子器件的失效原理主要有如下几种情况。开路的可能失效原因： 过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、 压焊点脱落、 CMMOS电路的闩锁效应

7、。漏电和短路的可能失效原因：颗粒引发短路、介质击穿、PN微等离子击穿、Si-Al互熔。参数漂移的可能失效原因： 封装内水汽凝结、介质的离子玷污、欧姆接触退化、金属电迁移、 辐射损伤。在文献1中也介绍了一些环境应力对微电子器件的影响。例如水汽对电子元器件的影响主要包括：电参数漂移；外引线腐蚀；金属化腐蚀；金属半导体接触退化等。辐射对电子元器件的影响主要包括：参数漂移、软失效。过电：PN结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁。静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁。热：键合失效、Al-Si互熔、PN结漏电热电：金属电迁移、欧姆接触退化。高温：芯片断裂、芯片粘接失效。低温：芯片断裂。

8、3.3ZnO压敏电阻失效原理在文献2-5中介绍了 ZnO压敏电阻的导电机理和失效原因。ZnO压敏电阻由于具有优良的非线性伏安特性和冲击能量吸收能力，在高、中、低压电气工程领域均有广泛的应用，用以限制过电压对回路或系统的危害。ZnO压敏电阻在电力系统中主要用作ZnO避雷器的关键器件，ZnO压敏电阻的电气性能决定了 ZnO避雷器限 制过电压的水平。其主要的导电机理如表 3-1所示。表3-1氧化锌电阻片导电机理的研究历程年份研究者模型1971Matsuoka空间电荷限制电流（SCLC）1975Levinson&Phillip晶粒界面层的遂穿过程1975Levine肖特基势垒的遂分过程1976

9、Morris肖特基势垒遂芽过程1977Emtage有异质结的肖特基势垒遂穿过程1978Einzinger有异质结的遂穿过程1979Mahan、Levinson&philip有穴参与肖特基势垒的遂穿过程1980Eda异质结的旁路效应1982Pike空穴诱导导通1986Levinson&philip异质结的旁路模型1986Blatter&Greuter空穴诱导导通1987Suzuoki空间电荷诱导电流1999章天金晶界存在多个驰豫时间不同的德拜驰豫机构2001Buenop-n异质结局域态由于ZnO压敏电阻的广泛应用。所以吸引了许多学者对它的失效原因和老化机理进行了大量的研究

10、。目前提出的失效原因主要包括离子迁移、载流子陷阱、偶极子极化、氧离子解吸附和化学反应等，归纳其中具有代表性的研究成果如表3-2所示。表3-2 ZnO压敏电阻老化机理的研究进展研究者产生老化现象的原因Eda,Matsuoka老化的样品会产生热刺激电流，可能与离子迁移有关Eda,Iga离子迁移导致肖特基势垒畸变Chiang,Kingery掺杂圄子在日日界层不对商、分布Gupta提出晶界缺陷模型，填隙锌离子的迁移影响老化特性Sonder高温下氧离子迁移，微裂纹会形成氧离子的导电通道李盛涛，刘辅宜离子迁移和由于离子浓度梯度所导致的热扩散Sato电子被耗尽层中陷阱中心所捕获，在晶界层附近积累李惠峰偶极子

11、取向使得极化时间变长Takahashi晶界层氧离子的解吸附Bui,Loubiere局部放电产生HNO3使得势垒高度降低Ramfrez氧洋减少与 阱目Bi2O3消失Wang Mao-Hua填隙锌离子在晶界与带负电锌空位发生反应生成中性填隙锌原子Erhart填隙锌与锌空位的扩散在文献2-5中针对目前对ZnO压敏电阻老化机理的研究成果 ，主要提出了如下的几种 老化。1提高ZnO粉体的质量，如制备纯度高、粒径分布好、易于分散的纳米ZnO粉体，特别是将其他掺杂成分如Bi2O3等在制粉过程引入，制备纳米复合粉末，将可从根本上改善掺杂成分 的均匀性，从而大幅度地提高氧化锌电阻片的性能。2采用新的烧结工艺，如

