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電子元器件在制造、運輸、倉儲、應(yīng)用端生產(chǎn)過程、工作過程中都有可能出現(xiàn)少數(shù)不良品，出現(xiàn)不同的故障現(xiàn)象。為了找出真正原因，相關(guān)工程人員要對失效樣品進(jìn)行分析。

 

1、失效分析的目的和意義

 

      失效分折對元器件的生產(chǎn)和使用都有重要的意義，如圖所列。

 

 

      元器件的失效可能發(fā)生在其生命周期的各個階段。發(fā)生在產(chǎn)品研制階段，生產(chǎn)階段到使用階段的各個環(huán)節(jié)，通過分析工藝廢次品，早期失效，實驗失效及現(xiàn)場失效的失效產(chǎn)品明確失效模式、分析失效機(jī)理，最終找出失效原因，因此元器件的使用方在元器件的選擇、整機(jī)計劃等方面，元器件生產(chǎn)方在產(chǎn)品的可靠性方案設(shè)計過程，都必須參考失效分折的結(jié)果。

 

      通過失效分析，可鑒別失效模式，弄清失效機(jī)理，提出改進(jìn)措施，并反饋到使用、生產(chǎn)中，將提高元器件和設(shè)備的可靠性。

 

2、主要失效模式及其分布

 

        電子元器件的種類很多，相應(yīng)的失效模式和失效機(jī)理也很多?？傮w來說，電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造，試驗，運輸，儲存和使用等過程中發(fā)生的。與原材料、設(shè)計、制造、使用密切相關(guān)。  

 

3、失效的主要機(jī)理分析

 

      失效機(jī)理是指引起電子元器件失效的實質(zhì)原因，即引起電子元器件失效的物理或化學(xué)過程.通常是指由于設(shè)計上的弱點（容易變化和劣化的材料的組合）或制造工藝中形成的潛在缺陷，在某種應(yīng)力作用下發(fā)生的失效及其機(jī)理。 

 

3.1 機(jī)械損傷

 

      機(jī)械損傷在電子元器件制備電極及電機(jī)系統(tǒng)工藝中經(jīng)常出現(xiàn)，如果在元器件的成品中，存在金屬膜的劃傷缺陷而未被剔除，則劃傷缺陷將是元器件失效的因素，必將影響元器件的長期可靠性。

 

3.2 結(jié)穿刺（結(jié)尖峰）

 

      結(jié)穿刺即指PN結(jié)界面處為一導(dǎo)電物所穿透。在硅上制作歐姆接觸時，鋁-硅接觸系統(tǒng)為形成良好的歐姆接觸必須進(jìn)行熱處理，這時鋁與硅相連接是通過450-550攝氏度熱處理后在分立的點上合金化形成的。

 

      在該合金化溫度范圍內(nèi)，硅在鋁的固溶度很大，但鋁在硅中的固溶度要低很多，固溶度之差導(dǎo)致界面上的硅原子凈溶解在鋁中，同時界面上的鋁也擴(kuò)散到硅中填充硅中的空位。這就是在鋁膜加工過程中，發(fā)生由于硅的局部溶解而產(chǎn)生的鋁“穿刺”透入硅襯底問題的問題。結(jié)穿刺經(jīng)常導(dǎo)致PN結(jié)短路失效。

 

3.3 鋁金屬化再結(jié)構(gòu)

 

      由于鋁與二氧化硅或硅的熱膨脹系數(shù)不匹配，鋁膜的熱膨脹系數(shù)比二氧化硅或者硅大，當(dāng)元器件在間歇工作過程中，溫度變化或者高低溫循環(huán)試驗時，鋁膜要受到張應(yīng)力和壓應(yīng)力的影響，會導(dǎo)致鋁金屬化層的再結(jié)構(gòu)。鋁金屬化層再結(jié)構(gòu)經(jīng)常表現(xiàn)為鋁金屬化層表面粗糙甚至表面發(fā)黑，顯微鏡下可見到表面小丘、晶須或皺紋等。

 

3.4 金屬化電遷移

 

      當(dāng)元器件工作時，金屬互連線的鋁條內(nèi)有一定強(qiáng)度的電流流過，在電流作用下，金屬離子沿導(dǎo)體移動，產(chǎn)生質(zhì)量的傳輸，導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)某些部位產(chǎn)生空洞或晶須（小丘）這就是電遷移現(xiàn)象。

 

      在一定溫度下，金屬薄膜中存在一定的空位濃度，金屬離子熱振動下激發(fā)到相鄰的空位，形成自擴(kuò)散。在外電場作用下.金屬離子受到兩種力的作用，一種是電場使金屬離子由正極向負(fù)扱移動，一種是導(dǎo)電電子和金屬離子間互相碰撞發(fā)生動量交換而使金屬離子受到與電子流方向一致的作用力，金屬離子由負(fù)極向正極移動，這種作用力俗稱“電子風(fēng)”。

