電子元件失效分折的目的是借助各種測試分析技術和分析程序確認電子元器件的失效現(xiàn)象，分辨其失效模式和失效機理，確定其最終的失效原因，提出改進設計和制造工藝的建議。防止失效的重復出現(xiàn)，提高元器件可靠性。失效分折是產(chǎn)品可靠性工程的一個重要組成部分，失效分析廣泛應用于確定研制生產(chǎn)過程中產(chǎn)生問題的原因，鑒別測試過程中與可靠性相關的失效，確認使用過程中的現(xiàn)場失效機理。

       

在電子元器件的研制階段。失效分折可糾正設計和研制中的錯誤，縮短研制周期；在電子器件的生產(chǎn)，測試和試用階段，失效分析可找出電子元器件的失效原因和引起電子元件失效的責任方。根據(jù)失效分析結果，元器件生產(chǎn)廠改進器件的設計和生產(chǎn)工藝，元器件使用方改進電路板設計，改進元器件和整機的測試，試驗條件及程序，甚至以此更換不合格的元器件供貨商。因而，失效分析對加快電子元器件的研制速度，提高器件和整機的成品率和可靠性有重要意義。

       

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。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、整機計劃等方面，元器件生產(chǎn)方在產(chǎn)品的可靠性方案設計過程，都必須參考失效分折的結果。通過失效分折，可鑒別失效模式，弄清失效機理，提出改進措施，并反饋到使用、生產(chǎn)中，將提高元器件和設備的可靠性。

 

 

對電子元器件失效機理及原因的診斷過程叫失效分析。進行失效分析往往需要進行電測量并采用先進的物理、冶金及化學的分析手段。失效分析的任務是確定失效模式和失效機理，提出糾正措施，防止重復出現(xiàn)。因此，失效分析的主要內(nèi)容包括：明確分析對象、確定失效模式、判斷失效原因、研究失效機理、提出預防措施（包括設計改進)。

 

2.1 明確分析對象

       

失效分析首先是要明確分析對象及失效發(fā)生的背景。失效分析人員應該了解失效發(fā)生時的狀況，確定失效發(fā)生在設計，生產(chǎn)，檢測，儲存，傳送或使用的哪個階段，了解失效發(fā)生時的現(xiàn)象及失效發(fā)生前后的操作過程。在條件許可的情況下，盡可能的復現(xiàn)失效。

 

2.2 確定失效模式

       

失效的表面現(xiàn)象或失效的表現(xiàn)形式就是失效模式。失效模式的確定通賞采用兩種方法，即電學測試和顯微鏡現(xiàn)察。根據(jù)測試、觀察到的現(xiàn)象與效應進行初步分析，確定出現(xiàn)這些現(xiàn)象的可能原因，或者與失效樣品的哪一部分有關；同時通過立體顯微鏡檢查失效樣品的外觀標志是否完整，是否存在機械損傷，是否有腐蝕痕跡等；通過電特性測試，判斷其電參數(shù)是否與原始數(shù)據(jù)相符，分析失效現(xiàn)象可能與失效樣品中的哪一部分有關；利用鏡像顯微鏡和掃描電子顯微鏡等設備觀察失效部位的形狀，大小，位置，顏色，機械和物理結構，物理特性等，準確的描述失效特征模式。失效模式可以定位到電（如直流特性、漏電）或物理（如裂紋、侵蝕）失效特征，根據(jù)失效發(fā)生時的條件（如老化、靜電放電、環(huán)境），結合經(jīng)驗知識，區(qū)分失效位置，減少診斷失效機理要求的工作量。

 

2.3 判斷失效原因

        

