電子元件失效

電子元件存在多種失效模式，可根據時間或原因等不同方式分類。失效的原因包括過高溫度、過大電流或電壓、游離輻射、機械衝擊、應力或撞擊等多種因素。在半導體器件中，封裝問題可能導致失效，例如污染、機械應力或開路、短路等。

電子元件的失效通常發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。為檢測早期失效，通常採用「燒機篩選」程序。在半導體器件中，寄生結構在正常運行中通常無關緊要，但在失效過程中可能起關鍵作用，既可能成為失效源，也可能提供一定保護。

在航太系統、生命支持系統、電信、鐵路信號系統和電腦等高可靠性應用中，大量電子元件被使用。對失效的統計特性進行分析，有助於制定設計方案，以滿足特定的可靠性要求。例如，在高空飛行器中，電阻的功率負載能力可能需要大幅降額，以確保足夠的使用壽命。

某些失效可能引發連鎖反應。例如，突發性開路故障如果發生過快，並且電路中包含電感，會產生高達500伏的電壓突波，從而引發多重次生失效。此外，晶片金屬化層斷裂可能導致二次過壓損壞。熱失控則可能導致熔化、起火或爆炸等突發性失效。

## 封裝失效

電子元件的大部分失效與電子封裝相關。封裝作為電子元件與外部環境之間的屏障，易受環境因素影響。不同材料的熱膨脹係數不匹配，可能導致機械應力積累，引發材料疲勞。濕氣及腐蝕性化學物質可能損壞封裝材料和引線，導致電氣失效。超過規定的環境溫度範圍可能導致鍵合線過應力，使其斷裂，半導體晶片破裂，甚至封裝開裂。封裝可能因機械衝擊或震動而出現裂紋。

在封裝過程中，鍵合線可能會被切斷、短路，或接觸晶片晶圓，通常發生在邊緣位置。由於機械過載或熱衝擊，晶圓可能出現裂紋；加工過程中引入的缺陷，例如劃片，可能會發展成斷裂。引線框架可能含有過多材料或毛刺，從而導致短路。鹼金屬和鹵素等離子污染物可能從封裝材料遷移至半導體晶圓，造成腐蝕或參數退化。玻璃-金屬密封常因針腳與玻璃界面處形成徑向裂紋而失效，這些裂紋向外擴展；其他失效原因包括界面氧化層薄弱以及玻璃對針腳包覆不良。

封裝腔體內可能存在多種氣體，這些氣體可能是在製造過程中被困住的雜質，可能來源於封裝材料的釋氣，或者是由於封裝材料過熱而產生的化學反應（通常形成離子化產物並促進腐蝕，導致延遲失效）。為了檢測這些氣體，通常在封裝內部充入氦氣作為示蹤氣體，以便在測試時檢測洩漏。二氧化碳和氫氣可能源自有機材料，聚合物釋放水分，而胺固化環氧樹脂則會釋放氨氣。晶片焊接結構中的裂紋及金屬間化合物的生長可能導致空洞和分層，影響晶片與基板及散熱器之間的熱傳導，最終導致熱失效。由於矽和砷化鎵等半導體材料對紅外線透明，因此可使用紅外顯微技術檢查晶片鍵合及其下方結構的完整性。

紅磷作為一種炭化促進型阻燃劑，在封裝中可能加速銀離子遷移。通常情況下，紅磷表面會包覆氫氧化鋁，但若包覆不完全，磷顆粒會氧化成極易吸濕的五氧化二磷，並與水分反應生成磷酸。這種腐蝕性電解質在電場作用下會促進銀的溶解和遷移，從而導致相鄰封裝引腳、引線框架引腳、連接條、晶片安裝結構以及晶片焊盤之間短路。由於封裝的熱膨脹可能導致銀橋斷裂，因此如果加熱後短路現象消失，而冷卻後再次出現，則表明存在這一問題。封裝的分層與熱膨脹可能會導致晶片晶圓相對於封裝材料移動，從而使鍵合線變形，甚至發生短路或斷裂。

