半导体器件可靠性与失效分析微电子
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2011-2012-1
教材：
付桂翠,陈颖等,<电子元器件可靠性技术教程>
北京航空航天大学出版社,2010年7月第一版.
(普通高校“十一五”规划教材)
参考书:
1. 孔学东,恩云飞,<电子元器件失效分析与 典型案例>,国防工业出版社, 2006年9月 第一版.
2. 王蕴辉,于宗光等,<电子元器件可靠性设 计>,科学出版社.
局域缺陷：氧化物针孔等点缺陷，不可完全消除， 损失的成品率更高。
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自20世纪60年代以后，很多真空电子器 件已逐步为固态电子器件所取代，但在高频 率、大功率领域，真空电子器件仍然具有相 当生命力，而电子束管和光电管仍将广泛应 用并有所发展。[1] 真空电子器件里面就包含 真空断路器，真空断路器具有很多优点，所 以在变电站上应用很多。真空断路器已被快 易优收录，由于采用了特殊的真空元件，随 着近年来制造水平的提高，灭弧室部分的故 障明显降低。真空灭弧室无需检修处理，当 其损坏时，只能采取更换。真空断路器运行 中发生的故障以操作机构部分所占比重较大， 其次为一次导电部分，触头导电杆等。
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▪电位器
▪失效模式：接触不良、滑动噪声பைடு நூலகம்、开路等
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▪二极管
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个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个 装置。
半导体器件可靠性与失效分析微电子ppt
02
失效分析
失效定义与分类
失效定义
器件无法完成其预定功能或性能恶化到无法接受的程度。
失效分类
功能失效和结构失效，按性质可分为软失效和硬失效，按物理效应可分为可恢复失效和不可恢复失效 。
失效分析方法
外观检查
电气测试
X射线检测
切片分析
化学成分分析
通过肉眼观察器件外观 是否存在明显的缺陷或 损伤，如裂纹、变形、 烧伤等。
05
案例分析与讨论
典型失效案例分析
案例1
一个高可靠性MEMS压力传感器的失效分析 。
案例2
一个微电子电路中的热失效问题。
案例3
一个存储器芯片的突发性失效。
失效预防与可靠性提升措施
预防措施1
采用高可靠性设计和制造技术。
预防措施2
优化芯片封装和测试流程。
预防措施3
重视生产过程中的质量控制。
提升措施1
控制晶圆的几何形状、表 面平整度和化学组成，确 保晶圆具有一致性和可靠 性。
薄膜沉积环节
通过优化工艺参数和选用 合适的薄膜材料，提高薄 膜的质量和可靠性。
光刻环节
精确控制光刻胶的厚度、 光刻掩膜版的质量以及曝 光能量等参数，确保器件 的尺寸精度和可靠性。
刻蚀环节
通过选用合适的刻蚀气体 、功率等参数，确保刻蚀 的效果和可靠性。
通过测试器件的电压、 电流、电阻等电气参数 ，判断器件是否存在电 气故障。
利用X射线对器件内部进 行无损检测，发现微小 缺陷和内部结构问题。
通过将器件切割成薄片 进行观察和分析，了解 器件内部结构和材料的 组成及分布情况。
采用光谱分析、质谱分 析、能谱分析等方法， 检测器件中各元素的种 类、含量及分布情况。
半导体器件失效分析的研究
半导体器件失效分析的研究摘要随着现代电子设备的普及和应用，半导体器件的失效问题越来越受到重视。
本文探讨半导体器件失效的原因以及失效分析的方法，帮助相关从业人员解决类似问题。
引言随着半导体技术的不断发展，半导体器件已经成为当今电子行业不可或缺的部分。
半导体器件的失效问题不仅会直接影响电子设备的性能和质量，还会导致一定的经济损失。
因此，对半导体器件失效问题的研究和分析显得异常重要。
半导体器件失效的原因半导体器件失效通常是由以下原因造成的：1.应力或温度引起的损坏，例如在硅可靠性测试过程中，漏电流仪量测中高应力和高温度就是主要的失败机制。
2.断路或短路造成的内部损坏。
3.腐蚀、电子迁移、枝晶、金属迁移或氧化等导致材料层面的失效。
4.环境问题，例如化学污染、湿度或氧化。
半导体器件失效分析的方法半导体器件失效分析方法通常来说可以分为以下几步：1.收集失效器件的历史资料，如原始故障记录等，并尽可能了解失效器件的使用情况及用途。
2.进行外观检查，查看失效器件是否存在表面损坏、丝印损伤等问题。
3.进行器件标识检查，确保失效器件型号与设备实际使用的型号是否一致。
4.进行失效器件电性测试，确定失效器件的电参数是否正常。
5.进行仪器分析，如扫描电镜观察、光学显微镜观察等，以确定失效器件的内部是否存在缺陷或损坏。
6.进行化学分析，以确定失效器件是否受到了污染或者氧化。
半导体器件失效问题是电子行业一个不可忽视的问题。
本文介绍了半导体器件失效的原因以及分析方法，希望这些方法能帮助相关从业人员对半导体器件失效问题有更全面的了解，更好的保证电子设备的质量和性能。
半导体器件可靠性与失效分析微电子
半导体器件可靠性与失效分析微电子半导体器件可靠性与失效分析是微电子领域的重要课题。
半导体器件的可靠性是指在一定的使用环境和使用条件下，器件在规定时间内能够正常工作的概率。
而失效（Failure）是指器件不能在规定的时间内正常工作。
半导体器件的可靠性与失效分析旨在通过对器件的性能和可靠性进行评估和分析，找出器件失效的原因，并提出相应的改进措施，从而提高器件的可靠性。
1.可靠性评估：通过一系列实验和测试，评估器件在特定环境和使用条件下的可靠性。
常见的可靠性评估方法包括寿命测试、温度循环测试、湿度测试、可靠性建模等。
通过这些评估手段，可以得到器件的失效概率和失效的规律，进而为改进器件的设计和制造提供依据。
2.失效分析：失效分析是通过对失效的器件进行物理和电学特性分析，找出失效的原因和机制。
常见的失效分析方法包括显微镜观察、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱分析(EDX)、微动电压测量、故障注入方法等。
通过失效分析可以确定故障位置和失效原因，为改进器件的设计和制造提供指导。
3.失效模式与机制研究：失效模式与机制的研究是指通过理论和实验手段，研究器件失效的模式和机制。
通过对失效模式和机制的研究，可以了解器件失效的根本原因，并提出相应的改进措施。
例如，晶体管的漏电流增加、介质击穿等都是半导体器件失效的常见模式和机制。
4.退化机制分析：半导体器件的寿命会随着使用时间的增加而发生退化，导致器件性能下降甚至失效。
退化机制分析是指通过实验和测试，研究器件在使用过程中的退化机制。
常见的退化机制包括电子迁移、电子捕捉、热失效等。
通过退化机制分析可以确定退化的原因，为延长器件寿命提供参考。
半导体器件的可靠性与失效分析对于微电子行业具有重要的意义。
高可靠性的器件可以减少电子产品的故障率，提高产品的性能和稳定性。
同时，通过对失效原因和机制的研究，可以指导器件的设计和制造，提高器件的可靠性和寿命。
因此，半导体器件的可靠性与失效分析是微电子领域一个重要的研究方向，也是推动微电子技术发展的关键之一。
半导体器件可靠性与失效分析微电子
半导体器件可靠性与失效分析微电子
1.功能失效：指器件不能按照设计要求正常工作，如逻辑门无法实现
正确的逻辑功能。
2.电气失效：指器件发生电气故障，如短路、开路、漏电等。
3.热失效：由于器件内部寄生电阻、封装散热不良等原因，导致器件
温度升高，超过其承受范围，从而导致失效。
4.机械失效：指器件由于外力作用或压力过大等原因，发生物理损坏，如断裂、划伤等。
5.等离子体效应：在高电压或高频环境下，会产生等离子体，从而对
半导体器件产生有害影响。
