电路可靠性设计:电子元器件失效的常规分类、(2)
图2-15中可见,失效的二极管击穿部位发生在台面结处,这是电压击穿的明显特征,符合台面保护结构退化机理的失效特征。
从本案例可见,一方面,元器件的极限应力水平在退化,另方面,外部应力存在异常波动。因此,在设计上应充分考虑外部应力的异常情况,在选用元器件上,应考虑元器件极限应力的一致性,以防极限应力分布异常带来的“时段性”失效;另外,应评价元器件极限应力的退化,优选稳定的产品。
案例4:临界极限应力的失效
元器件的“寿命相关极限应力”(如最大工作电流、功率等)是一种极限应力,但这种应力没有明显的应力失效点,而往往于产品寿命相关,使用应力在产品的应力范围内,则产品的寿命指标是有效的,超出产品的应力指标,则使用寿命将明显缩短。
在民用产品中,由于造价的问题,临界的使用、甚至超额使用是常有的事,严重的时候,在整机工艺过程中就已经有失效的表现,有的则在产品使用一段时间后才陆续出现失效,视应力超额程度以及不同应力之间的相互影响有关。
某公司生产的电磁炉在某时间段生产的电磁炉维修率异常波动,失效率是以往产品的2~3倍,而失效率增大的贡献均为IGBT(双极型场效应管一电磁炉的功率管)引起的失效。
经分析发现,失效的IGBT芯片上的失效表现非常一致,均呈现过电流、过功率、或过功率的失效特征,见图2-17。
经过强电流、功率、和高温应力的模拟试验,可试验失效的IGBT芯片的失效特征。可见,强电流模拟试验的结果与使用失效的失效特征一致,说明本次使用使用的IGBT的失效属于过电流失效。
大失效率时段和以前使用的IGBT均为PHLIP公司的产品,但高失效时段的IGBT是新型号产品,是原来型号的升级产品,对比升级前后的IGBT的产品规范,发现失效时段使用的IGBT的功能指标不仅没有下降,反而,失效时段的IGBT的功率指标从原来的175W提高到330W。从参数指标来说,新型号产品在相同的电路上使用,其可靠性应该更高,但实际使用新型号的失效率显著增大。
通过新、老型号产品的解剖分析可见,老型号的IGBT中,反向释放二极管是独立芯片,而新型号IGBT释放二极管将释放二:极管集成到一一个芯片中,但新型号的IGBT的芯片面积并没有增大,与老型号的IGBT的芯片面积一样,见2-19,因此,从电流能力来说,新型号IGBT芯片小于老型号IGBT的芯片。
所以,新型号的IGBT更容易出现过电流烧毁的问题。
在实际改进中,或采用更大电流能力的IGBT,或适当降低电磁炉的功率,即降低电磁炉的电流。
本案例可见,在选用新型号元器件的时候,不仅要关注产品的指标规范,还要关注两方面的问题,第一、新型号元器件那些指标参数有改变,这些改变的参数对整机产品的潜在影响;第二、还要关注产品内部结构是否也发生改变。通常情况下,新型号或同型号的产品在设计、内部结构、材料、以及工艺发生改变,其产品的规范上不提供相应改变的内容。但一旦内部结构发生改变,可能引起某些参数的实质性下降,但没有超出原来产品规范的规定。因此,新型号产品分析其内部的变化,这些变化对产品性能可能产生什么影响,尤其是对诸如最大电流、最大功率之类的“寿命相关极限应力”指标的影响,因为此类指标不是应力超过指标就烧毁,而是应力越强,产品寿命越短。如果产品在使用中已经临界甚至超指标使用,一旦新型号产品内部结构改变对这些指标有负面影响,显然,产品的失效率将显著增大。
另外,电路元器件失效还有跟整机装配工艺,比如:再流焊热变、室温过高、塑料封装IC、外部装配等引起机械应力影响有关,以及元器件固有机理有关,比如:如集成电路金属化铝条电迁移失效,静电放电损伤失效, CMOS集成电路的闩锁效应失效,多层陶瓷电容器低电压失效,银电极的银迁移失效等等。
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文章来源:《电子元件与材料》 网址: http://www.dzyjyclzz.cn/zonghexinwen/2020/1103/334.html
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