隨著科學技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)的更新?lián)Q代，對電子設備所用的元器件的質(zhì)量要求越來越高，半導體器件的廣泛使用，其壽命經(jīng)過性能退化，最終導致失效。失效分析（FA）是對已失效器件進行的一種事后檢查。根據(jù)需要，采用電測試以及各種先進的物理、金相和化學分析技術(shù)，并結(jié)合元器件失效前后的具體情況及有關(guān)技術(shù)文件進行分析，以驗證所報告的失效，確定元器件的失效模式、失效機理和造成失效的原因。全面系統(tǒng)的失效分析可以確定失效的原因，對于器件設計、制造工藝、試驗或應用的改進具有指導作用，采取相應的糾正措施消除失效模式或機理產(chǎn)生的原因，從而實現(xiàn)器件以及裝備整體可靠性的提高。
通過失效分析可以發(fā)現(xiàn)失效器件的固有質(zhì)量問題，也有可能發(fā)現(xiàn)元器件因不按規(guī)定條件使用而失效的使用質(zhì)量問題，通過向有關(guān)方面反饋，促使責任方采取糾正措施，以便消除所報告的失效模式或機理產(chǎn)生的原因，防止其再次出現(xiàn)，對提高元器件的固有質(zhì)量或使用質(zhì)量都起到十分重要的作用。
溫度導致失效：元件失效的重要因素之一就是環(huán)境溫度對元器件的影響。
溫度變化對半導體器件的影響：
由于P-N結(jié)的正向壓降受溫度的影響較大，所以用P-N為基本單元構(gòu)成的雙極型半導體邏輯元件(TTL、HTL等集成電路)的電壓傳輸特性和抗干擾度也與溫度有密切的關(guān)系。當溫度升高時，P-N結(jié)的正向壓降減小，其開門和關(guān)門電平都將減小，這就使得元件的低電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而變小;高電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而增大，造成輸出電平偏移、波形失真、穩(wěn)態(tài)失調(diào)，甚至熱擊穿。
構(gòu)成雙極型半導體器件的基本單元P-N結(jié)對溫度的變化很敏感，當P-N結(jié)反向偏置時，由少數(shù)載流子形成的反向漏電流受溫度的變化影響，其關(guān)系為：
式中：
ICQ：溫度T0C時的反向漏電流
ICQR：溫度TR℃時的反向漏電流
T-TR：溫度變化的絕對值
由上式可以看出，溫度每升高10℃，ICQ將增加一倍。這將造成晶體管放大器的工作點發(fā)生漂移、晶體管電流放大系數(shù)發(fā)生變化、特性曲線發(fā)生變化，動態(tài)范圍變小。
?溫度與允許功耗的關(guān)系如下：
式中：
PCM：最大允許功耗。
TjM：最高允許結(jié)溫。
T：使用環(huán)境溫度。
RT：熱阻。
由上式可以看出，溫度的升高將使晶體管的最大允許功耗下降。
溫度變化對電阻的影響：
對于電阻溫度變化的影響主要是在溫度升高的時候。溫度升高會引起例如，電阻的熱噪聲增加，阻值偏離標稱值，允許耗散概率下降等。打比方說，RXT系列的碳膜電阻在溫度升高到100℃時，允許的耗散概率僅為標稱值的20%。
電阻的這一特性并不是只有壞處，比如，經(jīng)過特殊設計的電阻：PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)和NTC(負溫度系數(shù)熱敏電阻)，它們的阻值受溫度的影響很大，可以作為傳感器。對于PTC，當其溫度升高到某一閾值時，其電阻值會急劇增大。利用這一特性，可將其用在電路板的過流保護電路中，當由于某種故障造成通過它的電流增加到其閾值電流后，PTC的溫度急劇升高，同時，其電阻值變大，限制通過它的電流，達到對電路的保護。而故障排除后，通過它的電流減小，PTC的溫度恢復正常，同時，其電阻值也恢復到其正常值。對于NTC，它的特點是其電阻值隨溫度的升高而減小。
