發現失效電子元器件、尋找失效原因

發現失效器件、尋找失效原因、改進提高可靠性，這就是“失效分析”？

失效分析的定義及意義

可靠性工作的目的不僅是為了了解、評價電子元器件的可靠性水平，更重要的是要改進、提高電子元器件的可靠性。所以，在從使用現場或可靠性試驗中獲得失效器件后，必須對它進行各種測試、分析，尋找、確定失效的原因，將分析結果反饋給設計、制造、管理等有關部門，采取針對性強的有效糾正措施，以改進、提高器件的可靠性。這種測試分析，尋找失效原因或機理的過程，就是失效分析。

失效分析對電子元器件失效機理、原因的診斷過程，是提高電子元器件可靠性的必由之路。元器件由設計到生產到應用等各個環節，都有可能失效，從而失效分析貫穿于電子元器件的整個壽命周期。因此，需要找出其失效產生原因，確定失效模式，并提出糾正措施，防止相同失效模式和失效機理在每個元器件上重復出現，提高元器件的可靠性。

歸納起來，失效分析的意義有以下5點：

1、通過失效分析得到改進設計、工藝或應用的理論和思想。

2、通過了解引起失效的物理現象得到預測可靠性模型公式。

3、為可靠性試驗條件提供理論依據和實際分析手段。

4、在處理工程遇到的元器件問題時，為是否要整批不用提供決策依據。

5、通過實施失效分析的糾正措施可以提高成品率和可靠性，減小系統試驗和運行工作時的故障，得到明顯的經濟效益。

失效的分類

在實際使用中，可以根據需要對失效做適當的分類。

按失效模式，可以分為開路、短路、無功能、特性退化（劣化）、重測合格；按失效原因，可以分成誤用失效、本質失效、早期失效、偶然失效、耗損失效、自然失效；按失效程度，可分為完全失效、部分（局部）失效；

按失效時間特性程度及時間特性的組合，可以分成突然失效、漸變失效、間隙失效、穩定失效、突變失效、退化失效、可恢復性失效；

按失效后果的嚴重性，可以分為致命失效、嚴重失效、輕度失效；按失效的關聯性和獨立性，可以分為關聯失效、非關聯失效、獨立失效、從屬失效；按失效的場合，可分為試驗失效、現場失效（現場失效可以再分為調試失效、運行失效）；按失效的外部表現，可以分為明顯失效、隱蔽失效。

失效機理

電子元器件的失效主要是在產品的制造、試驗、運輸、存儲和使用等過程中發生的，與原材料、設計、制造、使用密切相關。電子元器件的種類很多，相應的失效模式和機理也很多。失效機理是器件失效的實質原因，說明器件是如何失效的，即引起器件失效的物理化學過程，但與此相對的是它遲早也要表現出的一系列宏觀性能、性質變化，如疲勞、腐蝕和過應力等。

電子元器件的主要失效機理有：

1、過應力（EOS）：是指元器件承受的電流、電壓應力或功率超過其允許的最大范圍。

2、靜電損傷（ESD）：電子器件在加工成產、組裝、貯存以及運輸過程中，可能與帶靜電的容器、測試設備及操作人員相接觸，所帶靜電經過器件引腳放電到地，使器件收到損傷或失效。

3、閂鎖效應（latch-up）：MOS電路中由于寄生PNPN晶體管的存在而呈現一種低阻狀態，這種低阻狀態在觸發條件去除或終止后仍會存在。

4、電遷移（EM）：當器件工作是，金屬互聯線內有一定的電流通過，金屬離子會沿導體產生質量的運輸，其結果會使導體的某些部位出現空洞或晶須。

5、熱載流子效應（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，當其能量達到或超過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，產生界面態、氧化層陷阱或被陷阱所俘獲，使氧化層電荷增加或波動不穩，這就是熱載流子效應。

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

7、與時間有關的介質擊穿（TDDB）：施加的電場低于柵氧的本征擊穿強度，但經歷一定的時間后仍會發生擊穿現象，這是由于施加應力的過程中，氧化層內產生并聚集了缺陷的原因。

8、由于金-鋁之間的化學勢不同，經長期使用或200℃以上的高溫存儲后，會產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，最后導致開路。在300℃高溫下還會產生空洞，即柯肯德爾效應，這種效應是高溫下金向鋁中迅速擴散并形成化合物，在鍵合點四周出現環形空間。使鋁膜部分或全部脫離，形成高阻或開路。

9、“爆米花效應”：塑封元器件塑封材料內的水汽在高溫下受熱發生膨脹，使塑封料與金屬框架和芯片間發生分層效應，拉斷鍵合絲，從而發生開路失效。

失效分析技術

失效分析技術是失效分析說使用的手段和方法，它主要包括六大方面的內容：失效定位技術；樣品制備技術；顯微分析技術；應力驗證技術；電子分析技術；成份分析技術。

1、失效定位技術

失效定位技術的主要目的是確定檢測目標的失效部位，隨著現代集成電路及電子元器件的復雜化，失效定位技術就顯得尤為重要。失效定位技術有多種方法，其中無需開封即可進行的無損檢測有X-ray，SAM等。X-ray可用于觀察元器件及多層印刷電路板的內部結構，內引線開路或短路，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。SAM則可觀察到材料內部裂紋，分層缺陷，空洞、氣泡、空隙等。若X-ray，SAM不能探測到失效部位，則需要對元器件進行開封處理，而后可進行其他方法的失效定位，如顯微檢查。

2、樣品制備技術

解決大部分失效分析，都需要采用解剖分析技術，即對樣品的剖層分析，它不對觀察和測試部分存在破壞。樣品的制備步驟一般包括：打開封裝、去鈍化層，對于多層結構芯片來說，還要去層間介質。打開封裝可以使用機械開封或化學開封方法。去鈍化層可使用化學腐蝕或等離子體腐蝕（如ICP、RIE）的方法，或FIB等。

3、顯微分析技術

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顯微分析技術。顯微分析一般采用各種顯微鏡，且他們各具優缺點，如景深大成像立體感強的體視顯微鏡；平面成像效果好顏色突出的金相顯微鏡；放大倍數高（可達幾十萬倍）的SEM；制樣要求高可觀察到晶格結構的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，要根據實際情況進行設備和方法的選擇。

4、應力驗證技術

電子元器件在不同的環境中可靠性存在差異，如不同濕度、溫度下產生的應力，不同電流、電壓下產生的電應力等，都會導致電子元器件性能的變化，或失效。因此，可以模擬各種環境參數，來驗證元器件在各種應力下的可靠性。

5、電子分析技術

利用電子進行失效分析的方法很多，如EBT，EPMA，SEM，TEM，AES等。

6、成份分析技術

需要確定元器件中某部分的成份和組份即需要用到成份分析技術，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。常用設備有EDS，EDAX，AES，SIMS等