ic失效分析，半导体器件可靠性与失效分析

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2.4高频精密电容器的低电平失效机理

　　云母是一种较理想的电容器介质材料，具有很高的绝缘性能，耐高温，介质损耗小，厚度可薄达25微米。云母电容器的主要优点是损耗小，频率稳定性好、分布电感小、绝缘电阻大，特别适合在高频通信电路中用做精密电容器。但是，云母资源有限，难于推广使用。近数十年内，有机薄膜电容器获得迅速发展，其中聚苯乙烯薄膜电容器具有损耗小、绝缘电阻大、稳定性好、介质强度高等优点。精密聚苯乙烯电容器可代替云母电容器用于高频电路。需要说明的是：应用于高频电路中的精密聚苯乙烯电容器，一般采用金属箔极板，以提高绝缘电阻与降低损耗。

　　电容器的低电平失效是20世纪60年代以来出现的新问题。低电平失效是指电容器在低电压工作条件下出现的电容器开路或容量下降超差等失效现象。60年代以来半导体器件广泛应用，半导体电路电压比电子管电路低得多，使电容器的实际工作电压在某些电路中仅为几毫伏，引起电容器低电平失效，具体表现是电容器完全丧失电容量或部分丧失电容量。对于低电平冲击，使电容器的电容量恢复正常。

　　产生低电平失效的原因主要在于电容器引出线与电容器极板接触不良，接触电阻增大，造成电容器完全开路或电容量幅度下降。

　　精密聚苯乙烯薄膜电容器一般采用铝箔作为极板，铜引出线与铝箔极板点焊在一起。铝箔在空气中极易氧化；极板表面生成一层氧化铝半导体薄膜，在低电平条件下氧化膜层上的电压不足以把它击穿，因而铝箔间形成的间隙电容量的串联等效容量，间隙电容量愈小，串联等效容量也愈小。因此，低电平容量取决于极板表面氧化铝层的厚薄，氧化铝层愈厚，低电平条件下电容器的电容量愈小。此外，电容器在交流电路中工作时，其有效电容量会因接触电阻过大而下降，接触电阻很大时有效电容量可减小到开路的程度。即使极板一引线间不存在导电不良的间隔层，也会产生这种后果。

　　引起精密聚苯乙烯电容器低电平失效的具体因素归纳如下：

　　①引线表面氧化或沾层太薄，以致焊接不牢；

　　②引线与铝箔点焊接不良，没有消除铝箔表面点焊处的氧化铝膜层；

　　③单引线结构的焊点数过少，使出现低电平失效的概率增大；

　　④粗引线根部打扁部分接触面积虽然较大，但点焊后焊点处应力也较大，热处理或温循过程中，可能损伤接触部位，恶化接触情况；

　　⑤潮气进入电容器芯子，氧化腐蚀焊点，使接触电阻增大。

　　引起云母电容器低电平失效的具体因素归纳如下：

　　①银电极和引出铜箔之间以及铜箔和引线卡之间存在一层很薄的地腊薄膜。低电平条件下，外加电压不足以击穿这层绝缘膜，产生间隙电容，并使接触电阻增大；

　　②银电极和铜箔受到有害气体侵蚀，使接触电阻增大。在潮湿的硫气环境中银和铜容易硫化，使极板与引线间的接触电阻上升。

　　2.5金属化纸介电容失效机理

　　金属化纸介电容器的极板是真空蒸发在电容器纸表面的金属膜

　　A、电参数恶化失效

　　“自愈”是金属化电容器的一个独特优点，但自愈过程颇为复杂，自愈虽能避免电容器立即因介质短路而击穿，但自愈部位肯定会出现金属微粒迁移与介质材料受热裂解的现象。电容器纸由纤维组成，纤维素是碳水化合物类的高分子物质。在高温下电容器纤维素解成游离状态的碳原子或碳离子，使自愈部位表面导电能力增加，导致电容器电阻下降、损耗增大与电容减小。严重时可使电容器因电参数恶化程度超过技术条件许可范围而失效。

　　金属化纸介电容器在低于额定工作电压的条件下工作时，自愈能量不足，电容器纸中存在的导电杂质在电场作用于下形成低阻通路，也可导致电容器绝缘电阻降低和损耗增大。

　　电容器纸是多孔性的极性有机介质材料，极易吸收潮气。电容器芯子虽浸渍处理，但如果工艺不当或浸渍不纯，或在电场作用下工作相当时间后产生浸渍老化现象，则电容器的绝缘电阻将因此降低，损耗也将因此增大。

　　电容量超差失效产金属化纸介电容器的一种失效形式。在高温条件下储存时金属化纸介电容器可能因电容量增加过多而失效，在高温条件下加电压工作时又可能因电容量减少过多而失效。高温储存时半密封型金属化纸介电容器免不了吸潮，水是强极性物质，其介电常数接近浸渍电容器介电常数的20倍。因此，少量潮气侵入电容器芯子，也会引起电容量显著增大。烘烤去湿后电容呈会有所下降。如果电容器在高温环境中工作，则水分和电场的共同作用会使金属膜电极产生电解性腐蚀，使极板有效面积减小与极板电阻增大，导致电容量大幅度下降。如果引线与金属膜层接触部位产生腐蚀，则接触电阻增大，电容器的有效电容量将更进一步减小。个别电容器的电容量可降到接近于开路的程度。

　　B、引线断裂失效

　　金属化纸介电容器在高湿环境中工作时，电容器正端引线根部会遭到严重腐蚀，这种电解性腐蚀导致引线机械强度降低，严重时可造成引线断裂失效。