在現代電子設備中，元器件的可靠性是系統穩(wěn)定運行的基石。然而，在實際應用中，我們常常會遇到各種各樣的器件失效問題。其中，過電應力（Electrical Over Stress, EOS）導致的失效占比超過80%以上，而器件本身質量原因導致的失效案例形貌上通常與“EOS”形貌類似，故因器件本身質量原因導致的失效很多時候常常被誤判或忽視。

本文將簡單學習EOS的失效機理、典型特征、與靜電放電（ESD）的異同，然后結合兩個功率器件失效實際案例，簡述如何通過“EOS”的現象找到失效根因。

一、何為過電應力（EOS）？

EOS是指電子元器件在承受超出其設計最大額定值的電壓、電流或功率時，由于過熱效應導致的損壞或性能退化。與瞬態(tài)的靜電放電 （ESD）不同，EOS事件通常持續(xù)時間較長（從幾微秒到幾秒，甚至更長），能量較高，其核心破壞形式是熱損傷。當器件內部的局部區(qū) 域因過大的電能輸入而產生過多的熱量，導致溫度急劇升高，超過材料的熔點或分解溫度時，就會發(fā)生EOS失效。

二、EOS與ESD：同為“電”傷，卻大相徑庭

在失效分析領域，EOS常常與靜電放電（ESD）混淆，因為兩者都涉及電應力導致的器件損傷。然而，它們在產生機理、持續(xù)時間、能量特征以及失效形貌上存在顯著差異，準確區(qū)分對失效根因的判斷至關重要。

特征維度	過電應力（EOS）	靜電放電（ESD）
持續(xù)時間	微秒到秒級（長）	納秒級（短）
能量特征	能量高，足以引起宏觀熱損傷	能量相對低，引起局部微觀損傷
失效機理	熱效應為主，溫度升高導致材料熔融、碳化、結構破壞	高電場擊穿為主，導致介質損傷、PN結漏電、金屬熔融
典型形貌	明顯的燒毀、碳化、熔融痕跡，損傷面積大，常伴有裂紋、鼓包、鍵合絲 熔斷	針孔、漏電、短路、柵氧化層擊穿、金屬熔融點，損傷隱蔽，需顯微鏡觀察
典型發(fā)生場景	電源瞬態(tài)過沖、負載短路、電路設計缺陷、熱插拔、測試誤操作、外部環(huán) 境干擾（如雷擊）	器件操作、運輸、封裝、人體或設備帶電接觸
典型形貌

核心區(qū)別在于能量和持續(xù)時間。 EOS是“大火慢燉”，長時間的高能量輸入導致器件整體或局部過熱燒毀；而ESD則是“瞬間閃電”，極短時間內的極高電壓沖擊導致器件內部的微觀結構被瞬間擊穿。因此，在失效分析中，通過觀察失效形貌的宏觀與微觀特征，結合失效發(fā)生時的電學環(huán)境，是區(qū)分兩者的關鍵。

需要注意的是，通常器件發(fā)生ESD損傷后可能會經受二次損傷，表現為EOS形貌，如下圖ESD管腳失效導致燒毀的形貌，可能是先發(fā)生ESD損傷，然后上電導致有二次損傷形成EOS的形貌。

三、EOS形貌但根因為器件缺陷失效案例深度剖析：哪有那么多EOS

在失效分析實踐中，最棘手的情況莫過于器件失效的形貌呈現出典型的EOS特征（如燒毀、碳化），但其根本原因并非外部過電應力，而是器件本身的內在缺陷。這種“形貌EOS，根因器件缺陷”的失效，極易導致誤判，延誤問題解決。以下將結合兩個具體案例，講講為什么說“哪有那么多EOS”。

案例一：整流橋擊穿失效，根因為引腳成型時應力過大

某電視廠的電源的整流橋在使用一段時間后出現短路失效。初步外觀檢查發(fā)現失效的整流橋封裝存在缺損。

解剖后在顯微鏡下觀察到二極管芯片正反面有明顯的擊穿燒毀痕跡，形貌上與EOS損傷非常相似。

然而，該電源在正常工作條件下，二極管承受的電壓和電流均在額定范圍內，并未發(fā)生明顯的外部過電應力事件。 經過故障數據分析，發(fā)現故障的整流橋有批次特性，且結合多年經驗此類失效通常是芯片因機械應力產生微裂紋導致器件耐壓下降，在正常電壓條件下發(fā)生“EOS”失效。

使用同批次庫存良品進行回流焊后復測參數，確認存在漏電增大以及VBR下降的情況，經供應商系統排除，故障根因為器件引腳成型時因器件位置偏移使成型應力過大導致芯片鈍化層產生微裂紋缺陷。

案例二：二極管擊穿，根因為封裝設計不足和制程管控不當

另一個二極管失效案例是某保護電路中的TVS二極管出現反向擊穿失效。失效二極管同樣表現出芯片錫膏邊緣有正反擊穿燒毀的形貌。同樣，電路工作環(huán)境穩(wěn)定，無明顯外部過電應力；同時器件批次有集中性。

經分析調查，導致器件失效的直接原因是供應商設計變更Clip凸臺增大疊加錫膏涂覆厚度偏上限導致焊接應力過大損傷了芯片的鈍化層。

故障流出原因是二極管廠商FT測試管控方案不足，導致存在缺陷的樣品流出。雖然這些樣品是滿足規(guī)格書指標要求，但已經存在微缺陷，經過貼片回流焊后缺陷會被激發(fā)，因此表現為產品出廠后短時間內就失效。

四、如何區(qū)分EOS與器件本身缺陷導致的失效？

上述案例凸顯了區(qū)分EOS與器件本身缺陷的復雜性。雖然兩者都可能導致器件燒毀，但其根本原因和預防措施截然不同。以下是一些關鍵的區(qū)分思路和方法：

1、失效的批次性與偶發(fā)性

器件缺陷： 通常具有一定的批次性。如果同一批次、同一型號的器件在類似應用中頻繁出現失效，應高度懷疑器件本身的質量問題。缺陷可能在制造過程中引入，如晶體缺陷、摻雜不均、封裝應力等。

EOS： 往往是偶發(fā)性的，與特定的外部事件（如電源波動、操作失誤、環(huán)境干擾）緊密相關。如果失效是孤立的，且能追溯到某個異常的電應力事件，則EOS的可能性較大。

2、失效場景與歷史數據

詳細記錄： 收集失效器件的完整使用歷史、工作環(huán)境參數、電源波動記錄、操作日志等。如果數據表明器件在失效前曾經歷過超出額定值的電壓、電流或功率，則傾向于EOS。

正常工作條件下的失效： 如果器件在完全正常的、符合規(guī)格的工作條件下失效，且無任何外部異常事件，則器件本身缺陷的可能性大大增加。

3、損傷形貌的微觀細節(jié)

EOS： 宏觀上表現為大面積的熔融、碳化、鍵合絲熔斷等，損傷區(qū)域往往與電流路徑或熱點區(qū)域一致。微觀上，損傷通常是熱效應導致的材料結構破壞，如金屬顆粒的再結晶、硅的非晶化等。

器件缺陷： 燒毀形貌可能更局限于缺陷本身，例如，一個微小的缺陷可能導致局部過熱，但整體燒毀面積可能相對較小。