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EOS失效特征與案例,如何通過“EOS”的現象進行失效分析
在現(xian)代電子設備中,元(yuan)器件的(de)可靠性(xing)是系統穩定(ding)運行的(de)基石。然而(er),在實(shi)際應用中,我們常常會遇到各種各樣的(de)器件失(shi)效(xiao)問(wen)題。其中,過電應力(Electrical Over Stress, EOS)導(dao)致的(de)失(shi)效(xiao)占比超過80%以上(shang),而(er)器件本(ben)身(shen)質量原(yuan)因(yin)導(dao)致的(de)失(shi)效(xiao)案例(li)形貌上(shang)通常與“EOS”形貌類似(si),故因(yin)器件本(ben)身(shen)質量原(yuan)因(yin)導(dao)致的(de)失(shi)效(xiao)很多時候常常被誤判或忽視。
本文(wen)將簡單學(xue)習(xi)EOS的失(shi)效(xiao)(xiao)機理、典型(xing)特(te)征、與靜電放(fang)電(ESD)的異同(tong),然(ran)后結(jie)合兩個功率器(qi)件失(shi)效(xiao)(xiao)實際案例,簡述如何通(tong)過“EOS”的現象找(zhao)到失(shi)效(xiao)(xiao)根因(yin)。
一、何為(wei)過電(dian)應力(EOS)?
EOS是指(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子元器件在承受超(chao)出其(qi)設計最(zui)大(da)額(e)定值的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流或功率時(shi)(shi),由于過熱效(xiao)應導致(zhi)的損壞或性能(neng)退化(hua)。與瞬態的靜電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian) (ESD)不同(tong),EOS事件通常持續(xu)時(shi)(shi)間較(jiao)長(從幾(ji)微秒到幾(ji)秒,甚至(zhi)更長),能(neng)量較(jiao)高(gao),其(qi)核心破壞形式是熱損傷。當(dang)器件內部的局(ju)部區 域因過大(da)的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)輸(shu)入而產生過多的熱量,導致(zhi)溫度急劇(ju)升高(gao),超(chao)過材料的熔點或分解溫度時(shi)(shi),就會發生EOS失效(xiao)。
二(er)、EOS與ESD:同(tong)為“電”傷,卻大相(xiang)徑(jing)庭
在(zai)失效分析領(ling)域,EOS常常與靜電放電(ESD)混淆,因為兩者都涉及(ji)電應(ying)力導致的器件損傷。然(ran)而,它(ta)們(men)在(zai)產生機理(li)、持續時間(jian)、能量(liang)特征以及(ji)失效形貌(mao)上存在(zai)顯著差異(yi),準(zhun)確區分對失效根因的判(pan)斷至(zhi)關(guan)重要(yao)。
特征維度
過電應力(EOS)
靜電放電(ESD)
持續時間
微秒到秒級(長)
納秒級(短)
能量特征
能(neng)量(liang)高,足(zu)以(yi)引起(qi)宏觀熱損傷
能量相對低,引(yin)起局部微(wei)觀損傷
失效機理
熱(re)效(xiao)應為主,溫(wen)度升(sheng)高導致材料熔融、碳化、結構破壞
高電場擊(ji)穿為(wei)主,導(dao)致介(jie)質損傷、PN結(jie)漏電、金屬熔融
典型形貌
明顯的(de)燒(shao)毀、碳化(hua)、熔(rong)融痕跡,損傷(shang)面積(ji)大,常(chang)伴有(you)裂(lie)紋、鼓包(bao)、鍵(jian)合絲 熔(rong)斷
針孔、漏電、短路、柵氧化層擊穿、金屬熔融(rong)點,損傷隱蔽,需顯微鏡觀察
典型發生場景
電源瞬態過(guo)沖(chong)、負載短路、電路設計缺陷、熱插拔、測試誤操(cao)作、外(wai)部環 境干擾(如雷擊)
器件操作、運(yun)輸、封裝、人體或設(she)備帶電接觸
典型形貌
EOS失效(xiao)特征與案例,如何通過“EOS”的現象進行失效(xiao)分析
EOS失效特征(zheng)與案例,如何通過“EOS”的現象進行(xing)失效分析
核心區(qu)別在(zai)于(yu)能(neng)量和持續(xu)時間(jian)(jian)(jian)。 EOS是“大火(huo)慢(man)燉”,長時間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)高能(neng)量輸入導致(zhi)器(qi)件(jian)整(zheng)體或局部過(guo)熱燒毀;而ESD則是“瞬間(jian)(jian)(jian)閃電”,極短時間(jian)(jian)(jian)內(nei)的(de)(de)(de)極高電壓沖擊導致(zhi)器(qi)件(jian)內(nei)部的(de)(de)(de)微觀(guan)(guan)(guan)結構被瞬間(jian)(jian)(jian)擊穿(chuan)。因此,在(zai)失效分析中,通過(guo)觀(guan)(guan)(guan)察失效形貌的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)(guan)(guan)與微觀(guan)(guan)(guan)特(te)征,結合失效發生時的(de)(de)(de)電學環(huan)境,是區(qu)分兩(liang)者的(de)(de)(de)關鍵。