溫度變化對電容的影響：
溫度變化將引起電容的到介質(zhì)損耗變化，從而影響其使用壽命。溫度每升高10℃時，電容器的壽命就降低50%，同時還引起阻容時間常數(shù)變化，甚至發(fā)生因介質(zhì)損耗過大而熱擊穿的情況。
濕度導致失效：元件失效的重要因素之一就是環(huán)境濕度對元器件的影響。
濕度過高，當含有酸堿性的灰塵落到電路板上時，將腐蝕元器件的焊點與接線處，造成焊點脫落，接頭斷裂。濕度過高也是引起漏電耦合的主要原因。而濕度過低又容易產(chǎn)生靜電，所以環(huán)境的濕度應控制在合理的水平。
過高電壓導致失效：元件失效的重要因素之一就是過高電壓對元器件的影響。
保證元器件正常工作的重要條件是施加在元器件上的電壓要保證穩(wěn)定性。過高的電壓輕則會造成元器件的熱損耗增加，重則會造成元器件的電擊穿。就拿電容器來說，其失效率正比于施加在電容兩端電壓的5次冪。對于集成電路來說，超過其最大允許電壓值的電壓將造成器件的直接損壞。
電壓擊穿是指電子器件都有能承受的最高耐壓值，超過該允許值，器件存在失效風險。主動元件和被動元件失效的表現(xiàn)形式稍有差別，但也都有電壓允許上限。晶體管元件都有耐壓值，超過耐壓值會對元件有損傷，比如超過二極管、電容等，電壓超過元件的耐壓值會導致它們擊穿，如果能量很大會導致熱擊穿，元件會報廢。
振動、沖擊導致失效：元件失效的重要因素之一就是振動、沖擊對元器件的影響。
機械振動與沖擊會使一些內(nèi)部有缺陷的元件加速失效，造成災難性故障，機械振動還會使焊點、壓線點發(fā)生松動，導致接觸不良;若振動導致導線不應有的接觸，會產(chǎn)生一些意象不到的后果。
可能引起的故障模式，及失效分析：
?電阻失效分析：
電阻器電位器失效機理視類型不同而不同。非線形電阻器和電位器主要失效模式為開路、阻值漂移、引線機械損傷和接觸損壞;線繞電阻器和電位器主要失效模式為開路、引線機械損傷和接觸損壞。主要有以下四類：
●碳膜電阻器。引線斷裂、基體缺陷、膜層均勻性差、膜層刻槽缺陷、膜材料與引線端接觸不良、膜與基體污染等。
●金屬膜電阻器。電阻膜不均勻、電阻膜破裂、引線不牢、電阻膜分解、銀遷移、電阻膜氧化物還原、靜電荷作用、引線斷裂、電暈放電等。
●線繞電阻器。接觸不良、電流腐蝕、引線不牢、線材絕緣不好、焊點熔解等。
●可變電阻器。接觸不良、焊接不良、接觸**破裂或引線脫落、雜質(zhì)污染、環(huán)氧膠不好、軸傾斜等。
電阻容易產(chǎn)生變質(zhì)和開路故障。電阻變質(zhì)后往往是阻值變大的漂移。電阻一般不進行修理，而直接更換新電阻。線繞電阻當電阻絲燒斷時，某些情況下可將燒斷處理重新焊接后使用。
電阻變質(zhì)多是由于散熱不良，過分潮濕或制造時產(chǎn)生缺陷等原因造成的，而燒壞則是因電路不正常，如短路、過載等原因所引起。電阻燒壞常見有兩種現(xiàn)象，一種是電流過大使電阻發(fā)熱引起電阻燒壞，此時電阻表面可見焦糊狀，很易發(fā)現(xiàn)。另一種情況是由于瞬間高壓加到電阻上引起電阻開路或阻值變大，這種情況，電阻表面一般沒有明顯改變，在高壓電路經(jīng)?？砂l(fā)現(xiàn)這種故障現(xiàn)象的電阻。
可變電阻器或電位器主要有線繞和非線繞兩種。它們共同的失效模式有：參數(shù)漂移、開路、短路、接觸不良、動噪聲大，機械損傷等。但是實際數(shù)據(jù)表明：實驗室試驗與現(xiàn)場使用之間主要的失效模式差異較大，實驗室故障以參數(shù)漂移居多，而現(xiàn)場以接觸不良、開路居多。