 

      對鋁、金等金屬膜，電場力很小，金屬離子主要受電子風(fēng)的影響，結(jié)果使金屬離子與電子流一樣朝正極移動，在正極端形成金屬離子的堆積，形成晶須，而在負(fù)極端產(chǎn)生空洞，使金屬條斷開。

 

      產(chǎn)生電遷移失效的內(nèi)因是薄膜導(dǎo)體內(nèi)結(jié)構(gòu)的非均勻性，外因是電流密度。

 

3.5 表面離子沾污

 

      在電子元器件的制造和使用過程中，因芯片表面沾污了濕氣和導(dǎo)電物質(zhì)或由于輻射電離、靜電電荷積累等因素的影響，將會在二氧化硅氧化層表面產(chǎn)生正離子和負(fù)離子，這些離子在偏壓作用下能沿表面移動。

 

      正離子聚積在負(fù)電極周圍，負(fù)離子聚積在正電極周圍，沾污嚴(yán)重時足以使硅表面勢壘發(fā)生相'當(dāng)程度的改變。這些外表面可動電荷的積累降低了表面電導(dǎo)，引起表面漏電和擊穿蠕變等；表面離子沾污還會造成金屬的腐濁，使電子元器件的電極和封裝系統(tǒng)生銹、斷裂。

 

3.6 金屬的腐蝕

 

       當(dāng)金屬與周圍的介質(zhì)接觸時，由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)作用而引起金屬的破壞叫做金屬的腐蝕。在電子元器件中，外引線及封裝殼內(nèi)的金屬因化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)作用引起電性能惡化直至失效，也是主要的失效機(jī)理。

 

       根據(jù)金屬腐蝕過程的不同特點，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。金屬在干燥氣體或無導(dǎo)電性的非水溶液中，單純由化學(xué)作用而引起的腐蝕就叫做化學(xué)腐蝕，溫度對化學(xué)腐蝕的影響很大。

 

      當(dāng)金屬與電解質(zhì)溶液接觸時，由電化學(xué)作用而引起的腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕，其特點是形成腐蝕電池，電化學(xué)腐蝕過程的本質(zhì)是腐蝕電池放電的過程，在這個過程中，金屬通常作為陽極，被氧化而腐蝕，形成金屬氧化物，而陰極反應(yīng)則跟據(jù)腐蝕類型而異，可發(fā)生氫離子或氧氣的還原，析出氫氣或吸附氧氣。

 

3.7 金鋁化合物失效

 

      金和鋁兩種金屬，在長期儲存和使用后，因它們的化學(xué)勢不同，它們之間能產(chǎn)生金屬間化合物，如生成AuAl2，AuAl，Au2Al等金屬間化合物。這幾種金屬間化合物的晶格常數(shù)、膨脹系數(shù)、形成過程中體積的變化、顏色和物理性質(zhì)是不同的，且電導(dǎo)率較低。

 

      AuAl3淺金黃色，AuAl2呈紫色，俗稱紫斑， Au2Al呈白色.稱白斑，是一種脆性的金屬間化合物，導(dǎo)電率低，所以在鍵合點處生成了Au-Al間化合物之后，嚴(yán)重影響相惡化鍵合界面狀態(tài)，使鍵合強(qiáng)度降低，變脆開裂，接觸電阻增大等，因而使元器件出現(xiàn)時好時壞不穩(wěn)定現(xiàn)象，最后表現(xiàn)為性能退化或引線從鍵合界面處脫落導(dǎo)致開路。

 

3.8  柯肯德爾效應(yīng)

 

      在Au-Al鍵合系統(tǒng)中，若采用金絲熱壓焊工藝，由于在高溫（300攝氏度以上）下，金向鋁中迅速擴(kuò)散。金的擴(kuò)散速度大于鋁的擴(kuò)散速度，結(jié)果出現(xiàn)了在金層—側(cè)留下部分原子空隙，這些原子空隙自發(fā)聚積，在金屬間化合物與金屬交界面上形成了空洞，這就是可肯德爾效應(yīng)，簡稱柯氏效應(yīng)。

 

      當(dāng)可肯德爾空洞增大到一定程度后，將使鍵合界面強(qiáng)度急劇下降，接觸電阻增大，最終導(dǎo)致開路?？率峡斩葱纬蓷l件首先是Au-Al系統(tǒng)，其次是溫度和時間。

 

3.9  銀遷移

 

      在電子元器件的貯存及使用中，由于存在濕氣、水分，導(dǎo)致其中相對活潑的金屬銀離子發(fā)生遷移，導(dǎo)致電子設(shè)備中出現(xiàn)短路，耐壓劣化及絕緣性能變壞等失效。銀遷移基本上是一種電化學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)具備水分和電壓的條件時，必定會發(fā)生銀遷移現(xiàn)象。

