电子器件失效分析

一、失效分析的定义及意义

可靠性工作的目的不仅是为了了解、评价电子元器件的可靠性水平，更重要的是要改进、提高电子元器件的可靠性。所以，在从使用现场或可靠性试验中获得失效器件后，必须对它进行各种测试、分析，寻找、确定失效的原因，将分析结果反馈给设计、制造、管理等有关部门，采取针对性强的有效纠正措施，以改进、提高器件的可靠性。这种测试分析，寻找失效原因或机理的过程，就是失效分析。

失效分析对电子元器件失效机理、原因的诊断过程，是提高电子元器件可靠性的必由之路。元器件由设计到生产到应用等各个环节，都有可能失效，从而失效分析贯穿于电子元器件的整个寿命周期。因此，需要找出其失效产生原因，确定失效模式，并提出纠正措施，防止相同失效模式和失效机理在每个元器件上重复出现，提高元器件的可靠性。

归纳起来，失效分析的意义有以下5点：

（1）通过失效分析得到改进设计、工艺或应用的理论和思想。

（2）通过了解引起失效的物理现象得到预测可靠性模型公式。

（3）为可靠性试验条件提供理论依据和实际分析手段。

（4）在处理工程遇到的元器件问题时，为是否要整批不用提供决策依据。

（5）通过实施失效分析的纠正措施可以提高成品率和可靠性，减小系统试验和运行工作时的故障，得到明显的经济效益。

二、失效的分类

在实际使用中，可以根据需要对失效做适当的分类。按失效模式，可以分为开路、短路、无功能、特性退化（劣化）、重测合格；按失效原因，可以分成误用失效、本质失效、早期失效、偶然失效、耗损失效、自然失效；按失效程度，可分为完全失效、部分（局部）失效；按失效时间特性程度及时间特性的组合，可以分成突然失效、渐变失效、间隙失效、稳定失效、突变失效、退化失效、可恢复性失效；按失效后果的严重性，可以分为致命失效、严重失效、轻度失效；按失效的关联性和独立性，可以分为关联失效、非关联失效、独立失效、从属失效；按失效的场合，可分为试验失效、现场失效（现场失效可以再分为调试失效、运行失效）；按失效的外部表现，可以分为明显失效、隐蔽失效。

三、失效机理

电子元器件的失效主要是在产品的制造、试验、运输、存储和使用等过程中发生的，与原材料、设计、制造、使用密切相关。电子元器件的种类很多，相应的失效模式和机理也很多。失效机理是器件失效的实质原因，说明器件是如何失效的，即引起器件失效的物理化学过程，但与此相对的是它迟早也要表现出的一系列宏观性能、性质变化，如疲劳、腐蚀和过应力等。

电子元器件的主要失效机理有：

（1）过应力（EOS）：是指元器件承受的电流、电压应力或功率超过其允许的最大范围。

（2）静电损伤（ESD）：电子器件在加工成产、组装、贮存以及运输过程中，可能与带静电的容器、测试设备及操作人员相接触，所带静电经过器件引脚放电到地，使器件收到损伤或失效。

（3）闩锁效应（latch-up）：MOS电路中由于寄生PNPN晶体管的存在而呈现一种低阻状态，这种低阻状态在触发条件去除或终止后仍会存在

（4）电迁移（EM）：当器件工作是，金属互联线内有一定的电流通过，金属离子会沿导体产生质量的运输，其结果会使导体的某些部位出现空洞或晶须。

（5）热载流子效应（HC）：热载流子是指能量比费米能级大几个kT以上的载流子。这些载流子与晶格不处于热平衡状态，当其能量达到或超过Si-SiO2界面势垒时（对电子注入为3.2eV，对空穴注入为4.5eV）便会注入到氧化层中，产生界面态、氧化层陷阱或被陷阱所俘获，使氧化层电荷增加或波动不稳，这就是热载流子效应。

（6）栅氧击穿：在MOS器件及其电路中，栅氧化层缺陷会导致栅氧漏电，漏电增加到一定程度即构成击穿。

（7）与时间有关的介质击穿（TDDB）：施加的电场低于栅氧的本征击穿强度，但经历一定的时间后仍会发生击穿现象，这是由于施加应力的过程中，氧化层内产生并聚集了缺陷的原因。

（8）由于金-铝之间的化学势不同，经长期使用或200℃以上的高温存储后，会产生多种金属间化合物，如紫斑、白斑等。使铝层变薄、接触电阻增加，最后导致开路。在300℃高温下还会产生空洞，即柯肯德尔效应，这种效应是高温下金向铝中迅速扩散并形成化合物，在键合点四周出现环形空间。使铝膜部分或全部脱离，形成高阻或开路。

（9）“爆米花效应”：塑封元器件塑封材料内的水汽在高温下受热发生膨胀，使塑封料与金属框架和芯片间发生分层效应，拉断键合丝，从而发生开路失效。

四、失效分析技术

失效分析技术是失效分析说使用的手段和方法，它主要包括六大方面的内容：失效定位技术；样品制备技术；显微分析技术；应力验证技术；电子分析技术；成份分析技术。

1、失效定位技术

失效定位技术的主要目的是确定检测目标的失效部位，随着现代集成电路及电子元器件的复杂化，失效定位技术就显得尤为重要。失效定位技术有多种方法，其中无需开封即可进行的无损检测有X-ray，SAM等。X-ray可用于观察元器件及多层印刷电路板的内部结构，内引线开路或短路，粘接缺陷，焊点缺陷，封装裂纹，空洞、桥连、立碑及器件漏装等缺陷。SAM则可观察到材料内部裂纹，分层缺陷，空洞、气泡、空隙等。若X-ray，SAM不能探测到失效部位，则需要对元器件进行开封处理，而后可进行其他方法的失效定位，如显微检查。

2、样品制备技术

解决大部分失效分析，都需要采用解剖分析技术，即对样品的剖层分析，它不对观察和测试部分存在破坏。样品的制备步骤一般包括：打开封装、去钝化层，对于多层结构芯片来说，还要去层间介质。打开封装可以使用机械开封或化学开封方法。去钝化层可使用化学腐蚀或等离子体腐蚀（如ICP、RIE）的方法，或FIB等。

3、显微分析技术

失效原因的分析，失效机理的确定及前文提到的失效定位都要用到显微分析技术。显微分析一般采用各种显微镜，且他们各具优缺点，如景深大成像立体感强的体视显微镜；平面成像效果好颜色突出的金相显微镜；放大倍数高（可达几十万倍）的SEM；制样要求高可观察到晶格结构的TEM；成像精度不高但操作方便的红外显微镜；成像精度较高的光辐射显微镜等，要根据实际情况进行设备和方法的选择。

4、应力验证技术

电子元器件在不同的环境中可靠性存在差异，如不同湿度、温度下产生的应力，不同电流、电压下产生的电应力等，都会导致电子元器件性能的变化，或失效。因此，可以模拟各种环境参数，来验证元器件在各种应力下的可靠性。

5、电子分析技术

利用电子进行失效分析的方法很多，如EBT，EPMA，SEM，TEM，AES等。

6、成份分析技术

需要确定元器件中某部分的成份和组份即需要用到成份分析技术，以判断是否存在污染，或组份是否正确，而影响了元器件的性能。常用设备有EDS，EDAX，AES，SIMS等。