晶體管器件失效的原因與老化篩選

電子設(shè)備及儀器使用的電子元器件,一般需要在長時間連續(xù)通電的情況下工作,并且受到環(huán)境條件(溫度和濕度等)的變化和各種其它因素的影響,（如是在煤礦井下惡劣的條件下工作）因此要求它必須具有高的可靠性和穩(wěn)定性。 保證電子器件的質(zhì)量和焊接質(zhì)量,是整機(jī)生產(chǎn)中的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了保證整機(jī)使用的電子器件的質(zhì)量,必須在裝配前對它們進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗和老化篩選。一般電子器件在出廠前已進(jìn)行,叫做”出廠老化”。但由于每個使用行業(yè)的特殊要求,像軍工和煤礦這樣的企業(yè),所以在使用前必須對器件進(jìn)行進(jìn)一步的老化篩選。

1、元器件失效的普遍規(guī)律和相應(yīng)對策

元器件的可靠性是指元器件在規(guī)定的時間內(nèi)(通常稱為保險期)，規(guī)定的條件下，完成規(guī)定的功能（或任務(wù)）能力。它是產(chǎn)品本身壽命和使用時產(chǎn)品質(zhì)量的綜合體現(xiàn)。通常用失效率來定量的描述器件的可靠水平。失效率等于單位時間內(nèi)產(chǎn)品的失效數(shù)和運(yùn)用產(chǎn)品總數(shù)之比：

                  失效數(shù)

失效率=   ——————————

              運(yùn)用總數(shù)×運(yùn)用時間

失效率越低，說明元器件可靠性越高。

需要指出的是，元器件的電參數(shù)指標(biāo)和性能穩(wěn)定之間并沒有直接的聯(lián)系。電參數(shù)指標(biāo)好的器件，可靠性不一定高；相反，電參數(shù)差的元器件，可靠性不一定低。元器件的電參數(shù)可以通過儀器儀表立即測量出來，但是元器件的可靠性和穩(wěn)定性必須通過各種可靠性試驗，或者大量的（或長時間）使用后才能判斷。

大量同類元器件的失效可以分成三個階段：

 1）早期失效期

新制造的電子器件，剛投入使用一段時間叫做早期失效。早期失效的特點是失效率高，但隨著工作時間的增加而迅速降低。這一段的失效原因有的是制造器件的原材料的缺陷造成；有的是元器件的生產(chǎn)過程中工藝措施不當(dāng)造成的。

總的來說，早期失效是元器件本身設(shè)計和制造的缺陷而隱藏在內(nèi)部的一種潛在故障。在使用中會繼續(xù)惡化，故障暴露出來而造成的失效。所以元器件的早期失效對使用者來說是十分有害的。在整機(jī)生產(chǎn)的工藝過程中，元器的老化篩選的主要目就是加速早期失效，使整機(jī)出廠前就進(jìn)入到正常的使用階段，篩選掉早期失效的元器件，保證整機(jī)的可靠工作。

 2）偶然失效期

電子元器件在早期失效器后，就進(jìn)入到偶然失效期。這一階段的特點是失效率低而穩(wěn)定，而表現(xiàn)的是偶然性質(zhì)。這是元器件最好的工作階段。因為這一段使用時間長，所以也叫使用壽命期。一個好的集成電路，其偶然失效可達(dá)百萬小時以上。

在此期間的失效原因，可以看成是在某一時刻元器件所積累的應(yīng)力（指對器件的功能有影響的各種因素，如溫度，電壓，電流和機(jī)械應(yīng)力等）超過元器件對抗這些應(yīng)力的強(qiáng)度。一般有下列三種情況：遭受突然的機(jī)械沖擊或熱沖擊引起引線斷脫等；因為大電流引起的結(jié)的損壞；環(huán)境變化超過了適用范圍，使元器件特性變化過大而不能工作，甚至失效。

對于上述情況，應(yīng)從最壞的情況出發(fā)，考慮到元器件參數(shù)的可能變化的范圍進(jìn)行電路設(shè)計，并考慮一些具體措施，如散熱通風(fēng)措施和防電磁干擾措施等，以避免環(huán)境變化超過適用范圍。

3）損耗失效期

元器件經(jīng)過正常使用其后，由于老化，損耗，磨損和疲勞等原因，失效率隨著工作時間的增加而上升，這一階段叫做損耗失效期，又叫晚期失效期。

損耗失效主要是由于材料的化學(xué)和物理變化引起的，如管子內(nèi)部引線鍵合點表面長期氧化而表面氧化使電阻增大，導(dǎo)致熱量過大而使鍵合點開路；又如表面化學(xué)反應(yīng)，改變電子空穴的分布，產(chǎn)生反型層，形成導(dǎo)電溝道，使反向電流增大，參數(shù)變壞而使器件失效等。損耗失效是正常的自然規(guī)律，表明元器件已到額定使用期，對此采取的措施是定期更換。