为提高半导体器件的可靠性，需要进行失效分析，以了解器件失效的
原因
1.失效模式分析：对不同类型的失效进行分类和描述，以便查找相应
的失效原因。
2.加速寿命测试：通过在高温、高电压、高湿度等恶劣条件下进行长
时间测试，模拟器件在实际使用中的环境，加速失效过程，以便提前发现
问题。
3.失效分析方法：包括光学显微镜、电子显微镜、故障定位分析、X
射线衍射等多种方法，用于观察器件失效的具体细节，并找出失效的原因。
4.剖析和分析失效原因：通过对失效器件的分析和试验，找出失效的
原因和机理，如晶体缺陷、金属线断裂等。
5.提高设计和工艺：根据失效分析结果，改进器件的设计和工艺，以
提高器件的可靠性。
总之，半导体器件可靠性与失效分析在微电子领域中具有重要的意义，它不仅能提高半导体器件的可靠性，还能为微电子系统的设计和制造提供
理论指导和实践经验。
随着技术的进一步发展，可靠性和失效分析将继续
成为微电子行业的研究热点。
微电子器件的可靠性评估与寿命预测技术研究
微电子器件的可靠性评估与寿命预测技术研究随着微电子器件在各行各业的广泛应用，其可靠性评估与寿命预测成为了关键的研究内容。
微电子器件的可靠性评估主要是通过对器件的可靠性参数进行测试和分析，如可靠性试验、可靠性分析等方法，从而确定器件在特定条件下的可靠性。
首先，可靠性试验是评估微电子器件可靠性的重要手段之一、常用的可靠性试验方法有老化试验、温度循环试验、湿热试验等。
老化试验是将器件置于异常工作条件下，通过加速老化的手段观察器件的失效情况，以获取其可靠性信息。
温度循环试验则是将器件在不同温度条件下循环加热和冷却，目的是模拟器件在实际工作过程中受到的温度变化，从而评估器件的可靠性。
湿热试验是将器件置于高温高湿的环境中进行老化，以检测器件对湿度的敏感性和稳定性。
通过这些试验，可以获得器件在实际使用过程中的可靠性表现，并对器件的失效机制和失效率进行研究和分析。
其次，可靠性分析是评估器件可靠性的关键方法之一、可靠性分析主要是通过故障数据统计和分析来获得器件的可靠性指标。
常用的方法包括可靠性均匀度分析、可靠性指标的估计和预测等。
可靠性均匀度分析通过对器件的统计数据进行分析，得到器件的可靠性分布情况，从而评估其可靠性水平和稳定性。
可靠性指标的估计和预测则是通过建立可靠性模型，利用统计和数学方法对器件的失效率进行估计和预测。
这些方法可以为研发人员提供可靠性评估和预测的依据，从而有针对性地改进器件设计和制造工艺，提高器件的可靠性。
最后，寿命预测是评估器件可靠性的重要内容之一、通过对器件的负载和环境条件进行测量和分析，可以预测器件的寿命情况。
寿命预测方法包括物理性能寿命模型和可靠性寿命模型两种。
物理性能寿命模型是基于器件的物理机制和性能参数建立的寿命模型，通过对器件的物理过程进行建模和仿真，预测器件的寿命情况。
可靠性寿命模型则是基于可靠性参数建立的寿命模型，通过对器件的可靠性数据进行统计和分析，预测器件的寿命情况。
这些寿命预测模型为制造商和使用者提供了预测器件寿命的依据，能够在产品设计和选择上起到重要的指导作用。
功率半导体IGBT失效分析与可靠性
功率半导体IGBT失效分析与可靠性摘要：目前，IGBT是绿色经济领域的核心技术之一，应用于航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。
作为自动控制和功率转换的关键核心部件，IGBT是不可或缺的功率核心。
利用IGBT进行电能转换，可以提高电能效率和质量，达到30%~40%的节能效果。
即使用IGBT技术改造传统设备，平均节电率仍可提高20%。
此外，IGBT也是实现能源转换的关键部件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都需要使用IGBT产品向电网输送电能。
关键词：主动式PFC升压电路；IGBT；SOA；闩锁效应；ESD；结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析，分析结果表明：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。
一、分析及生效机理1.失效器件无损检测分析。
（1）X-ray透射分析。
失效IGBT表面无损伤，万用表测试1、2、3脚互相短路，X光透射内部IGBT芯片金线焊接等无异常，芯片表面有烧毁点，分析内部过电损伤导致失效。
（2）开封解析。
对主板失效IGBT进行开封解析，内部芯片表面有击穿烧痕迹，IGBT失效均为有源区（active area）受到高能量损坏，分析主要为过电击穿失效。
IGBT等效电路如图1所示。
图1 IGBT结构描述（3）失效IGBT应用电路。
如图2，红框部分为PFC电路整流滤波部分，C401电容具有滤波和抑制EMI作用，PFC主电路部分由PFC电感L3、IGBT及快恢复二极管D901组成。
当IGBT闭合时电感L3充能，IGBT断开时电感L3释放电能。
IGBT应用电路结构图如图2所示。
图2 IGBT应用电路二、失效原因及失效机理分析经过对失效IGBT器件ESD能力检测、极限参数测试分析（极限耐压、SOA安全工作区、开关损耗、）、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足，总结归纳如下。
半导体器件可靠性与失效分析微电子
封装界面层分层 ----粘连在一起的不同层之间出现剥离或分 离的现象 原因：表面缺陷 表面存在水汽和挥发物 材料不均或表面粗糙等 塑封件因热膨胀系数不同，温度变化大时 会出现； 塑封件因吸收过多潮气，在受热例如焊接 过程中出现分层(爆米花现象)； BGA封装中，模塑料与基体界的界，可将集成电路分为: 1.半导体集成电路(基片：半导体) 即:单片集成电路(固体电路) 工艺:半导体工艺(扩散、氧化、外延等)
2. 膜集成电路(基片：玻璃、陶瓷等绝缘体) 工艺：薄膜集成电路 真空蒸镀 溅射 化学气相沉积技术 厚膜集成电路 浆料喷涂在基片上 经烧结而成(丝网印刷技术)
2.2 混合集成电路的失效 混合集成电路工艺： IC工艺：氧化、扩散、镀膜、光刻等 厚膜工艺：基板加工、制版、丝网印刷、烧结、 激光调阻、分离元器件组装等 薄膜工艺：基板加工、制版、薄膜制备、光刻、 电镀等 失效原因： 元器件失效：31% 互连失效：23%，引线键合失效、芯片粘结不良 等； 沾污失效：21%
半导体IC
无源元件精度： ≥±20～30%差 有源器件精度： ±20~30%差
集成度较低 超高频、大(极 低)功率、高压 大电流、元件 类型多的电路
集成度较高 含无源元件多、 阻值范围宽、 精度高、跟踪 温度系数好的 模拟电路
集成度最高 有源器件多，数 字电路，脉冲电 路，标准化模拟 电路
3.微电子封装技术与失效 3.1 微电子封装的分级： 零级封装：通过互连技术将芯片焊区与各 级封装的焊区连接起来； 一级封装(器件级封装)：将一个或多个IC芯 片用适宜的材料封装起来，并使芯片的焊区 与封装的外引脚用引线键合(WB)、载带自动 焊(TAB)和倒装焊(FC)连接起来，使之成为有 功能的器件或组件，包括单芯片组件SCM和 多芯片组件MCM两大类
半导体器件可靠性与失效分析培训教材课件(PPT52页)
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▪器件：在工厂生产加工时改变了分子结构的 成品，本身能产生电子，对电压电流的控制、 变换(放大、开关、整流、检波、振荡和调制 等)，也称电子器件。
▪分类(来源： ▪2007年版的 ▪《军用电子 ▪元器件合格 ▪产品目录》)
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▪声表面波器件
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3. 孙青等,<电子元器件可靠性工程>,电子工 业出版社.