需要注意的(de)(de)是,通(tong)常器件發生ESD損(sun)傷(shang)后(hou)可(ke)能會(hui)經受二次(ci)損(sun)傷(shang),表現為EOS形(xing)貌,如(ru)下(xia)圖ESD管腳失效導(dao)致(zhi)燒毀的(de)(de)形(xing)貌,可(ke)能是先發生ESD損(sun)傷(shang),然后(hou)上電導(dao)致(zhi)有二次(ci)損(sun)傷(shang)形(xing)成EOS的(de)(de)形(xing)貌。
EOS失(shi)(shi)效特征與案例,如何通過“EOS”的現象進行失(shi)(shi)效分析
三、EOS形(xing)貌但(dan)根因為器件(jian)缺(que)陷失(shi)效案例深度剖析(xi):哪有那么多EOS
在失效分析實踐中,最棘(ji)手的(de)情況莫(mo)過于器(qi)件(jian)(jian)失效的(de)形貌(mao)(mao)呈(cheng)現出典型的(de)EOS特(te)征(如燒毀、碳(tan)化),但其根本原(yuan)因并非外部過電(dian)應力,而是器(qi)件(jian)(jian)本身的(de)內在缺陷。這種“形貌(mao)(mao)EOS,根因器(qi)件(jian)(jian)缺陷”的(de)失效,極易導(dao)致誤判,延誤問題解決。以(yi)下將結合(he)兩(liang)個具(ju)體(ti)案例,講講為什么說(shuo)“哪有那么多EOS”。
案(an)例一:整流橋擊穿失效,根因為引(yin)腳成型時應力過大
某電視廠的(de)電源的(de)整流橋(qiao)在使用一段時間(jian)后出(chu)現短(duan)路失(shi)效。初步(bu)外觀檢查發現失(shi)效的(de)整流橋(qiao)封裝存在缺損。
EOS失效特征(zheng)與案例,如何通過“EOS”的(de)現象進行失效分(fen)析
解剖后(hou)在顯微鏡(jing)下觀察到(dao)二極(ji)管芯片正反面(mian)有明顯的擊穿(chuan)燒毀痕跡,形貌上與EOS損傷非常相似。
EOS失(shi)效(xiao)特征(zheng)與案例,如(ru)何通過(guo)“EOS”的(de)現(xian)象進行失(shi)效(xiao)分析
然而,該電(dian)(dian)源(yuan)在(zai)(zai)正常工作條件下(xia),二(er)極管承(cheng)受的電(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)流均在(zai)(zai)額定范圍內,并未發生明顯的外(wai)部過(guo)(guo)電(dian)(dian)應力事(shi)件。 經(jing)過(guo)(guo)故(gu)障數據分析,發現(xian)故(gu)障的整流橋有批次特(te)性,且(qie)結(jie)合多年經(jing)驗此類(lei)失(shi)效(xiao)通常是芯片因機械應力產(chan)生微裂紋(wen)導致器件耐壓下(xia)降,在(zai)(zai)正常電(dian)(dian)壓條件下(xia)發生“EOS”失(shi)效(xiao)。
使用(yong)同(tong)批(pi)次庫存良品進行回流焊(han)后復測(ce)參數,確認存在漏電(dian)增大以及VBR下降的(de)情況,經供應(ying)商(shang)系統排(pai)除,故障(zhang)根因(yin)為器件引腳成(cheng)(cheng)型時因(yin)器件位置(zhi)偏移使成(cheng)(cheng)型應(ying)力(li)過(guo)大導致芯片(pian)鈍(dun)化層產(chan)生微(wei)裂紋缺陷。
案例二:二極管擊穿,根因為封裝設(she)計不足和制(zhi)程管控不當
另(ling)一個(ge)二(er)極管(guan)失(shi)(shi)效(xiao)案(an)例是(shi)某保(bao)護(hu)電路中(zhong)的TVS二(er)極管(guan)出現(xian)(xian)反向擊穿失(shi)(shi)效(xiao)。失(shi)(shi)效(xiao)二(er)極管(guan)同樣表現(xian)(xian)出芯片錫膏邊緣有正反擊穿燒毀(hui)的形貌。同樣,電路工(gong)作環(huan)境穩定,無明顯(xian)外部過電應力;同時器件(jian)批次有集中(zhong)性(xing)。
EOS失效(xiao)特征(zheng)與案例,如(ru)何(he)通過“EOS”的現象進(jin)行(xing)失效(xiao)分析
經分(fen)析調(diao)查,導致(zhi)器件失(shi)效的直接原因是供應商設計變更(geng)Clip凸(tu)臺增(zeng)大疊(die)加錫膏涂覆厚度偏上限導致(zhi)焊接應力過(guo)大損傷了芯片的鈍化(hua)層(ceng)。
EOS失效特征(zheng)與案例,如(ru)何通過“EOS”的(de)現象進(jin)行失效分(fen)析
故障流(liu)出(chu)原因是二極管廠商FT測試管控(kong)方案(an)不足,導致存在缺陷(xian)的(de)樣品流(liu)出(chu)。雖然這些樣品是滿足規(gui)格書指標要求,但已經存在微(wei)缺陷(xian),經過貼(tie)片回流(liu)焊后缺陷(xian)會被激(ji)發,因此表現為產品出(chu)廠后短時間內就失(shi)效(xiao)。
EOS失效(xiao)(xiao)特征與(yu)案例,如何通過(guo)“EOS”的現象進行失效(xiao)(xiao)分析
四、如何(he)區分EOS與器件本身缺陷(xian)導致的失效?