根據(jù)失效模式，失效元器件的材料性質(zhì)、制造工藝理論和經(jīng)驗，結合觀察到的相應失效部位的形狀、大小、位置、顏色以及化學組成、物理結構、物理特性等因素，參照失效發(fā)生的階段、失效發(fā)生時的應力條件和環(huán)境條件，提出可能的導致失效的原因。失效可能由一系列的原因造成，如設計缺陷，材料質(zhì)量問題，制造過程問題、運輸或儲藏條件不當，在操作時的過載等，而大多數(shù)的失效包括一系列串行發(fā)生的事件。對一個復雜的失效，需要根據(jù)失效元器件和失效模式列出所有可能導致失效的原因，確定正確的分析次序，并且指出哪里需要附加的數(shù)據(jù)來支撐某個潛在性因素。失效分析時根據(jù)不同的可能性，逐個分折，最終發(fā)現(xiàn)問題的根源。

 

2.4 研究失效機理

       

對于失效機理的研究是非常重要的，需要更多的技術支撐。

 

在確定失效機理時，需要選用有關的分析、試驗和觀測設備對失效樣品進行仔細分析，驗證失效原因的判斷是否屬實，并且能把整個失效的順序與原始的癥狀對照起來，有時需要用合格的同種元器件進行類似的破壞實驗，觀察是否產(chǎn)生相似的失效現(xiàn)象。通過反復驗證，確定真實的失效原因，以電子元器件失效機理的相關理論為指導。對失效模式、失效原因進行理論推理，并結合材枓性質(zhì)、有關設計和工藝理論及經(jīng)驗，提出在可能的失效條件下導致該失效模式產(chǎn)生的內(nèi)在原因或具體物理化學過程。如存可能,更應以分子、原了學觀點加以闡明或解釋。

 

2.5 提出預防措施及設計改進方法

        

根據(jù)分析判斷。提出消除產(chǎn)生失效的辦法和建議，及時地反饋到設計、工藝、使用單位等各個方面，以便控制乃至完全消除失效的主要模式的出現(xiàn)。

 

       

隨著科技水平的發(fā)展和工藝的進歩.電子產(chǎn)品越來越微型化、復雜化和系統(tǒng)化，而其功能卻越來越強大，集成度越來越高，體積越來越小。隨著科技的發(fā)展各種新材料、新器件也不斷出現(xiàn)，對失效分析的要求也越來越高；用于失效分析的新技術，新方法和新設備也越來越多。但在實際的失效分析過程中，遇到的樣品多種多樣，失效情況也各不相同。因此，根據(jù)失效分析的目的與實際，選擇合適的分析技術與方法，從大到小，從外到內(nèi)，從非破壞到破壞，從定性到定量，使失效分析迅速、準確、可靠。

       

電子元器件失效分析的就是要做到模式準確、原因明確、機理清楚、措施得力、模擬再現(xiàn)、舉一反三。

 

3.1 模式準確

       

如前所述，失效模式是指失效的外在直觀失效表現(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。模式準確，就是要將失效的性質(zhì)和類型判斷準確。

       

失效模式的判斷應首先從失效環(huán)境的分析入手，細心收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)。失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)反映了失效的外部環(huán)境，對確定失效的責任方有重要意義。有些看來與現(xiàn)場無直接關系的東西可能是決定性的。例如,失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，工作人操作無誤，供電系統(tǒng)正常，而整機上的器件出現(xiàn)了早期失效，說明元器件生產(chǎn)廠應對元器件失效負責，應負責整改，排除工藝缺陷，提高產(chǎn)品可靠性。

 

收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)主要包括：失效壞境、失效應力、失效發(fā)生期、失效現(xiàn)象及過程和失效樣品在失效前后的電測量結果。

       

失效環(huán)境包括：溫度、濕度、電源環(huán)境，元器件在電路圖上的位置、作用，工作條件和偏置狀況。

       

失效應力包括：電應力、溫度應力、機械應力、氣候應力和輻射應力。如樣品經(jīng)可靠性試驗而失效，需了解樣品經(jīng)受實驗的應力種類和時間。

       

失效發(fā)生期包括：失效樣品的經(jīng)歷、失效時間、失效發(fā)生的階段，如研制、生產(chǎn)、測試、試驗、儲存、使用等。

 

3.2 原因明確

       

失效原因的判斷通常是整個失效分析的核心和關鍵，對于確''定失效機理，提出預防措施具有總要的意義。

       