理论教学内容
1.元器件概述(1) 2.元器件制造工艺与缺陷(1) 3.微电子封装技术与失效(1) 4.可靠性试验与评价技术(3) 5.使用可靠性设计(2) 6.元器件的降额设计与热设计(4) 7.静电放电损伤及防护(2) 8.可靠性筛选(2) 9.破坏性物理分析与失效分析(6) 10.失效分析案例(4)
半导体器件的失效分析与故障诊断研究
半导体器件的失效分析与故障诊断研究随着电子信息技术的不断发展，半导体器件的应用越来越普遍。
但是，使用过程中，有时会出现失效的情况，导致设备无法正常工作。
因此，对于半导体器件的失效分析与故障诊断研究，就变得尤为重要。
1. 半导体器件的失效原因半导体器件的失效原因复杂多样，主要包括：（1）自然老化。
随着器件使用时间的增加，材料老化或者损伤，常规元器件会因为劣化、开关频次过高等因素导致失效。
（2）温度变化。
半导体器件对于温度的敏感度非常高，过高或者过低的温度都会导致器件失效，这就要求在使用半导体器件时应该严格控制其温度范围。
（3）设备超负载。
半导体器件在使用过程中如果超负载，就会损坏，引起失效。
2. 故障诊断过程当半导体器件出现故障时，需要进行相应的故障诊断。
故障诊断的流程主要包括：（1）收集信息。
通过观察失效的器件，收集相关的信息，例如故障现象、失效前的行为、作用在器件上的应力等。
（2）故障预判。
根据收集到的信息，对故障可能的原因进行预判。
（3）实验检测。
使用电子检测设备对故障电路进行检测，一般需要使用特殊的检测方法和仪器。
（4）分析推断。
通过实验检测的结果，对故障原因进行分析推断。
（5）修复故障。
根据分析推断的结果，对故障进行修复。
3. 故障诊断技术针对不同的故障原因，需要采用不同的故障诊断技术。
常用的故障诊断技术有：（1）电阻率测试。
对于半导体器件损坏的情况，一般会出现电阻率的变化，可以通过进行电阻率测试来检测故障。
（2）X射线分析。
利用X射线分析技术，可以对半导体器件的内部结构进行检测，从而找出故障原因。
（3）热分析。
热分析技术可以检测半导体器件的温度变化，从而找出可能的故障原因。
（4）光学显微镜分析。
使用光学显微镜可以对器件表面和内部进行检测，直观地观察到器件的破坏形式和位置，从而推断故障原因。
4. 常见故障案例分析对于常见的半导体器件故障原因，可以结合实际案例进行分析。
（1）压敏电阻在铝电解电容正极的电压输出端口失效。
(完整版)√MOS器件及其集成电路的可靠性与失效分析
MOS 器件及其集成电路的可靠性与失效分析（提要）作者：Xie M. X. (UESTC ，成都市)影响MOS 器件及其集成电路可靠性的因素很多，有设计方面的，如材料、器件和工艺等的选取；有工艺方面的，如物理、化学等工艺的不稳定性；也有使用方面的，如电、热、机械等的应力和水汽等的侵入等。
从器件和工艺方面来考虑，影响MOS 集成电路可靠性的主要因素有三个：一是栅极氧化层性能退化；二是热电子效应；三是电极布线的退化。
由于器件和电路存在有一定失效的可能性，所以为了保证器件和电路能够正常工作一定的年限（例如，对于集成电路一般要求在10年以上），在出厂前就需要进行所谓可靠性评估，即事先预测出器件或者IC 的寿命或者失效率。
（1）可靠性评估：对于各种元器件进行可靠性评估，实际上也就是根据检测到的元器件失效的数据来估算出元器件的有效使用寿命——能够正常工作的平均时间（MTTF ，mean time to failure ）的一种处理过程。
因为对于元器件通过可靠性试验而获得的失效数据，往往遵从某种规律的分布，因此根据这些数据，由一定的分布规律出发，即可估算出MTTF 和失效率。
比较符合实际情况、使用最广泛的分布规律有两种，即对数正态分布和Weibull 分布。
①对数正态分布：若一个随机变量x 的对数服从正态分布，则该随机变量x 就服从对数正态分布；对数正态分布的概率密度函数为222/)(ln 21)(σμπσ--⋅=x e x x f该分布函数的形式如图1所示。
对数正态分布是对数为正态分布的任意随机变量的概率分布；如果x 是正态分布的随机变量，则exp(x)为对数分布；同样，如果y 是对数正态分布，则log(y)为正态分布。
②Weibull 分布：由于Weibull 分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具有递增的失效率，所以，将它作为材料或零件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强度模型是合适的；而且尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布形式。
半导体器件可靠性与失效分析微电子
可靠性影响因素
制造工艺
制造过程中的缺陷、杂质和结构变化等会影 响器件的可靠性。
环境因素
温度、湿度、压力、电磁场等环境因素对器 件的可靠性产生影响。
物理特性
器件的物理特性如尺寸、材料、结构等对可 靠性有重要影响。
电源和信号条件
电源电压、电流、信号频率和幅度等对器件 的可靠性有一定影响。
02
失效分析
失效定义与类型
失效定义
在规定条件下，半导体器件不能维持其特性或功能，称为失 效。
失效类型
分为硬失效和软失效。硬失效是指器件物理损坏，如断路、 短路或芯片脱落等；软失效是指器件性能下降，如参数漂移 、噪声增大或信号丢失等。
失效分析方法
外观检查
电路测试
通过肉眼观察或使用显微镜来检查器件的 外观是否有异常，如机械损伤、腐蚀或金 属化迁移等。
半导体器件的失效案例 分析
热失效案例
01
02
03
失效描述
半导体器件在高温下运行 时，其性能会受到影响， 导致其参数漂移或功能失 效。
原因分析
热失效通常由于热量积聚 、散热不良或热膨胀等因 素导致。
解决方案
优化器件设计、改善散热 条件或采用耐高温材料等 。
机械失效案例
失效描述
半导体器件在机械应力或 振动条件下运行时，可能 会出现裂纹、断裂或脱落 等现象。
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扫描电子显微镜（SEM）分析
通过测试电路性能来检查器件是否正常工 作，如电压、电流和电阻等参数的测量。
能谱分析（EDS）
利用SEM观察器件表面的微观结构，以确 定是否存在缺陷或污染物。
通过EDS检测器件表面的化学成分，以确定 是否存在金属污染或氧化等化学问题。
基于微电子器件的可靠性分析
基于微电子器件的可靠性分析摘要：近年来人们对于电子器件的要求越来越高，集成度要求高，造成电流密度的增加，对电子元件的耐压和公路容量的要求也在提高。
集成度高，电流密度增加，最频繁的工作量下，其器件的热分布也会有很大的变化，会造成电子元件的失效甚至损坏。
加强电子元件的可靠性，成为越来越重要的命题。
本文针对微电子器件的可靠性进行了分析。