 

      空氣中的水分附在電極的表面，如果加上電壓，銀就會在陽極處氧化成為帶有正電荷的銀離子，這些離子在電場作用下向陰極移動。在銀離子穿過介質(zhì)的途中，銀離子被存在的濕氣和離子沾污加速，通常在離子和水中的氫氧離子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氫氧化銀，在導(dǎo)體之間出現(xiàn)乳白色的污跡，最后在陰極銀離子還原析出，形成指向陽極的細(xì)絲。

 

3.10 過電應(yīng)力

 

      電子元器件都在其參數(shù)指標(biāo)中設(shè)定了使用時所能承受的最大應(yīng)力，包括最高工作環(huán)境溫度或殼溫，最大額定功率，最大工作電壓、電流，峰值電壓，最大輸入、輸出電流、電壓等。

 

      如果在使用時所加的電應(yīng)力超過了元器件規(guī)定的最大應(yīng)力。即使是瞬間超過，也將造成電子元器件的損傷，這種電應(yīng)力就稱為過電應(yīng)力，其造成的損傷主要表現(xiàn)為元器件性能嚴(yán)重劣化或失去功能。

 

      過電應(yīng)力通常分為過壓應(yīng)力和過流應(yīng)力。在過電應(yīng)力作用下，電子元器件局部形成熱點，當(dāng)局部熱點溫度達(dá)到材料熔點時使材料熔化，形成開路或短路，導(dǎo)致元器件燒毀。

 

3.11  二次擊穿

 

      二次擊穿是指當(dāng)元器件被偏置在某一特殊工作點時（對于雙極型晶體管，是指V平面上的一點），電壓突然跌落，電流突然上升的物理現(xiàn)象，這時若無限流裝置及其它保護(hù)措施，元器件將被燒毀。

 

      凡是有雜質(zhì)濃度突變的元器件（如PN結(jié)等）都具有二次擊穿的現(xiàn)象，二次擊穿是一種體內(nèi)現(xiàn)象，對于雙極型器件，主要有熱不穩(wěn)定理論（熱模式）和雪崩注入理論（電流模式）兩種導(dǎo)致二次擊穿的機(jī)理。對于MOS元器件，誘發(fā)二次擊穿的機(jī)理是寄生的雙極晶體管作用。

 

3.12  閂鎖效應(yīng)

 

      閂鎖效應(yīng)是CMOS電路中存在的一種特殊的失效機(jī)理。所謂閂鎖（latch-up）是指CMOS電路中固有的寄生可控硅結(jié)構(gòu)被觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間形成低阻大電流通路的現(xiàn)象CMOS電路的基本邏輯單元是由一個P溝道MOS場效應(yīng)管和一個N溝道MOS場效應(yīng)管以互補(bǔ)形式連接構(gòu)成，為了實現(xiàn)N溝道MOS管與P溝道MOS管的隔離,必須在N型襯底內(nèi)加進(jìn)一個P型區(qū)（P阱）或在P型襯底內(nèi)加進(jìn)一個N型區(qū)（N阱），這樣構(gòu)成了CMOS電路內(nèi)與晶閘管類似的PNPN四層結(jié)構(gòu)，形成了兩個寄生的NPN和PNP雙極晶體管。

 

      在CMOS電路正常工作狀態(tài)時，寄生晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。對CMOS電路的工作沒有影響，如CMOS電路的輸入端、輸出端、電源端或者地端受到外來的浪涌電壓或電流，就有可能使兩只寄生晶體管都正向?qū)?，使得電源和地之間出現(xiàn)強(qiáng)電流。這種強(qiáng)電流一開始流動，即使除去外來觸發(fā)信號也不會中斷，只有關(guān)斷電源或?qū)㈦娫措妷航档侥硞€值以下才能解除，這種現(xiàn)象就是CMOS電路的閂鎖效應(yīng)。

 

3.13 靜電損傷

 

      處于不同靜電電位的兩個物體間發(fā)生的靜電電荷轉(zhuǎn)移就形成了靜電放電，這種靜電放電將給電子元器件帶來損傷，引起產(chǎn)品失效。

 

      電子元器件由靜電放電引發(fā)的失效可分為突發(fā)性失效和潛在性失效兩種模式，突發(fā)性失效是指元器件受到靜電放電損傷后，突然完全喪失其規(guī)定的功能，主要表現(xiàn)為開路、短路或參數(shù)嚴(yán)重漂移；潛在性失效是指靜電放電電能量較低，僅在元器件內(nèi)部造成輕微損傷，放電后元器件的電參數(shù)仍然合格或略有變化，但元器件的抗過電應(yīng)力能力已明顯削弱，或者使用壽命已明顯縮短，再受到工作應(yīng)力或經(jīng)過一段時間工作后將進(jìn)一步退化，直至造成徹底失效。