失效原因通常是指造成電子元器件失效的直接關鍵性因素，其判斷建立在失效模式判斷的基礎上。通過失效原因的分析判斷，確定造成失效的直接關鍵因素處于設汁、材料、制造工藝、使用及環(huán)境的哪―環(huán)節(jié)。

       

失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)為確定電子元器件的失效原因提供了重要線索。失效可分為早期失效、隨機尖效和磨損失效。而早期失效主要由工藝缺陷、原材料缺陷、篩選不充分引起。隨機失效主要由整機開關時的浪涌電流、靜電放電、過電損傷引起。磨損失效主要由電子元器件自然老化引起。根據(jù)失效發(fā)生期，可估計失效原因，加快失效分析的進度。此外，根據(jù)元器件失效前或失效時所受的應力種類和強度，也可大致推測失效的原因，加快失效分析的進程。如下圖：

 

 

然而失效原因的確定是相當復雜的,其復雜性表現(xiàn)為失效原因具有的一些特點。如原因的必要性、多樣性、相關性、可變性和偶然性，需要綜合多方面情況及元器件特點進行。

 

3.3 機理清楚

       

失效機理是指失效的物理、化學變化過程。微觀過程可以追溯到原子、分子尺度和結構的變化，但與此相對的是它遲早也要表現(xiàn)出一系列宏現(xiàn)（外在的）性能，性質(zhì)變化，如疲勞、腐蝕和過應力等。失效機理是對失效的內(nèi)在本質(zhì)、必然性和規(guī)律性的研究，是人們對失效內(nèi)在本質(zhì)認識的理論提高和升華。

 

失效原因通常可以分為內(nèi)因和外因兩種.失效機理就是失效的內(nèi)因。它是導致電子元器件發(fā)生失效的物理、化字或機械損傷過程。失效機理研是失效的深層次內(nèi)因或內(nèi)在本質(zhì).即釀成失效的必然性和規(guī)律性的研究。要清楚地判斷元器件失效機理就必須對其失效機理有所了解和掌握。如在集成電路中金屬化互連系統(tǒng)可能存在著電遷移和應力遷移失效，這兩種失效的物理機制是不同的，產(chǎn)生的應力條件也是不同的。對于失效機理的研究和判斷需要可靠性物理方面的專業(yè)知識。

 

3.4 措施得力，模擬再現(xiàn)，舉一反三

       

措施得力，模擬再現(xiàn)，舉一反三是建立在前面對失效模式、失效原因和失效機理深入分折和準確把握的基礎上。當然制定預防措施也應考慮長遠的手段和產(chǎn)品使用問題。以及工程上的可行性、經(jīng)濟性等方面。模擬再現(xiàn)則要分折模擬的可能性和必要性，同時， 隨著計算機技術的高速發(fā)展，計算機模擬仿真也成為模擬再現(xiàn)的一個重要手段。

       

失效分析是一個復雜的、綜合性的過程.它不僅僅只是失效分析工程師的工作.而且需要設計工程師、制造工程師、使用工程師的密切配合。只有在各個方面的團結協(xié)作下，才能找到產(chǎn)品失效的真實原因，準確判斷其失效機理，揭示引起產(chǎn)品失效的過程，起到改進產(chǎn)品設計，提高產(chǎn)品固有可靠性和使用可靠性目的。

       

另外，為了得到一個成功的失效分析結果，避免犯一些常見的錯誤，所有可能涉及失效現(xiàn)象處理的人，都應該具備—些處理故障現(xiàn)象的基本知識。

 

1、保護實物證據(jù)

2、避免過多的加電測試

3、保證失效元器件在到達失效分析工程師之前不再受到損傷

4、制定失效分析方案

5、確定失效現(xiàn)象

6、失效分析的基本

       

失效分析應遵循先光學后電學、先面后點、先靜態(tài)后動態(tài)、先非破壞后破壞、先一般后特殊、先公用后專用、先簡單后復雜、先主要后次要的基本原則，反復測試、認真比較。同時結合電子元器件結構、工藝特點進行分析，避免產(chǎn)生錯判、誤判。