关键词：基于微电子器件的可靠性分析随着电子信息产业的发展越来越快，微电子技术水平不断提高，对于微电子技术来说，电子产品的微型化，需要材料的支持，随着电子产品的缩小，相关物件想要达到一定的性能，会受到物理条件的制约，但微电子器件又需要朝着高集成度、高速度、高可性等方向发展，功能要求也需要日益强大。
这就需要提高微电子器件的可靠性，保证电子产品的正常运行。
1影响微电子器件可靠性的主要因素1.1热载流子效应，影响微电子器件的可靠性热载流子效应是影响微电子电路失效的重要因素之一。
集中度过高，造成电流密度的增加，器件中电荷的分布被改变，导致器件性能灵敏度下降甚至失效。
与此同时，热载流子效应会对集成电路的集成度及电路和器件的可靠性造成影响。
产生雪崩倍增效应、阀值电压飘逸、MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)性能退化、寄生晶体管效应。
雪崩倍增效应产生于热载流子与价电子之间的碰撞，一般在小尺寸的MOSFET中，因为源一漏电压的升高以及沟道长度的变化，夹断层会相应的产生变化。
若夹断层的热载流子与声子碰撞，热载流子会进入到栅氧化层，引起阀值电压飘逸，造成整个电路性能的缺失或不灵敏。
1.2金属化和点的迁移，也会影响微电子器件的可靠性金属原子发生扩散和迁移的物理现象是电迁移。
电迁移使得原子不断的聚集，另一侧则形成空洞，原子的聚集造成导电截面的缩小，于此同时导电截面的缩小又造成原子的聚集，最终导致器件完全的失效。
直流电在电子器件中作用于金属，会引起金属中离子位置的变动，这种电迁移现象，首先表现的是电阻的变化，进而影响金属膜局部出现破洞，或者是局部金属膜的堆积，造成电路的连线或者完全失效，影响器件的使用时间。
半导体器件可靠性与失效全面分析
半导体器件可靠性与失效分析微电子54页PPT
Hale Waihona Puke 谢谢你的阅读❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
半导体器件可靠性与失效分析微电子 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
电子产品可靠性试验及失效分析(论文)资料
电子产品可靠性试验及失效分析（论文）资料电子产品可靠性试验及失效分析（论文）资料毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目: 电子产品可靠性试验及失效分析作者所在系部: 电子工程系作者所在专业: 电子工艺与管理作者所在班级: 10252 作者姓名: 作者学号: 指导教师姓名: 完成时间: 2013 年 6 月 6 日北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院电子工程系毕业设计(论文)任务书姓姓名名: :专专业业: : 电子工艺与管理班班级级: : 10252 学号学号: : 指导教师指导教师: :职职称称: :讲师完成时间完成时间: :2013 年 6 月 6 日毕业设计毕业设计( (论文论文) )题目题目: : 电子产品可靠性试验及失效分析设计目标设计目标: : 通过芯片的可靠性试验和失效分析,帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷､工艺参数的不匹配或设计与操作中的不当等问题｡技术要求技术要求: : 1.能够确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量｡ 2.通过失效分析得到正确的分析结果,找到失效产生的根源｡ 3.进行封装失效的研究,提高产品的可靠性｡所需仪器设备所需仪器设备: : 计算机一台金相显微镜分析探针台成果验收形式成果验收形式: : 试工日志毕业论文参考文献参考文献: : 《电子元器件失效分析技术》､《可靠性分析在新产品研发中的作用》､《可靠性工程概述》1 5 周---6 周立题论证3 9 周---13 周试工日志时间时间安排安排 2 7 周---8 周论文总结4 14 周---16 周成果验收指导教师指导教师: 教研室主任教研室主任: 系主任系主任: 北华航天工业学院毕业论文I 摘要电子信息技术是当今新技术革命的核心,其技术基础是电子元器件,其中大部分的是微电子器件｡而可靠性就是IC 产品的生命,好的品质及使用的耐力是一颗优秀IC 产品的竞争力所在｡在做产品验证时我们往往会遇到三个问题,验证什么,如何去验证,哪里去验证,验证后的结果分析, 如何进行提高｡解决了这些问题,可靠性就有了保证,制造商才可以大量地将产品推向市场,客户才可以放心地使用产品｡与此同时,集成电路在研制､生产和使用过程中失效又不可避免,随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高,失效分析工作也显得越来越重要,通过芯片失效分析,可以帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷､工艺参数的不匹配或设计与操作中的不当等问题｡关键词电子产品可靠性芯片封装失效分析目录北华航天工业学院毕业论文II 第 1 章绪论1 1.1 产品可靠性与封装失效 1 1.1.1 电子产品可靠性1 1.1.2 芯片封装失效1 1.2 电子产品可靠性试验的目的1 1.3 失效分析概述及发展现状 2 第 2 章电子产品的可靠性试验 4 2.1 电子产品的可靠性指标 4 2.2 可靠性试验的特点和分类 4 2.3 可靠性测试内容 5 2.4 可靠性试验方案的设计 5 2.4.1 试验类型的选择 5 2.4.2 环境条件及应力的确定6 2.4.3 统计试验方案的参数确定 6 2.5 可靠性试验的数据分析与处理7 2.5.1 可靠性试验的数据分析方法7 2.5.2 电子设备产品可靠性试验数据的处理7 第 3 章芯片封装的失效分析8 3.1 失效的分类8 3.2 芯片失效分析的主要步骤和内容9 3.3 封装失效分析的流程.10 3.4 失效分析中的破坏性物理分析和显微分析方法.11 3.4.1 破坏性物理分析.11 3.4.2 常用的显微分析技术.12 3.5 芯片封装失效分析的意义.15 第 4 章结论17 致谢18 参考文献19 附录20 北华航天工业学院毕业论文 1 电子产品可靠性试验及失效分析第 1 章绪论 1.1 产品可靠性与封装失效 1.1.1 电子产品可靠性随着电子技术的发展,我们对电子设备产品也提出了更高的要求｡由于设备技术性能和结构要求等方面的提高,可靠性问题愈显突出｡如果没有可靠性保证,高性能指标是没有任何意义的,现代用户买产品就是买可靠性,对生产厂家来说,可靠性就是信誉,就是市场,就是经济效益｡从整机来讲,可靠性贯穿于设计､生产､管理中｡从部件､元器件的角度来讲,电子元器件的可靠性水平决定了整机的可靠性程度｡可靠性属于质量的范畴,是产品质量的时间函数｡