## 接觸失效

電氣接觸點存在接觸電阻，其大小受表面結構及表面層成分影響。理想情況下，接觸電阻應當保持低且穩定，但接觸壓力不足、機械振動及腐蝕可能會顯著改變接觸電阻，導致接觸點發熱並最終引發電路失效。

焊接接點可能因多種因素而失效，包括電遷移和脆性金屬互化物的形成。某些失效僅在極端溫度下顯現，從而增加了故障排查的難度。印刷電路板材料與元件封裝之間的熱膨脹失配會對焊點施加應力，導致焊點與電路板之間的連接受損。熱循環可能引發焊點疲勞裂紋。封裝內部可能出現鬆散顆粒，例如焊渣和錫須，這些顆粒可能在封裝內部移動，並引發間歇性短路或對震動敏感的短路。腐蝕可能導致接觸表面生成氧化物或其他非導電物質，從而在接觸閉合時產生不可接受的高接觸電阻；這些氧化物還可能遷移並導致短路。

## 印刷電路板失效

印製電路板（PCB）容易受到環境因素的影響，例如，其導線容易腐蝕，蝕刻不當可能導致部分短路，機械負載可能導致裂紋，而通孔的鍍層可能不足。焊劑殘留可能加劇腐蝕，而PCB表面的其他污染物可能引發電氣洩漏。極性共價化合物（如抗靜電劑）可能吸濕，在導線之間形成一層薄的導電水膜，或者吸收高頻能量，造成寄生電介質損耗；氯化物等離子化合物易促進腐蝕。鹼金屬離子可能通過塑料封裝遷移，並影響半導體的功能。氯化烴殘留物可能發生水解，釋放腐蝕性氯化物，這些問題通常在數年後才顯現。

當PCB溫度超過玻璃轉化溫度時，其樹脂基體會軟化並變得容易吸收污染物。例如，助焊劑中的聚乙二醇可能進入電路板並增加其濕氣吸收率，進而惡化其介電性能和抗腐蝕能力。使用陶瓷等多層基板的PCB也會面臨類似問題。

在PCB內部，導電陽極絲（CAF）可能沿著複合材料纖維生長。金屬通常源自通孔鍍層，並在離子、水分及電勢的作用下發生遷移；鑽孔損傷及玻璃-樹脂結合不良會加劇這一問題。CAF的形成通常始於玻璃-樹脂結合不良，隨後吸附水分形成離子及腐蝕產物的遷移通道。在氯離子存在的情況下，沉澱的腐蝕產物主要是氯銅礦，其半導體特性會導致電流洩漏增加、介電強度下降，並最終在導線之間形成短路。焊劑殘留中的乙二醇會加重這一問題。由於PCB纖維和樹脂的熱膨脹係數不同，在焊接時這種膨脹失配會削弱它們之間的結合力；無鉛焊料要求更高的焊接溫度，從而進一步增加CAF的發生機率。此外，CAF的發生與濕度密切相關，低於某一濕度閾值時，CAF不會形成。層間分層可能導致PCB各層分離，破壞通孔和導線，進而形成腐蝕性污染物的滲透通道，並促進導電物質的遷移。

## 繼電器與開關失效

每當機電繼電器、開關或接觸器的觸點打開或閉合時，都會發生一定程度的觸點磨損。在開斷（break）或閉合（make）過程中，觸點之間會產生電弧。特別是在開斷時產生的電弧（break arc）類似於電弧焊，其能量更大，破壞性更強。

電弧產生的高溫和電流會導致金屬遷移，使觸點表面形成特定的錐形或凹坑結構。除了物理損傷外，觸點表面還會積累碳及其他雜質。這種退化現象大大限制了繼電器或接觸器的壽命，其操作次數通常僅為機械壽命的1%或更少，通常在10萬次左右。