 

        

電子元器件的種類很多，相應的失效模式和失效機理也很多?？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、設計、制造、使用密切相關。  

 

5 失效的主要機理及其定義    

       

失效機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過程.通常是指由于設計上的弱點（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，在某種應力作用下發(fā)生的失效及其機理。 

       

為了通過物理、化學的方法分析失效發(fā)生的現(xiàn)象，理解和解釋失效機理，需要提供模型或分析問題的思維方法，這就是失效物理模型。元器件的失效物理模型大致分為反應論模型、應力強度模型、界限模型、耐久模型、積累損傷（疲勞損傷）模型等.如下表所列。對于半導體元器件來說.失效機理通常有兩種失效物理模型：反應論模型和應力強度模型。

       

失效機理是電子元器件失效的物理或化學本質(zhì)，從研究原始缺陷或退化進入失效點的物理過程。進一步確定導致失效的表面缺陷、體缺陷、結構缺陷。確定電學、金屬學、化學及電磁學方面的機理。電子元器件種類繁多，導致失效的機理也很多，不同失效機理對應的失效摸式不一樣。甚至相問的失效機在不同電子元器件導致的失效模式都不一樣，因此需要在失效分析時認真對待,嚴格區(qū)分。

 

5.1 機械損傷

      

機械損傷在電子元器件制備電極及電機系統(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末被剔除，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。

 

5 .2 結穿刺（結尖峰）

 

結穿刺即指PN結界面處為一導電物所穿透。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，固溶度之差導致界面上的硅原子凈溶解在鋁中，同時界面上的鋁也擴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。結穿刺經(jīng)常導致PN結短路失效。

 

5.3 鋁金屬化再結構

        

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，黨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，鋁膜要受到張應力和壓應力的影響，會導致鋁金屬化層的再結構。鋁金屬化層再結構經(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。

 

5.4 金屬化電遷移

        

當元器件工作時，金屬互連線的鋁條內(nèi)有一定強度的電流流過，在電流作用下，金屬離子沿導體移動，產(chǎn)生質(zhì)量的傳輸，導致導體內(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扱移動，一種是導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，金屬離子由負極向正極移動，

        

這種作用力俗稱“電子風”。對鋁、金等金屬膜，電場力很小，金屬離子主要受電子風的影響，結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)因是薄膜導體內(nèi)結構的非均勻性，外因是電流密度。

 

5.5 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。正離子聚積在負電極周圍，負離子聚積在正電極周圍，沾污嚴重時足以使硅表面勢壘發(fā)生相''當程度的改變。這些外表面可動電荷的積累降低了表面電導，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。

 

5.6 金屬的腐蝕

       

當金屬與周圍的介質(zhì)接觸時，由于發(fā)生化學反應或電化學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)的金屬因化學反應或電化學作用引起電性能惡化直至失效，也是主要的失效機理。

       

根據(jù)金屬腐蝕過程的不同特點，可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。金屬在干燥氣體或無導電性的非水溶液中，單純由化學作用而引起的腐蝕就叫做化學腐蝕，溫度對化學腐蝕的影響很大。當金屬與電解質(zhì)溶液接觸時，由電化學作用而引起的腐蝕叫做電化學腐蝕，其特點是形成腐蝕電池，電化學腐蝕過程的本質(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。

 

5.7 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，導電率低，所以在鍵合點處生成了Au-Al間化合物之后，嚴重影響相惡化鍵合界面狀態(tài)，使鍵合強度降低，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致開路。

 

5.8 柯肯德爾效應

        

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，金向鋁中迅速擴散。金的擴散速度大于鋁的擴散速度，結果出現(xiàn)了在金層—側留下部分原子空隙，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，簡稱柯氏效應。當可肯德爾空洞增大到一定程度后，將使鍵合界面強度急劇下降，接觸電阻增大，最終導致開路?？率峡斩葱纬蓷l件首先是Au-Al系統(tǒng)，其次是溫度和時間。