从基本概念上讲,可靠性指标与质量的性能指标所强调的内容是不同的,可靠性的基本概念与时间有关,这些基本概念的具体化,就是产品故障或寿命特征的数学模型化｡只有通过可靠性试验才能确定产品故障或寿命特征符合哪一种数学分布,才可以决定产品的可靠性指标,进而推算产品的可靠程度｡ 1.1.2 芯片封装失效目前微电子产业已经相对独立为设计,制造,封装这三个方面｡在这三方面中,封装占了大约25%-35%的比重,并且随着微电子产业的发展,占的比重越来越大｡在这些元器件流向市场,并到最终运用过程中,封装起着巨大的作用,输入输出互连,保护和散热都是这些作用中的一部分｡封装用的材料众多,材料与材料之间的性能也各有差异,这些性能的失配将在使用过程中产生各种应力,并导致元器件的相关封装失效｡在目前微电子产业中,元器件的失效至少有1/3 都是由封装引起的｡随微电子产业的发展,元器件朝着高密度化,轻型化,小型化,薄型化的方向发展,封装中常见的一些失效使封装就成为这个发展的瓶颈｡了解这些封装失效的原理和分类,对进行封装失效的研究,提高产品的可靠性是很有帮助的｡ 1.2 电子产品可靠性试验的目的可靠性试验是对产品进行可靠性调查､分析和评价的一种手段｡试验结果为故障分析､研究采取的纠正措施､判断产品是否达到指标要求提供依据｡具体目的有: 1.发现产品的设计､元器件､零部件､原材料和工艺等方面的各种缺陷;2. 为改善产品的完好性､提高任务成功性､减少维修人力费用和保障费用提供信息; 北华航天工业学院毕业论文 23. 确认是否符合可靠性定量要求｡为实现上述目的,根据情况可进行试验室试验或现场试验｡试验室试验是通过一定方式的模拟试验,试验剖面要尽量符合使用的环境剖面,但不受场地的制约,可在产品研制､开发､生产､使用的各个阶段进行｡具有环境应力的典型性､数据测量的准确性､记录的完整性等特点｡通过试验可以不断地加深对产品可靠性的认识,并可为改进产品可靠性提供依据和验证｡现场试验是产品在使用现场的试验,试验剖面真实但不受控,因而不具有典型性｡因此, 必须记录分析现场的环境条件､测量､故障､维修等因素的影响,即便如此,要从现场试验中获得及时的可靠性评价信息仍然困难,除非用若干台设备置于现场使用直至用坏,忠实记录故障信息后才有可能确切地评价其可靠性｡当系统规模庞大､在试验室难以进行试验时,则样机及小批产品的现场可靠性试验有重要意义｡ 1.3 失效分析概述及发展现状失效分析,作为可靠性技术的重要组成部分,伴随集成电路的出现而已经存在很多年了｡现在,国外的失效分析技术已经很成熟｡国内的失效分析起步较晚,于20 世纪50 年代开始于军事方面的研究需求,运用范围比较窄｡于70 年代开始,我国的失效分析开始进入实践阶段,运用于航空航天领域的失效研究｡80 年代我国的失效分析研究取得了长足的进步,进入民用集成电路,扩大了运用范围,并相继制定了一系列相关的失效标准｡自封装在国内发展以来,我国素有“世界封装工厂”之称,但是纵观国内每年封装排名前十的企业中,大多是外资或者合资企业,真正的本土产业少｡而从封装的产品的形式来看, 多数是DIP 等分立器件的封装,而真正的BGA,CSP 等大型集成电路的封装少;从产品的寿命和质量上看,比国外和国内的外资企业封装的产品要差;据调查法国的SGS-THOMSON 公司可靠器件生产线封装时,公司的水汽含量内控标准是30ppm,实测值是2ppm;国内调查了20 个为卫星提供半导体器件的国内可靠性厂,有1/3 的生产厂不做内部水汽含量控制, 这些容易导致器件在使用过程失效｡国内产业在失效分析力度的不够是造成这些的原因之一｡国内的失效分析,就失效分析设备的硬件水平来说,大多数硬件属于比较老式的分析仪器,少数研究所采用了较先进的分析仪器,但是毕竟没有大规模的运用,这样就限制了国内整体的失效分析的水平,在未来的新的失效分析设备的开发上,国内也落后于国外,例如SEM,SAM 等这样常用的分析设备,基本上还是靠国外进口;在失效分析管理上来说,国外很早就建立各种器件失效和可靠性的相关标准来对器件的可靠性进行严格的保证,并且对每次进行的失效分析和所获得的相关失效模式,失效原因等都进行系统化管理,建立了庞大的失效分析数据库,而国内同样也建立一些失效和可靠性的相关标准,但是在失效管理上没有达到国外的水平,系统化,网络化也只是处于发展初期;失效分析软件作为失效分析的一种主要的辅助工具,也代表了失效分析的发展水平;国外的失效分析起步比较早,现在发展到北华航天工业学院毕业论文 3 比较成熟的阶段,有很多软件开发公司,各种应力分析软件,可靠性预测软件等品种繁多;国内的这方面起步比较晚,主要是靠进口国外的失效分析软件,并进行了一些自主开发;在国外各种可靠性和失效的学术交流进行很活跃,例如国际可靠性物理会议及国际可靠性与可维修性会议每年进行一次;就国内来说,随着我国失效分析技术的发展,相关的国际会议在我国的陆续的进行,国内的学术交流也在逐渐的形成一个良好的氛围,但是仍然处于初步发展阶段｡在集成电路不断发展,电路的集成度的不断提高,工艺的线宽不断减小的今天,器件的缺陷会变得的更小,达到纳米的数量级;新的封装新式的出现,倒装片要求非破坏性和背部探伤的失效分析技术的发展与完善;新的工艺材料和封装材料的引入,会引入新的失效和缺陷等等｡在未来发展的过程中,无论是失效根源的查找,还是失效的预防,还是可靠性设计方面,要真正的发展我国的封装产业,并建立“世界封装厂”,失效分析技术扮演的角色越来越重要｡第 2 章电子产品的可靠性试验北华航天工业学院毕业论文 4 2.1 电子产品的可靠性指标大量统计资料证明:电子设备产品的失效分布一般服从指数分布｡从电子设备产品及许多电子元器件的失效机理来看,随着时间的足够长,失效率趋近于一个稳定值,其基本特征可以用指数函数的曲线相比拟, 即服从指数分布,因此电子设备产品的可靠性指标有: 可靠度累积失效概率失效密度函数平均故障间隔时间MTBF: 由上可看出在指数分布时产品的可靠性指标表示式比较简单,并且失效率λ 是一个常数｡在进行电子设备产品可靠性分析时,只要得到λ 的数值,其它指标就可以直接算出来｡ 2.2 可靠性试验的特点和分类电子设备产品的可靠性指标是一些综合性､统计性的指标,与质量性能指标完全不同, 不可能用仪表､仪器或其它手段得到结果,而是要通过试验,从试验的过程中取得必要的数据,然后通过数据分析,处理才能得到可靠性指标的统计量｡可靠性指标的实现主要依靠现场试验或模拟现场条件试验,所以可靠性试验不同于一般设备的性能试验｡从广义上讲,为了了解､评价､分析和提高电子设备产品的可靠性水平而进行的试验,可以用来确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量｡一般说电子设备产品的可靠性试验可以分为研制阶段的试验,可靠性验收试验,可靠性增长试验,元器件老炼试验,极限试验, 负荷及过负荷试验,过载能力试验等,这类试验的目的是了解设计是否满足了可靠性指标的要求,找出或排除设计与制造过程中的缺限和不足,证明设计可靠性能否实现,因而可靠性试验可以根据设备研制过程中的不同阶段,不同要求进行各种不同的试验｡