2、老化篩選的作用和內(nèi)容

老化篩選的作用就是在于外加應(yīng)力,將早期失效的元器件的潛在故障加速暴露,并及時篩除掉,以保證正常使用的電子元器件有較高的可靠性。外加應(yīng)力可以是熱的,電的,機(jī)械的,或者多種應(yīng)力的綜合。外加應(yīng)力不可太小，否則達(dá)不到篩選效果；但也不能太大，否則引入新的失效原因。目前廣泛采篩選項目有：高溫存儲，高低溫沖擊，高溫功率老化，機(jī)械震動，離心加速度，撿漏，濕熱等等。對于使用企業(yè)的篩選，即使用篩選，不一定要全面的進(jìn)行。實踐證明，以下幾種試驗項目能有效的發(fā)現(xiàn)早期失效的器件，故比較常用。優(yōu)其是高溫功率老化試驗使用的最為普遍。

1）高溫存儲

這是一種以熱負(fù)載作為為應(yīng)力的壽命試驗。它是在不同點的情況下，把元器件存放在高溫環(huán)境中一定時間的老化篩選。高溫對電子元件的影響，主要是電參數(shù)的變化、散熱困難、軟化、熔化、熱老化、化學(xué)分解和尺寸的變化等。高溫存儲的目的就是考核高溫對電子元件的影響，確定電子元件在高溫條件下工作和存儲的適應(yīng)性。

元器件放在倉庫中不用，半年或一年拿出來復(fù)測，其參數(shù)也會變化。原因是元器件雖然不工作，但內(nèi)部也會產(chǎn)生化學(xué)變化，高溫存儲就是要這樣的過程加快。高溫存儲的具體可以有以下幾種作用：加速晶片表面化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；加速正離子運(yùn)動過程，穩(wěn)定參數(shù)；加速內(nèi)引線壓焊點虛焊的氧化過程等。

有人做過試驗證明：在＋175℃溫度存放一小時的過程，相當(dāng)于在室溫（＋25℃）下存放1000小時。一般的講，溫度越高，時間越長，效果越好;但也不宜過高、過長，否則元器件引線鍍層也會氧化、變色，不易上錫造成虛焊。一般，高溫存放的溫度在120℃－300℃之間，存放時間可以從幾十小時到幾百小時。試驗時，視對元器件可靠性的要求而定。

2）高、低溫沖擊

這種方法是在不通電的情況下，把元件進(jìn)行低溫、高溫的交替存放，以檢驗元器件承受由低溫到高溫或由高溫到低溫這樣一個突變（熱脹冷縮的應(yīng)力）的能力。它可以檢驗元器件中不同結(jié)構(gòu)材料之間熱膨脹和冷收縮性能是否匹配。例如可以發(fā)現(xiàn)如下幾種潛在故障：晶片有裂紋、密封不好和內(nèi)部引線壓焊質(zhì)量不好等。

試驗的嚴(yán)格程度，取決于所用選用的高溫和低溫、高低溫下暴露時間的長短和循環(huán)次數(shù)等因數(shù)。實例：把元器件在＋125℃和－55℃的箱子里交替存放半小時，循環(huán)5次。轉(zhuǎn)換過程越快越好，最多不超過一分鐘。一般來說，經(jīng)過3、5次循環(huán)沖擊，足以暴露早期失效的元件，而無損于完好的元器件。循環(huán)次數(shù)不要過多，以免損壞好的元器件。

3）高溫功率老化

高溫功率老化是是使元器件通電，模擬元器件在實際電路中的工作條件，再加上高溫（溫度在＋80℃－＋180℃之間）進(jìn)行老化。這是一種很有效的篩選方法，它對于表面沾污、引線焊接不良、漏電、晶片裂紋、氧化層缺陷、存在著局部發(fā)熱點等元器件，都有篩選效果。

3、老化篩條件和方法

功率老化篩條件和方法，使用企業(yè)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),推薦幾個方法：

1）二極管可在:+100℃、 -30℃各儲藏24小時。

其阻值和常溫相差大于±30％篩去不用　　

 2）三極管

高溫儲存

硅管：   ＋125℃，存放24小時。

鍺管：   ＋70℃，存放24小時。

低溫儲存：

硅、管：   －40℃～-45℃, 存放24小時。

高低溫沖擊：

硅管：   ＋125℃～－45℃；

鍺管：   ＋70℃～－45℃；

高低溫各存放半小時，循環(huán)三次，交替時間小于一分鐘。

常溫功率老化： 滿功率通電8小時。

3）數(shù)字集成電路

直流和動態(tài)參數(shù)初測。

高溫儲存： ＋125℃，存放72小時。

高低溫沖擊：  ＋125℃――45℃   各存放半小時，  循環(huán)5次，交替時間不小于1分鐘。

高溫功率老化： 通電帶滿負(fù)荷，老化溫度＋85℃，老化時間 72小時。

高溫動態(tài)電參數(shù)測試：電路不通電，在85℃穩(wěn)定后進(jìn)行動態(tài)參數(shù)復(fù)測，平均延遲時間變化不得超過20％。

靜態(tài)參數(shù)復(fù)測。

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