 

5.9 銀遷移

       

在電子元器件的貯存及使用中，由于存在濕氣、水分，導致其中相對活潑的金屬銀離子發(fā)生遷移，導致電子設備中出現(xiàn)短路，耐壓劣化及絕緣性能變壞等失效。銀遷移基本上市一種電化學現(xiàn)象，當具備水分和電壓的條件時，必定會發(fā)生銀遷移現(xiàn)象?？諝庵械乃指皆陔姌O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)生化學反應，形成氫氧化銀，在導體之間出現(xiàn)乳白色的污跡，最后在陰極銀離子還原析出，形成指向陽極的細絲。

 

5.10 過電應力

        

電子元器件都在其參數(shù)指標中設定了使用時所能承受的最大應力，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力超過了元器件規(guī)定的最大應力.即使是瞬間超過，也將造成電子元器件的損傷，這種電應力就稱為過電應力，其造成的損傷主要表現(xiàn)為元器件性能嚴重劣化或失去功能。過電應力通常分為過壓應力和過流應力。在過電應力作用下，電子元器件局部形成熱點，當局部熱點溫度達到材料熔點時使材料熔化，形成開路或短路，導致元器件燒毀。

 

5.11 二次擊穿

       

二次擊穿是指當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）兩種導致二次擊穿的機理。對于MOS元器件，誘發(fā)二次擊穿的機理是寄生的雙極晶體管作用。

 

5.12 閂鎖效應

        

閂鎖效應是CMOS電路中存在的一種特殊的失效機理。所謂閂鎖（latch-up）是指CMOS電路中固有的寄生可控硅結構被觸發(fā)導通，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場效應管和一個N溝道MOS場效應管以互補形式連接構成，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)加進一個P型區(qū)（P阱）或在P型襯底內(nèi)加進一個N型區(qū)（N阱），這樣構成了CMOS電路內(nèi)與晶閘管類似的PNPN四層結構，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狀態(tài)。對CMOS電路的工作沒有影響，如CMOS電路的輸入端、輸出瑞、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)強電流。這種強電流一開始流動，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。

 

5.13 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，再受到工作應力或經(jīng)過一段時間工作后將進一步退化，直至造成徹底失效。

       

靜電放電失效機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結二極管保護的MOS電路、肖特基二極管以及含有雙極元器件的混合電路。

 

5.14 介質(zhì)的擊穿機理

       

介質(zhì)擊穿，從應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，則均可能歸結于電擊穿、熱擊穿或熱點反饋造成的熱電擊穿。

 

5.15 與時間有關的介質(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理，當對二氧化硅薄膜施加低于本征擊穿場強的電場強度后，經(jīng)過一段時間后會發(fā)生介質(zhì)擊穿現(xiàn)象，這就是與時間有關的介質(zhì)擊穿。它的擊穿機理，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，積累的電荷達到某一程度后，使局部電場增高到某一臨界值；第二階段實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。

 

5.16 熱栽流子效應

       

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值降低，雙極元器件的電流增益下降，PN結擊穿電壓蠕變，使元器件性能受到影響，這就是熱載流子效應。

 

5.17“爆米花效應”

       

“爆米花效應”是指塑封元器件塑封材料內(nèi)的水汽在高溫下受熱膨脹，是塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應，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散進入。

 

5.18 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。當這些射線或宇宙射線照射到半導體存儲器上時，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。

 

 

失效分析的過程由分析者的主觀能動性開始，首先充分了解失效分析現(xiàn)場，搜集失效經(jīng)過的信息，判斷失效的可能原因與機理，并選擇以上描述的失效分析技術中的一項或者多項對猜想給與驗證或否定，并實時修改猜想的失效原因與機理，重復驗證與否定過程，直至得出結論。

 

失效分析全過程以分析者的主觀判斷為基礎，輔以各種實驗手段，給出所做猜想肯定或否定的證據(jù)，并最終得到結論。

推薦閱讀：