对于不同的电子设备产品,所要达到的目的不同,可以进行的可靠性试验形式也就各异,因此可靠性试验对于电子设备产品来说是一个系统工程,电子设备产品的可靠性试验可以归纳为以下几大类型(如图2-1 所示)｡环境引力试验（全数）可靠性工程试验寿命试验模拟试验（全寿命）破坏性试验环境试验可靠性鉴定试验（评价）可靠性增长试验（TAAF）循环非破坏性试验可靠性试验北华航天工业学院毕业论文 5 图2-1 可靠性试验的类型 2.3 可靠性测试内容可靠性测试应该在可靠性设计之后,但目前我国的可靠性工作主要还是在测试阶段,这里将测试放在前面｡为了测得产品的可靠度(也就是为了测出产品的MTBF),我们需要拿出一定的样品,做较长时间的运行测试,找出每个样品的失效时间,根据第一节的公式计算出MTBF,当然样品数量越多,测试结果就越准确｡但是,这样的理想测试实际上是不可能的,因为对这种测试而言,要等到最后一个样品出现故障――需要的测试时间长得无法想象,要所有样品都出现故障——需要的成本高得无法想象｡为了测试可靠性,这里介绍:加速测试,使缺陷迅速显现;经过大量专家､长时间的统计,找到了一些增加应力的方法,转化成一些测试的项目｡如果产品经过这些项目的测试,依然没有明显的缺陷,就说明产品的可靠性至少可以达到某一水平,经过换算可以计算出MTBF｡ 2.4 可靠性试验方案的设计电子设备产品可靠性试验计划的基本内容应含有:(1)试验的目的和要求;(2)试验样机数量;(3)试验条件(环境､维修等);(4)试验类型的确定和统计试验方案的选择;(5)判断方法､失效判据,故障判据等等｡这里需要指出的是样机数量,对于可靠性增长试验,试验样机多一些是必要的,对鉴定和接收试验来说,样机多一些可以提高试验结果的置信度｡一般鉴定试验不足三台则全数试验｡接收试验不得少于 3 台,推荐样机数量为每批设备的10%｡总之可靠性试验方案要根据电子设备产品的实际使用条件和故障特征选择合适的试验方案｡ 2.4.1 试验类型的选择 1.老产品已生产多年,未进行可靠性设计,现产品的生命力较强,需要继续生产,可选择可靠性测定试验,测出设备的MTBF 验证值,同时根据暴露的问题采取措施,提高产品的可可靠性统计试验可靠性验收试验（接受批）模拟环境试验自然放置试验北华航天工业学院毕业论文 6 靠性｡ 2.新产品处于设计试制阶段,可通过可靠性试验暴露产品中的薄弱环节,以便采取改进措施,提高产品的固有可靠性,可选择可靠性增长试验｡ 3.新产品设计定型､生产定型和产品创优,可选择可靠性鉴定试验,一般情况下选用定时截尾或定数截尾试验方案,以对产品的MTBF 真值作出估计｡ 4.根据供需双方鉴定的合同规定,需要对产品的MTBF 真值作验证的,可选择可靠性验收试验,采用定时截尾或定数截尾试验方案｡若供需双方鉴定的合同规定,只要通过了系统试验方案就可交货,不需对产品的MTBF 真值作出估计,可选用概率比序试验方案,这种情况特别适用单台大型电子设备产品｡ 2.4.2 环境条件及应力的确定根据使用方向生产方提供的电子设备产品任务书或供需双方签订的合同,搞清电子设备产品在工作时所处的环境条件及给予它的应力｡如果无特殊要求,应按电子设备产品总技术条件要求,在试验室模拟进行,一般情况下可采用图2-2 所加的应力及循环方式｡图2-2 电子设备可靠性试验方案所加的应力及循环方式 2.4.3 统计试验方案的参数确定 1.θ0(可接收的MTBF 值)的确定｡θ0应小于等于θ′(θ′是按照电子设备产品所处的环境条件和应力,用可靠性预计方法确定的MTBF 值)｡θ0确定之后,根据选择的鉴别比Dm(Dm =θ0/θ1),就可以计算出θ1(θ1指最低可接受的MTBF 值)｡2.生产方风险率α､使用方风险率β 的选择｡一般情况下,供需双方签订的合同(包括协议书)已定的可按合同执行｡如果合同无规定,或是生产厂家自行验证,一般情况下可选择北华航天工业学院毕业论文7 0.2~0.3,高风险可选择0.3~0.4｡ 3.试验时间t 的选择｡除与α､β 有关外,主要取决于电子设备产品属于何种类型,该设备能否长时间进行可靠性试验,试验费用的大小｡ 2.5 可靠性试验的数据分析与处理 2.5.1 可靠性试验的数据分析方法可靠性试验的数据分析的基础就是产品寿命分布函数及参量之间的关系｡例如故障与应力(电､热､振动､温度等)的对应关系;故障与产品早期性能变化的规律等,这些包含有两个变量的数据,在分析时就可用相关及回归分析方法,或用最小二乘法,从试验中取得的数据,可以制成各种图,如直方图,拆线图等,拟合成直线､曲线用以确定产品故障(寿命)的数学模型,由模型就可写出其可靠性指标,最后推算出该产品的可靠性参数值｡ 2.5.2 电子设备产品可靠性试验数据的处理可靠性试验的数据是一些实际的､多因素的信息集体,对于电子设备产品来说,试验的目的不同,所需采集的数据种类就不同,因此要用试验的观测值来估计设备的可靠性特征值,这是电子设备产品可靠性试验数据处理的关键｡我们知道MTBF 是衡量电子产品可靠性的一个重要指标,并且检验下限应等于电子设备产品最低可接受的MTBF｡实际工作中常采用观测值的点估计即: 式中,为MTBF(电子设备产品)观测点估计值;T 为电子设备产品试验时间总和;r 为电子设备产品在试验中的故障次数｡第3 章芯片封装的失效分析北华航天工业学院毕业论文8 3.1 失效的分类在电子元器件的失效物理与失效分析中,常用的失效类型有以下几种: 1.从失效率浴盆曲线区分在大量电子元器件的使用及试验中,获得了大量失效率λ(t)(元器件在t 时刻尚未失效,在t 时刻后的单位时间内发生失效的概率)和时间的关系曲线,因其形状像浴盆故得名为浴盆曲线｡如图3-1 所示,就是浴盆曲线的图片｡早期失效是浴盆曲线的盆边,失效率较高,早期失效的失效因素较简单,有一定的普遍性｡不同批次,不同晶体,不同工艺的元器件其早期失效的延续时间,失效比例是不同的｡严格的工艺操作和工序检验,可以减少这个阶段的失效｡给予适当的应力,进行合理的筛选,可使元器件在正式使用时早把早期失效的元器件剔除掉,使元器件的失效率达到或接近偶然失效的较高可靠性水平｡这也是元器件生产厂及使用方进行例行筛选试验的目的｡显然试验时间过长,施加应力过大,又会损坏元器件的平均寿命(元器件失效的平均时间)｡浴盆曲线的盆底平坦段是偶然失效阶段｡此阶段失效率低且变化不大,近似为常数,是元器件较好的使用期｡偶然失效时电子元器件中多种不很严格的偶然失效因素发生的失效｡耗损失效时电子元器件由于老化,磨损,损耗,疲劳等带有一定全局性的原因造成的失效｡此时元器件进入严重的损伤期,失效率随时间的延续而明显上升｡图3-1 浴盆曲线 2.失效按性质及性质变化区分(1)致命失效致命失效是指电子元器件完全丧失规定功能而无法恢复的一类失效｡