電子元器件失效性分析

時間：2019-06-25作者：中科技術(shù)服務(wù)（廣州）股份有限公司瀏覽：999

電子元器件作為電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)及**部件，它的失效及潛在缺陷都會對裝備的可靠性產(chǎn)生重要影響。但我們可以通過電子器件失效分析，來確定失效模式和失效原因。從而可以采取措施來預(yù)防問題出現(xiàn)。失效分析可以說，對于查明元器件失效原因并向設(shè)計者反饋信息是必須的?，F(xiàn)今社會制造水平越來越高，元器件的可靠性也越來越受重視，設(shè)備研制單位和器件生產(chǎn)廠家對失效分析的需求也越來越迫切。

一、失效分析的基本內(nèi)容

電子元器件失效分析的目的是借助各種測試分析技術(shù)和分析程序認定器件的失效現(xiàn)象，判斷其失效模式和機理，從而確定失效原因，對后續(xù)設(shè)計提出建議。在生產(chǎn)過程中改進生產(chǎn)工藝，器件使用者在系統(tǒng)設(shè)計時改進電路設(shè)計，并對整機提出相應(yīng)測試要求、完成測試。因此，失效分析對元器件的研制速度、整機的可靠性有著重要意義。

二、失效的分類

在實際使用中，可以根據(jù)需要對失效做適當(dāng)分類。

按模式分為：開路、短路、無功能、特性退化、重測合格;

按原因分為：誤用失效、本質(zhì)失效、早起失效、偶然失效、耗損失效、自然失效;

按程度分為：完全失效、局部失效;

按時間分為：突然失效、漸變失效、退化失效;

按外部表現(xiàn)分為：明顯失效、隱蔽失效等。

三、失效的機理

由于電子器件的失效主要來自于產(chǎn)品制造、實驗、運輸、存儲、使用等一系列過程中發(fā)生的情況，與材料、設(shè)計、制造、使用密切相關(guān)。且電子元器件種類繁多，故失效機理也很多，失效機理是器件失效的實質(zhì)原因，在此說明器件是如何失效，相當(dāng)于器件失效的物理和化學(xué)過程，從而表現(xiàn)出來性能、性質(zhì)(如腐蝕、疲勞、過應(yīng)力等)。

元器件主要失效機理有：

過應(yīng)力( EOS )：指元器件承受的電流、電壓應(yīng)力或功率**過了其允許的較大范圍。

靜電損傷( ESD )：指電子器件在加工生產(chǎn)、組裝、貯存、運輸中與可能帶靜電的容器、測試及操作人員接觸，所帶經(jīng)典經(jīng)過器件引腳放電到地面，使器件收到損傷或失效。

閂鎖效應(yīng)( Latch-Up ) :電路中由于寄生 PNPN 晶體管存在而呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，這種低阻狀態(tài)在觸發(fā)條件去除或者終止后任然會存在。

電遷移( EM ) :當(dāng)器件工作時，金屬互聯(lián)線內(nèi)有一定電流通過，金屬離子會沿著導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的運輸，其結(jié)果會使導(dǎo)體的某些部位出現(xiàn)空洞或晶須。

熱載流子效應(yīng)( HC ) :熱載流子是指能量比費米能級大幾個 KT 以上的載流子。這些載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài)，當(dāng)其能量達到或者**過 SI-SIO2 界面勢壘時(對電子注入為 3.2eV, 對空穴注入為 4.5eV )便會注入到氧化層中，產(chǎn)生界面態(tài)，氧化層陷阱或被陷阱所俘獲，是氧化層電荷增加或波動不穩(wěn)，這就是熱載流子效應(yīng)。

柵氧擊穿：在 MOS 器件及其電路中，柵氧化層缺陷會導(dǎo)致柵氧漏電，漏電增加到一定程度即構(gòu)成擊穿。

與時間有關(guān)的介質(zhì)擊穿( TDDB )：施加的電場**柵氧的本證擊穿強度，但經(jīng)歷一定的時間后仍然會擊穿，這是由于施加應(yīng)力過程中，氧化層內(nèi)產(chǎn)生并聚集了缺陷的原因。