## 半導體失效

許多失效會導致熱電子的產生。這些熱電子可以在光學顯微鏡下觀察到，因為它們會產生可被CCD 攝像機檢測到的近紅外光子。閂鎖現象可以通過這種方式觀察到。如果可見，失效的位置可能提供關於過應力性質的線索。液晶塗層可用於失效定位：膽甾液晶具有熱致變色特性，可用於可視化晶片上的發熱位置，而向列液晶對電壓有響應，可用於可視化氧化物缺陷導致的電流洩漏及晶片表面的電荷狀態（特別是邏輯狀態）。採用雷射標記塑封封裝時，如果封裝材料中的玻璃微球排列並將雷射聚焦到晶片上，可能會損壞晶片。

與半導體晶體相關的失效示例如下：

- 位錯的成核和生長。這需要晶體中已有的缺陷，例如由輻照引起，並且會受到熱量、高電流密度和發射光的加速。在 LED 設備中，砷化鎵和砷化鎵鋁比磷砷化鎵和磷化銦更容易受到這種影響；氮化鎵和氮化銦鎵對此不敏感。
- MOSFET柵氧化層中陷阱電荷載流子的累積。這會引入永久性柵極偏置，影響電晶體的閾值電壓；可能由熱載流子注入、游離輻射或正常使用造成。在EEPROM單元中，這是限制擦寫周期數的主要因素。
- 浮柵中的電荷載流子遷移。這會限制EEPROM和快閃記憶體EPROM結構中存儲數據的壽命。
- 鈍化不當。腐蝕是導致延遲失效的重要原因；半導體、金屬互連和鈍化玻璃均易受影響。暴露在潮濕環境下的半導體表面會形成氧化層，而釋放出的氫會與更深層的材料反應，生成揮發性氫化物。

### 參數失效

通孔 是晶片中容易引入額外串聯電阻的常見結構；有缺陷的通孔會表現出不可接受的高電阻，導致信號傳播延遲增加。由於電阻率隨溫度升高而降低，因此如果晶片的最高工作頻率下降，可能表明存在此類故障。「鼠咬」（mousebites）是指金屬化區域寬度的減少；這類缺陷通常不會在電氣測試中顯現，但卻是主要的可靠性風險。鼠咬中的高電流密度可能會加劇電遷移問題；需要較大程度的空洞形成才能引起對溫度敏感的傳播延遲。

有時，電路容差可能導致難以追蹤的不穩定行為。例如，驅動能力較弱的電晶體、較高的串聯電阻以及後續電晶體柵極的電容可能都在容差範圍內，但仍會顯著增加信號傳播延遲。這些失效可能僅在特定的環境條件下、高時鐘速率、低電源電壓或特定信號狀態下表現出來，並且在同一晶圓上的不同晶片之間可能存在顯著差異。由於過應力引起的損傷（如歐姆短路或電晶體輸出電流降低）可能會增加傳播延遲，從而導致不穩定行為。由於傳播延遲對供電電壓高度敏感，供電電壓的容差波動可能觸發這種行為。

砷化鎵單晶微波積體電路的失效模式包括：

- IDSS退化由柵極沉降和氫中毒引起。這是最常見且最容易檢測的失效，受柵極沉降導致的電晶體有源通道縮減以及氫中毒導致的供體密度耗盡影響。
- 柵極漏電流退化，在加速壽命測試或高溫條件下發生，可能由表面態效應引起。
- 閾值電壓退化，這是高溫下工作的砷化鎵器件的常見失效模式，主要來源於半導體-金屬相互作用和柵極金屬結構的退化，氫元素也是一個影響因素。通過在觸點和砷化鎵之間添加適當的阻擋金屬可減少這種失效。
- 漏-源電阻增加，主要發生在高溫環境中，由金屬-半導體相互作用、柵極沉降和歐姆接觸退化引起。