例如: 膜电容器或MOS 电容器的瞬时电击穿,导致极间形成短路,使电容器完全丧失功能且不能恢复｡(2)漂移性失效北华航天工业学院毕业论文9 元器件的一个或某些基本参数发生漂移,退化性变化超过规定值,以致不能完成规定功能的失效,如电阻器的阻值变化超过允许范围,半导体器件反向漏电流超差,连接器或开关等接插件的接触不良,在规模集成电路中MOSFET 的阀值电压退化等｡(3)间竭失效元器件在使用或试验过程中呈现出时好时坏的一类失效｡如:元器件的封壳内混有导电性的多与无颗粒及表面的沾污会引起瞬时的断路｡元器件的接点虚焊也会引起间竭失效｡ 3.失效的起源和失效的场合(1)人为失效属于人为的使用,操作所引起的元器件失效,其中使用失效时在元器件使用时由于超过其规定能承受的应力所引起的失效｡而误操作失效是由于错误或不小心操作而发生的失效｡例如,使用时加在器件上的正负电极接错属于无操作,由此引起失效为误操作失效,也就是人为失效｡又如,加在元器件上电负荷超过规定引起失效属误用失效,也属于人为失效｡(2)现场失效元器件在现场使用或工作时发生的失效｡(3)试验失效元器件在施加一定应力条件的试验时引起的失效｡ 4.失效的关联性在失效分析时,区别非关联失效和关联失效是很重要的｡在分析失效的成因及元器件在可靠性的改进措施中,必须将这两类失效区分开来｡(1)非关联失效或独立失效它们是按失效是否与系统中其他器件的影响有关而区分的｡非关联(独立)失效是元器件失效是元器件失效,由其本身原因造成,和系统中其他元器件,部件等的影响无关｡例如:电容器在规定的工作条件和时间内因电解质的烧化引起电解老化失效｡(2)关联失效或从属失效元器件的失效是其他部件先失效而引起的一种连带失效｡例如,电容器本身工作没有失效,但因电。
半导体器件可靠性与测试和主要研究内容
半导体物理学 半导体工艺学 材料学 化学 冶金学 电子学
环境工程学
系统工程学
绪论
干什么？
表征 技术
半导体可靠性物理学
研究任务
失效规律、模式 失效机理
可靠性评估、可靠性设计和使用规范等
简而言之，半导体可靠性物理学主要是从发生在半导体内部
的各种物理效应的角度，从原子、分子运动的角度来研究如何 提高半导体可靠性的一门学科。
起小电流增益减少等。
• 使用问题引起的损坏：静电损伤、电浪涌损伤、机械损伤，过高温度引起的破
坏、干扰信号引起的故障、焊剂腐蚀管腿等。
器件失效分析的作用
绪论
工艺和设计的纠正措施
原材料
工艺质量控制
失 效 分 析
可靠性试验
工艺规范
生产工序 工艺筛选
产品筛选
使用和设计的纠正措施
机器装调和运行
绪论
半导体器件的可靠性
究问题
突出研究思路和方法－不过多介绍已有的规范和检测程序
绪论
半导体可靠性物理学
课后讨论问题
1、谈谈你对半导体可靠性问题的认识？
2、你认为半导体可靠性的研究都有哪些工作？
3、结合你的兴趣和课题，谈谈你最感兴趣的可靠性问题 有哪些？
绪论
半导体可靠性物理学
课程的重点
主要讲解的问题：
What failed? 什么 失效?－判定范围
How did it failed? 怎么 失效?－失效表征
Why did it failed? 为什么 失效?－退化机制
力求：
含盖当前生产工艺技术所存在的主要的可靠性问题－删
除过时、陈旧的内容
强调重点，有针对性－加入最新的研究成果、结合实际的研
微电子器件 可靠性 失效分析技术 设备04-3 04-4
四、显微形貌像技术
▪ 光学显微镜分析技术
▪ 是进行电子元器件失效分析的主要工具之一。光 学显微镜的特点是操作简单、不需真空条件，不 必去钝化层和层间介质，图像彩色透明，能观察 多层金属化的芯片。缺点是景深小，空间分辨率 低，放大倍数小，观察芯片的细微结构有一定困 难。
▪ 图某微处理器芯片局部过电损伤引起电源线烧毁 的光学显微镜照片。
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三、样品制备技术
▪ 样品制备的种类、作用和风险
▪ 去钝化层和层间介质，保留金属化层和硅材料，要 求样品制备技术具有选择性。保留金属化层以及其 正下方的介质，要求样品制备技术具有方向性。
▪ 由于失效样品的数量极少，内含重要信息，进行样 品制备有很大风险，稍有不慎，会引人新的缺陷， 造成失效分析结果失真，或完全损毁样品，造成失 效信息的丢失。研究样品制备技术的工艺条件及其 监控技术，对降低制样风险有重要作用。
▪ 陶瓷扁平封装可用扁平封装剪切开封器开封
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▪ 金属盖陶瓷封装可在研磨后用利器揭开；如果金属 盖是用软焊料焊接，则可用加热把焊料熔化揭开金 属盖。
▪ 由于封装形式种类繁多，不可能逐一列出各自的步 骤。但是，由于失效样品的稀缺性和重要性，为防 止制样风险，在机械开封前，最好能通过X射线透视 了解器件的封装结构，必要时可用一个同类封装结 构的产品，进行实验性开封，取得经验后才对失效 样品进行开封。
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三、样品制备技术
▪ 多层结构芯片的反应离子腐蚀（RIE）技 术
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三、样品制备技术
▪ 去金属化层技术
▪ 观察CMOS电路的氧化层针孔和铝-硅互熔引 起的PN结穿钉现象，以及确定存储器的字线 和位线对地短路或开路的失效定位，时常需 去除金属化层。湿法去除铝层的配方为 30%HCI溶液或30%硫酸，溶液温度范围从 室温到50℃ 。该配方对腐蚀液浓度要求不严 格，浓度只影响腐蚀速率。配方对氧化层和 硅无损伤。
微电子器件与IC的可靠性与失效分析4
微电子器件与IC的可靠性与失效分析——（二）失效机理及其预防措施（小结）[Ⅱ]2010-06-08 08:29:57| 分类：微电子电路| 标签：衬底寄生晶体管mos ic|字号订阅（IC的失效机理主要有哪些？预防各种失效的主要措施分别有哪些？）作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)（8）寄生沟道：寄生沟道是在半导体表面上不需要导电的地方无意中出现的一种导电通路，这会破坏器件和集成电路的性能——失效。
在IC中寄生沟道的产生原因主要有两个：①芯片表面上连线不当。
一般来说，硅表面上的导体（金属或者掺杂多晶硅）都有可能形成寄生沟道。
若有导体跨越在两个扩散区之上，即会出现寄生沟道、有电流通过。
因为寄生沟道往往很长，故寄生沟道引起的电流一般较小；但即使如此，这种小的漏电流对于低功耗模拟电路而言，也会导致其参数发生变化——失效。
一般，当具有较高电压的引线跨越轻掺杂半导体表面时，就有可能在其下面产生反型层——寄生沟道。
②与绝缘膜有关的静电电荷散布。
在芯片表面不存在导体的情况下，有时候也会在硅表面上形成导电的寄生沟道，这主要就是由于所谓电荷散布的缘故。