12、微波或微波等离子烧结氧化锌电阻片， 已展示良好的应用前景，但 还存在工艺控制稳定性和规模化生产等问题。因此，应进一步探讨和完善新的烧结工艺， 以降低烧结能耗，提高烧成质量和产品合格率。3.4发光二极管（LED的失效原理在文献6-11中介绍了各类LED勺失效原因和老化机理。很多研究已经证实，发光二极管（LED）在失效过程中将导致芯片、封装、荧光粉区域失效。LE此化实验条件普遍为施加电应力、热应力，由于不同材料热膨胀系数之间差异和缺陷生长，导致LE毗通量的衰减，主要的老化机理包括暗点缺陷、金属合金迁移、组分变化等。随着LED生产技术水平的提高，其理论寿命已达到10万小时，而常规应力下的寿命试 验很

13、难对它的寿命和可靠性及时地做出客观的评价，因此研究时通常采用加速寿命实验方法。加速实验是在加大应力情况下加快LED内部物理化学的变化，能够在较短时间内暴露出器件结构设计和材料的缺陷，为LED结构设计和材料选择提供依据和参考。由于 LED是功率型器件，受电流和温度影响较大，因此采用加大LED工作电流应力和环境温度应力的 方法。常用的加速寿命实验分为恒定应力加速实验和步进应力加速实验。通过国内外众多科研机的研究得出LED勺失效原因有如下几点。1:芯片材料缺陷引起器件光输出的衰减。 这主要是由以下这些国内外学者经过研究得到的。W.Y.Ho等在电流加速寿命试验中采用DLTS技术，发现在退化前后距导带

14、1.1eV处的深能级缺陷密度从 2.7 >1013 cm- 3上升到4.2 >1013 cm- 3，异质结分界面因晶格失配产生的 缺陷密度增加。F.Manyakhin等分析了 GaN基LED在电流加速寿命试验中光电参数的变化 及空间电荷层离化受主的分布，解释了发光强度在老化过程中的变化原因，认为在老化过程中的第一阶段，以有源层中的Mg- H化合物受热电子迁移影响分解形成Mg+为主，使P型层的离化受主浓度增加，复合几率增大从而增强了发光强度；在第二阶段，施主缺陷N空 位形成增多，而Mg- H浓度较低制约受主浓度的增加，从而使非辐射复合中心增加，降低 了发光强度。郑代顺等认为这些深能级

15、缺陷由于对载流子有较强俘获作用而降低了器件的发 光效率，而注入载流子的非辐射复合造成的晶格振动又导致了缺陷的运动和增加，从而使发光效率在老化过程中持续降低。 2:封装材料热退化造成失效。温度升高及蓝光和紫外线照射会使环氧树脂的透明度严重下降。Barton等研究发现150 C左右环氧树脂的透明度降低 ，LED光输出减弱，在135C145 C范围内还会引起树 脂严重退化，对LED寿命有重要的影响。在大电流情况下，封装材料甚至会碳化，在器件表面形成导电通道，使器件失效。 3:荧光粉的退化造成失效。PN结高温会造成LED光谱波长的红移，而荧光粉在热效应下也会产生退化，从而导致荧光粉的受激发光光谱区跟芯

16、片的发光光谱区不匹配，荧光粉吸收光而不发光的部分增加，荧光粉激发的光减少，从而导致失效。荧光粉的不透明性会造成光的大量散射，还会对光产生阻隔作用。 4:散热不良导致电极缓慢或灾变性失效。电极引线一般具有较强的承受电流冲击和震动能力，但是由于环氧树脂、电极引线与芯片材料的热膨胀系数有差异，在高温下产生的不同形变会导致引线断裂 ，造成灾变性失效。 5: p型欧姆接触的金属电迁移和退化。研究表明在老化过程中，大电流下P型欧姆接触的金属会沿着缺陷通道电迁移到达结 区造成短路，从而导致了器件失效。 6:静电导致器件灾变性失效。由于LED芯片内部串联电阻较低，在无静电防护情况下，人体等产生的静电通过 LE