### 金屬化失效

金屬化失效是FET電晶體退化比材料過程更常見和更嚴重的原因；非晶材料沒有晶界，從而抑制了擴散和腐蝕。此類失效的示例包括：

- 電遷移會將原子從有源區域遷移出去，導致位錯與點缺陷，這些缺陷會作為非輻射複合中心產生熱量。這種現象可能發生在射頻信號工作的MESFET中使用鋁柵的情況下，導致漏極電流波動不穩定；此類電遷移稱為柵下陷。而使用金柵則不會發生這種問題。在具有鋁層覆蓋難熔金屬阻擋層的結構中，電遷移主要影響鋁而不影響難熔金屬，造成結構電阻不規則上升。被遷移的鋁可能引起與相鄰結構之間的短路；在鋁中加入0.5–4%的銅可以提高其抗電遷移能力，銅會聚集在合金晶界上，增加將原子從晶界中剝離所需的能量。此外，氧化銦錫與銀也會發生電遷移，引起漏電流，並在LED中於晶片邊緣造成非輻射復合。在所有情況下，電遷移都可能改變電晶體柵極與半導體結的尺寸與參數。
- 機械應力、高電流與腐蝕性環境會導致金屬晶鬚的形成與短路。這些效應可在封裝內部或電路板上發生。
- 矽結節的形成。為防止合金尖峰，鋁互連層在沉積過程中可能摻矽至飽和。在熱循環過程中，矽原子可能遷移並聚集形成結節，這些結節作為空洞存在，會導致局部電阻上升並降低器件壽命。
- 金屬化層與半導體層之間的歐姆接觸退化。在砷化鎵器件中，通常使用金-鍺合金（有時加入鎳）來實現低接觸電阻；通過鍺的擴散在金屬下形成一層高n型摻雜的區域，從而形成歐姆接觸，並在其上沉積金。鎵原子可能通過該層遷移並被上層金屬吸收，在接觸區域下方形成貧鎵、缺陷豐富的區域；隨後金與氧向相反方向遷移，導致歐姆接觸電阻上升，有效摻雜水平下降。該失效模式還涉及金屬間化合物的形成。

### 電應力失效

大多數與應力相關的半導體失效在微觀上是電熱性質的；局部溫度升高會導致金屬層熔化或蒸發、半導體熔化或結構變化而立即失效。擴散與電遷移在高溫下加劇，縮短器件壽命；結損傷如果不立即失效，可能表現為結的電流-電壓特性曲線變化。電應力失效可分為熱誘導型、電遷移相關型與電場相關型，具體例子包括：

- 熱失控：襯底中的簇狀結構導致局部熱導率下降，進而引發損傷並產熱，從而進一步加劇問題。最常見原因包括不完全焊接引起的空洞、電遷移效應與科肯德爾空洞。結處的電流密度分布不均或電流絲形成的電流集中會形成局部熱點，可能發展為熱失控。
- 反向偏置：某些基於二極體結的半導體器件在本質上為整流器；但其反向擊穿電壓可能很低，即便是中等程度的反向偏置電壓也會立即造成退化並大幅加速失效。典型LED的最大反向偏置電壓為5V，有些型號更低。
- 齊納二極體的嚴重過載反向偏置短路：足夠高的電壓會導致齊納結髮生雪崩擊穿；加之流過二極體的大電流，造成極端局部發熱，使結區與金屬化層熔化，形成矽-鋁合金，造成端子短路。有時此效應被有意用於保險絲硬連接。
- 閂鎖（latch-up）：當器件遭受過壓或欠壓脈衝時，一個寄生結構可能被觸發為晶閘管（SCR），導致過流性失效。在IC中，閂鎖可分為內部閂鎖（如傳輸線反射、接地反彈）與外部閂鎖（如通過I/O引腳或宇宙線引入的信號）；外部閂鎖可由靜電放電觸發，內部閂鎖則不會。閂鎖也可能由注入晶片襯底的載流子或另一個閂鎖觸發。JEDEC78標準用於測試器件對閂鎖的敏感性。