由于金 - 呂之間的化學(xué)勢不同，經(jīng)長期使用或 200 度以上的高溫存儲后，會產(chǎn)生多種金屬間化合物，如紫斑、白斑等。使鋁層變薄、接觸電阻增加，最后導(dǎo)致開路。 300 度高溫下還會產(chǎn)生空洞，即可肯德爾效應(yīng)，這種效應(yīng)是高溫下金向鋁*擴散并形成化合物，在鍵合點四周出現(xiàn)環(huán)形空間，是鋁膜部分或全部脫離，形成高祖或開路。

爆米花效應(yīng)： 塑封元器件塑封料內(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)生分層反映，拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開路失效。

四、失效模式

失效的模式指外在的表現(xiàn)形式和過程規(guī)律，通常指測試或觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。產(chǎn)品的失效依據(jù)其是否具有損傷的時間累積效應(yīng)而被分為過應(yīng)力失效和損耗性失效，所以與時間相關(guān)的失效模型定量地描述了產(chǎn)品隨時間的損傷積累狀況，在宏觀上表現(xiàn)為性能或是參數(shù)隨時間的退化。

五、失效分析技術(shù)

失效分析技術(shù)是失效分析使用的手段和方法，主要包括六大方面：失效定位技術(shù)、樣品制備技術(shù);顯微分析技術(shù);應(yīng)力驗證技術(shù);電子分析技術(shù);成分分析技術(shù)。

失效定位技術(shù)：失效定位技術(shù)的主要目的是確定目標(biāo)的失效部位，隨著現(xiàn)代集成電路及電子器件的復(fù)雜化，失效定位技術(shù)就顯得尤為重要。失效定位技術(shù)有多種方法，其中*開封即可進行的無損有 X-RAY,SAM 等。 X-RAY 可用于觀察元器件及多層印刷電路板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，內(nèi)引線的是否開路或短路，粘接缺陷，焊點缺陷，封裝裂紋，空洞、橋連、立碑及器件漏裝等缺陷。

這也是人工焊接操作時*反生的問題，經(jīng)過這幾年在線上的學(xué)習(xí)和工作，對此類缺陷了如于心，這也從根本上排除了由于人工操作引起的失效。 SAM 則可觀察到內(nèi)部裂紋，分層缺陷，空洞，氣泡，空隙等，若 X-RAY ， SAM 不能到失效部位，則需要對元器件進行開封，而后用其他方法定位。例如顯微檢查。

樣品制備技術(shù)：未解決大部分失效分析，都需要采用解剖分析技術(shù)，即對樣品的剖層分析，陰氣不對觀察和測試部分存在破壞。樣品的制備步驟一般包括：開發(fā)封裝、去鈍化層，對于多層結(jié)構(gòu)芯片來說，還要去除層間介質(zhì)。打開封裝可以使用機械和化學(xué)兩種方法，去鈍化層可使用化學(xué)腐蝕或等離子腐蝕。

顯微分析技術(shù)：失效原因的分析，失效機理的確定及前文提到的失效定位都要用到現(xiàn)為分析技術(shù)?，F(xiàn)為分析技術(shù)一般采用各種顯微鏡，且它們個具有優(yōu)缺點，如景深大成像立體感強的體式顯微鏡;平面成像效果好的金相顯微鏡;放大倍數(shù)高的 SEM ;制樣要求高可觀察到晶格結(jié)構(gòu)的 TEM ;成像精度不高但操作方便的紅外顯微鏡;成像精度較高的光輻射顯微鏡等，要根據(jù)實際情況進行設(shè)備和方法的選擇。

應(yīng)力驗證技術(shù)：電子器件在不同環(huán)境中可靠性存在差異，如不同溫度、濕度下產(chǎn)生的應(yīng)力，不通電流、電壓下產(chǎn)生的電應(yīng)力等，都會導(dǎo)致電子元器件性能的變化，或失效。因此，可以模擬各種環(huán)境參數(shù)，來驗證元器件各種應(yīng)力下的可靠性。

電子分析技術(shù)：利用電子進行失效分析的方法很多，如 EBT,EPMA,SEM,TEM,AES 等。

成分分析技術(shù)：需要確定元器件中某一部分的成分即需要用到成分分析技術(shù)，以判斷是否存在污染，或組份是否正確，而影響了元器件的性能。常用設(shè)備有 EDS,EDAX,AES,SIMS 等。


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  詞條說明

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