電位器接觸不良的故障，在現(xiàn)場使用中普遍存在。如在電信設備中達9 0 % ，在電視機中約占8 7 %，故接觸不良對電位器是致命的薄弱環(huán)節(jié)。造成接觸不良的主要原因如下：
●接觸壓力太小、**應力松弛、滑動接點偏離軌道或?qū)щ妼印C械裝配不當，又或很大的機械負荷(如碰撞、跌落等)導致接觸**變形等。
●導電層或接觸軌道因氧化、污染，而在接觸處形成各種不導電的膜層。
●導電層或電阻合金線磨損或燒毀，致使滑動點接觸不良。
電位器開路失效主要是由局部過熱或機械損傷造成的。例如，電位器的導電層或電阻合金線氧化、腐蝕、污染或者由于工藝不當(如繞線不均勻，導電膜層厚薄不均勻等)所引起的過負荷，產(chǎn)生局部過熱，使電位器燒壞而開路;滑動觸點表面不光滑，接觸壓力又過大，將使繞線嚴重磨損而斷開，導致開路;電位器選擇與使用不當，或電子設備的故障危及電位器，使其處于過負荷或在較大的負荷下工作。這些都將加速電位器的損傷。
?電容失效分析：
電容器常見的故障現(xiàn)象主要有擊穿、開路、電參數(shù)退化、電解液泄漏及機械損壞等。導致這些故障的主要原因如下：
●擊穿。介質(zhì)中存在疵點、缺陷、雜質(zhì)或?qū)щ婋x子;介質(zhì)材料的老化;電介質(zhì)的電化學擊穿;在高濕度或低氣壓環(huán)境下極間邊緣飛弧;在機械應力作用下電介質(zhì)瞬時短路;金屬離子遷移形成導電溝道或邊緣飛弧放電;介質(zhì)材料內(nèi)部氣隙擊穿造成介質(zhì)電擊穿;介質(zhì)在制造過程中機械損傷;介質(zhì)材料分子結(jié)構(gòu)的改變以及外加電壓高于額定值等。
●開路。擊穿引起電極和引線絕緣;電解電容器陽極引出箔被腐蝕斷(或機械折斷);引出線與電極接觸點氧化層而造成低電平開路;引出線與電極接觸不良或絕緣;電解電容器陽極引出金屬箔因腐蝕而導致開路;工作電解質(zhì)的干涸或凍結(jié);在機械應力作用下電解質(zhì)和電介質(zhì)之間的瞬時開路等。
●電參數(shù)退化。潮濕與電介質(zhì)老化與熱分解;電極材料的金屬離子遷移;殘余應力存在和變化;表面污染;材料的金屬化電極的自愈效應;工作電解質(zhì)的揮發(fā)和變稠;電極的電解腐蝕或化學腐蝕;引線和電極接觸電阻增加;雜質(zhì)和有害離子的影響。
由于實際電容器是在工作應力和環(huán)境應力的綜合作用下工作的，因而會產(chǎn)生一種或幾種失效模式和失效機理，還會有一種失效模式導致另外失效模式或失效機理的發(fā)生。例如，溫度應力既可以促使表面氧化、加快老化的影響程度、加速電參數(shù)退化，又會促使電場強度下降，加速介質(zhì)擊穿的早日到來，而且這些應力的影響程度還是時間的函數(shù)。因此，電容器的失效機理與產(chǎn)品的類型、材料的種類、結(jié)構(gòu)的差異、制造工藝及環(huán)境條件、工作應力等諸因素等有密切關(guān)系。
電容器出現(xiàn)擊穿故障非常容易發(fā)現(xiàn)，但對于有多個元件并聯(lián)的情況，要確定具體的故障元件卻較為困難。電容器開路故障的確定可通過將相同型號和容量的電容與被檢測電容并聯(lián)，觀察電路功能是否恢復來實現(xiàn)。電容電參數(shù)變化的檢查較為麻煩，一般可按照下面方法進行。
首先應將電容器的其中一條引線從電路板上燙下來，以避免周圍元件的影響。其次根據(jù)電容器的不同情況用不同的方法進行檢查。
●電解電容器的檢查。將萬用表置于電阻擋，量程視被測電解電容的容量及耐壓大小而定。測量容量小、耐壓高的電解電容，量程應位于R ×10kW 擋;測量容量大、耐壓低的電解電容，量程應位于R × 1 k W 擋。觀察充電電流的大小、放電時間長短(表針退回的速度)及表針最后指示的阻值。
電解電容器質(zhì)量好壞的鑒別方法如下：
①充電電流大，表針上升速度快，放電時間長，表針的退回速度慢，說明容量足。