 

      靜電放電失效機(jī)理可分為過電壓場致失效和過電流熱致失效。

 

      過電壓場致失效是指高阻抗的靜電放電回路中，絕緣介質(zhì)兩端的電極因接受了高靜電放電電荷而呈現(xiàn)高電壓，有可能使電極之間的電場超過其介質(zhì)臨界擊穿電場，使電極之間的介質(zhì)發(fā)生擊穿失效，過電壓場致失效多發(fā)生于MOS元器件，包括含有MOS電容的雙極型電路和混合電路。

 

      過電流熱致失效是由于較低阻抗的放電回路中，由于靜電放電電流過大使局部區(qū)域溫升超過材料的熔點，導(dǎo)致材料發(fā)生局部熔融使元器件失效，過電流熱致失效多發(fā)生于雙極元器件，包括輸人用PN結(jié)二極管保護(hù)的MOS電路、肖特基二極管以及含有雙極元器件的混合電路。

 

3.14 介質(zhì)的擊穿機(jī)理

 

      介質(zhì)擊穿，從應(yīng)用角度可分為自愈式擊穿和毀壞性擊穿。自愈式擊穿是局部點擊穿后，所產(chǎn)生的熱量將擊穿點處的金屬蒸發(fā)掉，使擊穿點自行與其他完好的介質(zhì)隔離；毀壞性擊穿是金屬原子徹底侵入介質(zhì)層，使其絕緣作用完全喪失。

 

      根據(jù)引起擊穿的原因之可將介質(zhì)擊穿分為非本征擊穿和本征擊穿兩種：前者是在介質(zhì)中的氣孔、微裂縫、灰塵、纖維絲等疵點附近，因氣體放電、等離子體、電孤、電熱分解等引起的擊穿；后者是外加電場超過了介質(zhì)材料的介電強(qiáng)度引起的擊穿。無論是非本征擊穿還圮本征擊穿，按其本質(zhì)來看，則均可能歸結(jié)于電擊穿、熱擊穿或熱點反饋造成的熱電擊穿。

 

3.15 與時間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB)

 

      TDDB是影響MOS元器件長期可靠性的一種重要的失效機(jī)理，當(dāng)對二氧化硅薄膜施加低于本征擊穿場強(qiáng)的電場強(qiáng)度后，經(jīng)過一段時間后會發(fā)生介質(zhì)擊穿現(xiàn)象，這就是與時間有關(guān)的介質(zhì)擊穿。

 

      它的擊穿機(jī)理，可以分為兩個階段：第一階段是建立階段，在高電場、高電流密度應(yīng)力的作用下，氧化層內(nèi)部發(fā)生電荷的積聚，積累的電荷達(dá)到某一程度后，使局部電場增高到某一臨界值；第二階段是在熱或電的正反饋作用下，迅速使氧化層擊穿，氧化層的壽命由第一階段中電荷的累計時間確定。

 

3.16 熱載流子效應(yīng)

 

      所謂熱載流子，是指其能量比費米能寄大幾個KT以上的載流子，這些載流子與晶格處于熱不平衡狀態(tài)，載流子的溫度超過了晶格溫度。

 

      熱載流子的能量達(dá)到或超過Si-SiO2界面勢壘的能量時，便會注入到SiO2中去，產(chǎn)生界面態(tài)、氧化層陷阱或被氧化層中陷阱所俘獲，由此產(chǎn)生的電荷積累引起元器件電參數(shù)不穩(wěn)定。表現(xiàn)為MOS元器件的閾值電壓漂移或跨導(dǎo)值降低，雙極元器件的電流增益下降，PN結(jié)擊穿電壓蠕變，使元器件性能受到影響，這就是熱載流子效應(yīng)。

 

3.17“爆米花效應(yīng)”

 

      “爆米花效應(yīng)”是指塑封元器件塑封材料內(nèi)的水汽在高溫下受熱膨脹，使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應(yīng)，拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開路失效。塑封元器件是以樹脂類聚合物材料封裝的，其中的水汽包括封裝時殘留于元器件內(nèi)部、表面吸附，經(jīng)材料間的縫隙滲入及外界通過塑料本身擴(kuò)散進(jìn)入。

 

3.18 軟誤差

 

      電子元器件的封裝材料（如陶瓷管殼，作樹脂填充劑的石英粉等）中含有微量元素鈾等放射性物質(zhì)，它們衰變時會放出高能射線。當(dāng)這些射線或宇宙射線照射到半導(dǎo)體存儲器上時，引起存儲數(shù)據(jù)位的丟失或變化，在下次寫入時存儲器又能正常工作，它完全是隨機(jī)的發(fā)生，隨意把這種數(shù)據(jù)位丟失叫軟誤差。引起軟誤差的根本原因是射線的電離效應(yīng)。