上述案例(li)凸(tu)顯(xian)了區(qu)分(fen)(fen)EOS與器件本身缺陷的復雜(za)性。雖然兩者都(dou)可能(neng)導致器件燒毀,但(dan)其根本原因和(he)預防(fang)措施截然不同。以下是(shi)一些關鍵的區(qu)分(fen)(fen)思(si)路和(he)方(fang)法:
1、失效(xiao)的批(pi)次(ci)性與偶發性
器(qi)件(jian)缺(que)陷(xian): 通常具有(you)一(yi)(yi)定的(de)批次性。如(ru)果同一(yi)(yi)批次、同一(yi)(yi)型(xing)號的(de)器(qi)件(jian)在類似應用中頻繁出(chu)現失效(xiao),應高度(du)懷疑(yi)器(qi)件(jian)本身的(de)質量問題。缺(que)陷(xian)可能在制(zhi)造過程中引入,如(ru)晶體(ti)缺(que)陷(xian)、摻雜不均、封裝應力(li)等(deng)。
EOS: 往往是偶發性的,與特定的外部事件(jian)(如電(dian)源波動、操(cao)作失誤、環(huan)境(jing)干擾)緊密(mi)相關。如果(guo)失效是孤立的,且(qie)能追溯到某個異常(chang)的電(dian)應力事件(jian),則EOS的可能性較大(da)。
2、失效場景(jing)與歷史(shi)數據
詳細(xi)記(ji)錄: 收集失效(xiao)(xiao)器件的完整使用歷史、工(gong)作環境參數、電源波動記(ji)錄、操作日志等。如果數據表明器件在失效(xiao)(xiao)前曾經(jing)歷過超(chao)出額(e)定值的電壓、電流或(huo)功率,則傾向(xiang)于EOS。
正常工(gong)作條件(jian)(jian)下(xia)的失效: 如果(guo)器件(jian)(jian)在完全正常的、符合(he)規格的工(gong)作條件(jian)(jian)下(xia)失效,且(qie)無(wu)任(ren)何(he)外部異常事件(jian)(jian),則器件(jian)(jian)本身(shen)缺陷的可能性(xing)大(da)大(da)增加。
3、損傷形貌的微觀細節(jie)
EOS: 宏(hong)觀(guan)上(shang)表(biao)現為大面積的熔融(rong)、碳化(hua)、鍵(jian)合(he)絲(si)熔斷等,損(sun)(sun)傷(shang)區(qu)(qu)域(yu)往往與電流路徑或熱(re)(re)點區(qu)(qu)域(yu)一致。微(wei)觀(guan)上(shang),損(sun)(sun)傷(shang)通常是熱(re)(re)效應(ying)導致的材(cai)料結(jie)構破壞,如金(jin)屬顆(ke)粒(li)的再結(jie)晶、硅的非(fei)晶化(hua)等。
器件缺陷: 燒(shao)毀形貌(mao)可能更局限(xian)于缺陷本(ben)身(shen),例如,一個微小(xiao)的(de)缺陷可能導致(zhi)局部過熱,但整(zheng)體燒(shao)毀面積(ji)可能相(xiang)對較小(xiao)。
本文由廣州佳(jia)譽醫療器械有限(xian)公司/佛山(shan)浩揚醫療器械有限(xian)公司聯合(he)編輯