②充電電流小，表針上升速度慢，放電時間短，表針的退回速度快，說明容量小、質(zhì)量差。
③充電電流為零，表針不動，說明電解電容器已經(jīng)失效。
④放電到最后，表針退回到終了時指示的阻值大，說明絕緣性能好，漏電小。
⑤放電到最后，表針退回到終了時指示的阻值小，說明絕緣性能差，漏電嚴重。
●容量為1mF 以上的一般電容器檢查。可用萬用表電阻擋(R × 1 0 k W)同極性多次測量法來檢查漏電程度及是否擊穿。將萬用表的兩根表筆與被測電容的兩根引線碰一下，觀察表針是否有輕微的擺動。對容量大的電容，表針擺動明顯;對容量小的電容，表針擺動不明顯。緊接著用表筆再次、三次、四次碰電容器的引線(表筆不對調(diào))，每碰一次都要觀察針是否有輕微的擺動。如從第二次起每碰一次表針都擺動一下，則說明此電容器有漏電。如接連幾次碰時表針均不動，則說明電容器是好的。如果第一次相碰時表針就擺到終點，則說明電容器已經(jīng)被擊穿。另外，對于容量為1mF~20mF的電容器，有的數(shù)字萬用表可以測量。
●容量為1 mF 以下的電容器檢查。可以使用數(shù)字萬用表的電容測量擋較為準確地測得電容器的實際數(shù)值。若沒有帶電容測量功能的數(shù)字萬用表，只能用歐姆擋檢查它是否擊穿短路。用好的相同容量的電容器與被懷疑的電容器并聯(lián)，檢查它是否開路。
●電容器參數(shù)的精確測量。單個電容器容量的精確測量可使用LCR 電橋，耐壓值的測量可采用晶體管特性測試儀。
?電感和變壓器類失效分析：
此類元件包括電感、變壓器、振蕩線圈、濾波線圈等。其故障多由于外界原因所引起的，例如，當負載短路時，由于流過線圈的電流超過額定值，變壓器溫度升高，造成線圈短路、斷路或絕緣擊穿。當通風不良、溫度過高或受潮時，亦會產(chǎn)生漏電或絕緣擊穿的現(xiàn)象。
對于變壓器的故障現(xiàn)象及原因，常見的有以下幾種：當變壓器接通電源后，若鐵心發(fā)出嗡嗡的響聲，則故障原因可能是鐵心未夾緊或變壓器負載過重;發(fā)熱高、冒煙、有焦味或保險絲燒斷，則可能是線圈短路或負載過重。
電感和變壓器類元件的故障檢查一般采用如下方法：
●直流電阻測量法。用萬用表的電阻擋測電感類的元件的好壞。測天線線圈、振蕩線圈時，量程應置于最小電阻擋(如R × 1 W 擋);測中周及輸出輸入變壓器時，量程應放在低阻擋(R × 10W或R × 1 0 0 W 擋)，測得的阻值與維修資料或日常積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)相對照，如果很接近則表示被測元件是正常的;如果阻值比經(jīng)驗數(shù)據(jù)小許多，表明線圈有局部短路;如果表針指示值為零，則說明線圈短路。應該注意的是，振蕩線圈、天線線圈及中周的次級電阻很小，只有零點幾歐姆，讀數(shù)時尤其要仔細，不要誤判斷為短路。用高阻擋(R ×10kW)測量初級線圈與次級線圈之間的電阻時，應該是無窮大。如果初級、次級之間有一定的電阻值，則表示初級、次級之間有漏電。
●通電檢查法。對電源變壓器可以通過通電檢查，看次級電壓是否下降，如果次級電壓則懷疑次級(或初級)有局部短路。當通電后出現(xiàn)變壓器迅速發(fā)燙或有燒焦味、冒煙等現(xiàn)象，則可判斷變壓器肯定有局部短路。
●儀器檢查法。可以使用高頻率Q 表來測量電感量及其Q 值，也可以用電感短路儀來判斷低頻率線圈的局部短路現(xiàn)象。用兆歐表則可以測量電源變壓器初、次級之間的絕緣電阻。若發(fā)現(xiàn)變壓器有漏電現(xiàn)象則可能是絕緣不良或受潮所引起的，此時可將變壓器拆下來去潮烘干。另外，調(diào)壓變壓器的各種碳刷或銅刷，在維護和所用不當?shù)那闆r下極容易磨損，其碎片和積炭往往因短路部分的線圈燒毀而燒毀變壓器，因此平時要注意維護。