#### 靜電放電

靜電放電（ESD）是電應力的一種子類，可導致即時器件失效、器件參數永久漂移，以及潛在損傷，進而導致退化速率加快。其造成失效的三大機制為：局部發熱、高電流密度與高電場梯度；當數安培電流持續一段時間，會將能量轉移至器件結構，造成損傷。實際電路中的ESD是具有快速交變極性的阻尼波，器件結會遭受重複應力。其失效機制主要包括以下四種：

- 氧化物擊穿：發生在電場強度大於6–10 MV/cm時。
- 結損傷：表現為反向漏電流增加，最終短路。
- 金屬化與多晶矽燒毀：金屬、多晶矽互連層、薄膜電阻器與擴散電阻器等損傷。
- 電荷注入：雪崩擊穿產生的高能載流子注入氧化物層中。

災難性ESD失效模式包括：

- 結燒毀：結內形成導電通路，造成短路。
- 金屬化層燒毀：金屬互連層部分熔化或蒸發，造成斷路。
- 氧化層擊穿：在兩個導體或半導體之間的絕緣層中形成導電通道；柵氧化層最薄，最易受損。受損電晶體在柵極與漏極之間表現出低歐姆電阻。

參數漂移型失效僅表現為器件參數變化，可能在應力測試中顯現；有時損傷程度會隨時間降低。潛在型ESD失效表現為延遲性失效，包括：

- 絕緣體損傷：結構強度減弱。
- 結損傷：少數載流子壽命縮短，正向電阻增加，反向漏電流增大。
- 金屬化損傷：導體削弱。

災難性失效需要最高放電電壓，最容易測試，但發生最少。參數失效發生在中等電壓，較為常見；潛在失效最普遍，每個參數失效通常對應4–10個潛在失效。現代VLSI電路更容易受到ESD影響，因其特徵尺寸更小、電容更低、電壓/電荷比更高。導電層採用矽沉積使其電導更強，減少了本應提供保護作用的串聯電阻。

一些MOSFET的柵氧化層在僅50伏電壓下就可能被擊穿，柵極與結之間隔離，電位積累導致薄介質層承受極大應力；應力氧化物可能碎裂並立即失效。柵氧本身不會立即失效，但可能由於應力誘導漏電流而加速損傷，在長時間運行後表現為延遲失效；使用氧化物或氮化物介質的片上電容器也容易受損。結構越小越脆弱，因為其電容更低，相同電荷導致電壓更高。所有薄介質層都容易受損，因此採用較厚氧化層的工藝製程更具抗ESD能力。

由電流引起的失效更常見於雙極型電晶體中，其中肖特基結和PN結為主要結構。超過5千瓦的放電功率（持續時間少於1微秒）足以熔化或汽化材料。薄膜電阻器可能因放電路徑形成或部分薄膜蒸發而改變電阻值，在對電阻值要求高的精密應用中問題尤為嚴重。

新型CMOS輸出緩衝器使用輕摻雜矽化物漏極，更易受ESD影響；N溝道驅動器通常在氧化層或n+/p阱結處受損，原因是寄生NPN電晶體「擊回」過程中的電流擁塞。在P/NMOS圖騰柱結構中，通常是NMOS電晶體受損。結的結構影響其ESD敏感性；結的角落與缺陷會導致電流擁塞，降低損傷閾值。正向偏置結比反向偏置結更不敏感，因為正向偏置結的焦耳熱通過較厚材料層散發，而反向偏置結的耗盡區較窄。

## 無源元件故障

### 電阻器

電阻器可能出現開路或短路失效，也可能在環境條件或超出性能極限的情況下導致阻值變化。電阻器常見的失效包括：

- 製造缺陷導致的間歇性問題。例如，碳膜或金屬電阻器中壓接不當的端帽可能鬆動，導致接觸喪失，電阻器與端帽之間的阻值變化會改變其整體阻值。
- 表面貼裝電阻器在陶瓷基底與電阻層等異質材料接合處發生分層。
- 積體電路中使用的鎳鉻薄膜電阻器被鈍化玻璃中的磷腐蝕，導致阻值上升。
- 採用銀作端子的SMD電阻器在富含硫的環境中易發生開路失效，因銀形成硫化銀堆積。
- 某些材料（如用於金屬化層附著在陶瓷基板上的銅氧化物層）中存在的氧化銅會長出銅枝晶，跨越修整縫隙形成短路。