17、D 放电，会导致LED局部击穿。针对以上各类失效原因也提出了对应的各种老化。 1:改善芯片的衬底材料和外延制作工艺，可少缺陷和位错。采用失配度更小的衬底材料能减少生长带来的缺陷，有效改善芯片质量。2:采用热系数接近的材料是有效提高使用寿命的方法。3:采用新型封装材料一硅树脂。这种材料抗热和抗紫外线能力更强，不会产生采用环氧材料导致的感光层变黄和分层问题，并且具有良好的机械特性，发光效率更高，使用寿命更长。 4:采用的新技术可以制备实心球形YAG荧光粉。5:在生产过程、驱动电路和芯片中增加静电保护措施有利于提高大功率LED的使用寿命。4实验和试验本设计主要的研究方法就是通过实验和试验来获得大量必

18、需的数据，得出它们的各种电气特性。从而研究各种电子元器件的失效原理和老化机理，提出可行的老化方法， 应用于实践中。实验和试验准备从应力-强度模型，应力-时间模型两个方面入手，由文献 1得到 启发。选取多种常用的电子元器件（如电阻，发光二极管，三极管等 ）进行实验和试验使得到的理论更加的可靠和具有说服力。具体的实验如下：1选取12个相同的样品发光二极管，再将12个随机分为3组，每组4个。将3组样品分别放入3个相同的等温容器中， 分别施加不同的电应力 （可分别取100毫安、1000毫安、1500 毫安3种情况），保持其他环境因素都不变，再施加不同的电应力一段时间（可以是300小时），利用瞬态热计量

19、测试仪来测量样品在各种电应力条件下温度的结果。再用工具测量各 样品的用电流电压特性（I V ）和光输出和输入电流的特性（L-I）。纪录下不同电应力下的不同的温度的结果。描述出各样品的用电流电压特性（I * ）和光输出和输入电流特性（L-I ）2选取12个相同的样品发光二极管，再将12个随机分为3组，每组4个。将3组样品分别放入3个相同的等温容器中， 分别施加相同的电应力并且保持其他环境因素都不变，对每组样品的施加电应力的时间不同（可分别为100小时、300小时、500小时）利用瞬态热计量测试仪来测量样品在各种电应力条件下温度的结果。再用工具测量各样品的用电流电压特性（I 7 ）和光输出和输入电

20、流特性（L-I ）。纪录下相同电应力下时间不同时的各种不同温度的结果。描述出各样品的用电流电压特 性（I 7 ）和光输出和输入电流特性（L-I ）。3选取相同的12个电阻，再将12个随机分为3组，每组4个。先测试出电阻实验前的阻值。将3组样品分别放置在不同温度的相同的容器中，保持其他环境因素不变。即将对样品施加不同的热应力其他条件相同，经过一定的时间（可以是300小时），再测试各电阻的伏安特性等来测量出电阻的实际值。记录数据比较电阻在不同热应力下的阻值。4选取相同的12个电阻，再将12个随机分为3组，每组4个。先测试出电阻实验前的阻值。 将3组样品分别放置在相同温度下相同的容器中，保持其他环境因素不变。即将对样品施加相同的热应力并且其他条件也相同，经过不同的时间（可以分别取100小时、300小时、500小时），再测试各电阻的伏安特性来测量出电阻的实际值。记录数据比较电阻在相同热应力下作用不同时间的各个阻值。5结束语电子元器件在各种电子产品中有广泛的应用。电子产品都有一定的使用寿命，这与电子元器件的寿命关系紧密，老化可以剔除有缺陷将会早期失效的元器件，因而保证了出厂产品的使用寿命。一个有效的老化方法能降低生产成本，提高收益，减少不必要的损失和麻烦。 因此研究电子元器件的失效原因和老化机理，并提出可行的老化方法就具有重要意义。本设计