#### 電位器與微調電阻器

電位器和微調器是三端機電元件，內部包含一個帶可調滑動觸點的電阻路徑。除了常規電阻器的失效模式外，滑動觸點與電阻路徑之間的機械磨損、腐蝕、表面污染和機械變形也會導致接觸電阻變化，進而引發間歇性失效，尤其在音訊放大器中較為常見。許多類型的電位器密封性不佳，污染物和濕氣容易進入，助焊劑殘留是常見污染源之一。在焊接或安裝時，外殼變形可能導致滑觸接觸不良。引腳受力過大會使基底開裂，一旦裂紋穿透電阻路徑，就會引起開路失效。

### 電容器

電容器主要參數包括電容值、串聯與並聯寄生電阻、擊穿電壓及耗散因數；寄生參數常隨頻率和電壓而變。電容器結構由電極、介質、引腳和封裝構成，任一部分退化均可導致參數漂移或失效。電容器最常見的失效模式是短路與因並聯寄生電阻降低而引起的漏電，其次是開路失效。常見失效示例如下：

- 因過電壓或介質老化導致介質擊穿，當擊穿電壓低於工作電壓時發生。一些電容器具備「自愈」能力，內部電弧會汽化電極附近材料以阻斷擊穿路徑；而其他類型則會在介質中形成導電路徑，造成短路或絕緣性能下降。
- 電極材料穿越介質遷移，形成導電路徑。
- 在儲存、裝配或使用過程中的粗暴操作導致引腳與電容體分離，引起開路失效，這種失效常發生在封裝內部，不易察覺但可被測量。
- 焊劑和溶劑殘留造成的材料污染會引起耗散因數上升。

#### 電解電容器

除上述問題外，電解電容器還可能出現以下失效：

- 鋁電解電容的電解質乾涸會導致漏電流、等效串聯電阻上升及電容值下降。高紋波電流和內部電阻引發的功耗會導致內部溫度超過規格限值，加速老化過程；這類電容器常以短路形式失效。
- 電解液污染（如受潮）腐蝕電極，導致電容減小或短路。
- 電解液產生氣體，導致電容器內部壓力升高，有時會爆炸；「電容災難」就是一個典型例子。
- 鉭質電容器因電氣過應力導致介質永久性退化，發生開路或短路失效；此類失效常伴隨介質變色或陽極局部熔化等可見跡象。

### 金屬氧化物壓敏電阻

金屬氧化物壓敏電阻隨溫度升高電阻降低；若其直接並接在電源總線上用於電壓突波保護，觸發電壓下降後可能進入熱失控狀態，嚴重時導致爆炸或起火。為防止此類失效，通常會在電路中串聯熱熔斷器、斷路器或其他限流元件。

## MEMS器件失效

微機電系統存在多種失效類型：

- 靜摩擦力導致活動部件卡滯，外部衝擊有時可恢復功能。使用非粘附塗層、減少接觸面積和提升設計意識可降低失效率。
- 系統內顆粒遷移阻礙活動；導電顆粒還可能引發短路，特別是在靜電驅動器中。磨損產生的碎屑會進一步污染系統。
- 斷裂造成機械部件斷裂。
- 材料疲勞使移動結構出現裂紋。
- 介質充電改變功能，最終導致參數失效。

## 重現失效模式

為了降低失效發生率，在產品設計及製造階段準確測量鍵合強度至關重要。研究應從失效模式入手。假設產品存在特定的失效模式，那麼鍵合測試應儘可能重現這種失效。然而，完全複製並不總是可行。測試載荷必須通過樣品傳遞至鍵合區域，若樣品的某一部分比鍵合區域更弱，則載荷會先導致樣品本體破壞，而非鍵合區域。

## 相關

- 半導體器件可靠性