对于附着在半导体表面上的绝缘膜（氧化膜、氮化膜），一般是比较完美的，不会导电；但是静电电荷（主要是电子电荷）可以在绝缘膜中、或者在两个绝缘膜的界面处积累，并且发现这些静电电荷在电场作用下能够缓慢地移动——电荷散布。
当有电荷散布在半导体表面上时，即起着导体的作用，从而可以形成寄生沟道（p型导电沟道）。
当然，污染越严重、温度越高、湿气越大，电荷散布的作用就越强，造成的影响也就越大；此外，热载流子注入也会引起这种电荷散布效应。
在不加偏置的条件下来对失效的芯片进行烘烤（200～250oC），即可判断是否电荷散布效应所引起的失效。
因为散布的电荷是可以移动的，并且在较高温度下移动加快，所以，如果在经过烘烤之后，器件性能可以恢复，那么这时就可以认定，引起寄生沟道而导致失效的主要原因是电荷散布效应；否则为表面走线不当所造成的失效。
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BGA封装中，模塑料与基体界的界面及粘 胶处易发生水汽爆裂。
?应力迁移(Stress Migration)
引子：铜互连替代铝互连，虽然铜的电阻率 较低，抗电迁移和应力迁移能力强，但应 力迁移诱生空洞，导致电阻增大甚至完全 断裂
出现条件：应力梯度—绝缘介质与铜之间的 热失配所致
源极流经此区的电子成为热电子，碰撞增多 ---漏极雪崩热载流子；
注入栅极二氧化硅膜中，使其产生陷阱和界 面能级，阈值电压增加，氧化层电荷增加 或波动不稳，器件性能退化
?与时间相关的介质击穿(Time Dependent Dielectric Breakdron)
击穿模型：I/E(空穴击穿)，E(热化学击穿)
3. 混合集成电路(Hybrid Integrated Circuit)
特点： 充分利用半导体集成电路和膜集成电
路各自的优点，达到优势互补的目的．
工艺： 用膜工艺制作无源元件，用半导体IC
或晶体管制作有源器件．
?三种集成电路的比较 :
混合IC 成本低 可靠性好 自由度大 设计周期短 1? ~1M ? 1~10? F 10mH
膜IC
半导体IC
批量时成本下降 在批量时下降
可靠性好
可靠性最好
自由度较大
自由度受限制
设计周期较短 设计周期长
1? ~10M ?
101? ~101k ?
1.2? F
50pF
100? H
不能实现
混合IC
膜IC
无源元件精度： ≥±10% 有源器件精度： ±10～20%
集成度较低
无源元件精度： ≥±５% 有源器件精度： ±10～20%
?塑性变形 当应力超过材料的弹性限度或屈服点时， 将发生塑性变形(永久)：
金属：电阻升高或开裂
陶瓷等脆性材料：开裂
MEMS系统：影响精度甚至不能正常工作
?封装界面层分层
----粘连在一起的不同层之间出现剥离或分 离的现象
原因：表面缺陷
表面存在水汽和挥发物
材料不均或表面粗糙等
塑封件因热膨胀系数不同，温度变化大时 会出现；
2.蠕变----机械应力作用下原子缓慢运动的现 象；变形、空洞；
3.微粒污染----阻碍器件的机械运动； 4. 磨损----尺寸超差，碎片卡入； 5. 疲劳断裂----疲劳裂纹扩展失效。
真空电子器件(vacuum electronic device)
指借助电子在真空或者气体中与电磁场发生 相互作用，将一种形式电磁能量转换为另一 种形式电磁能量的器件。具有真空密封管壳 和若干电极，管内抽成真空，残余气体压力 为10-4～10-8帕。有些在抽出管内气体后，再 充入所需成分和压强的气体。广泛用于广播、 通信、电视、雷达、导航、自动控制、电子 对抗、计算机终端显示、医学诊断治疗等领 域。
管内充有气体并产生气体放电的 充气管；
以真空和气体中粒子受激辐射为工作机理，将电磁 波加以放大的真空量子电子器件等。
自20世纪60年代以后，很多真空电子器
件已逐步为固态电子器件所取代，但在高频 率、大功率领域，真空电子器件仍然具有相 当生命力，而电子束管和光电管仍将广泛应 用并有所发展。[1] 真空电子器件里面就包含
真空电子器件按其功能分为：
实现直流电能和电磁振荡能量之间转换的 静电控制 电子管；
将直流能量转换成频率为 300兆赫～3000吉赫电磁 振荡能量的 微波电子管 ；
利用聚焦电子束实现光、电信号的记录、存储、转 换和显示的 电子束管；
利用光电子发射现象实现光电转换的光电管；
产生 X射线的 X射线管 ；
3. 孙青等,<电子元器件可靠性工程>,电子工 业出版社.
理论教学内容
1.元器件概述 (1) 2.元器件制造工艺与缺陷 (1) 3.微电子封装技术与失效 (1) 4.可靠性试验与评价技术 (3) 5.使用可靠性设计 (2) 6.元器件的降额设计与热设计 (4) 7.静电放电损伤及防护 (2) 8.可靠性筛选 (2) 9.破坏性物理分析与失效分析 (6) 10.失效分析案例 (4)
个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个 装置。
GJB4027-2000 《军用电子元器件破坏性物理分析 方法》中的定义：
在电子线路或电子设备中执行电气、电子、电磁、 机电或光电功能的基本单元，该基本单元可由一个 或多个零件组成，通常不破坏是不能将其分解的。
?分类：两大类
?元件：在工厂生产加工时不改变分子成分的 成品，本身不产生电子，对电压、电流无控 制和变换作用。
位置：通孔和金属连线边缘等应力集中区域
影响因素：应力、应力梯度、互连结构、工 作温度、金属介质界面粘附性、互连材料 的微观结构
铜导线上的应力迁移空洞
பைடு நூலகம் 2.电致失效 ?电迁移(Electronic Migration) 强电流经过金属线时，金属离子等会在电流
及其他因素相互作用下移动并在线内形成 孔隙或裂纹的现象
半导体器件可靠性与失效分析
2011-2012-1
教材：
付桂翠,陈颖等,<电子元器件可靠性技术教程 >
北京航空航天大学出版社 ,2010年7月第一版.
(普通高校“十一五”规划教材 )
参考书:
1. 孔学东,恩云飞,<电子元器件失效分析与 典型案例>,国防工业出版社, 2006年9月 第一版.
2. 王蕴辉,于宗光等,<电子元器件可靠性设 计>,科学出版社.
I/E模型：电子穿越氧化膜? 产生电子陷阱和 空穴陷阱+电子空穴对? 空穴隧穿回氧化层， 形成电流? 空穴易被陷阱俘获? 在氧化层 中产生电场? 缺陷处局部电流不断增加， 形成正反馈? 陷阱互相重叠并连成一个导 电通道时，氧化层被击穿。
E模型： 热动力学过程，处于热应力和外加电场下的偶极 子相互作用破坏了 Si-O键而产生击穿。
?电位器 ?失效模式：接触不良、滑动噪声大、开路等
?二极管
?集成电路
?失效模式：漏电或短路，击穿特性劣变，正 向压降劣变，开路可高阻 ?失效机理：电迁移，热载流子效应，与时间 相关的介质击穿(TDDB)，表面氧化层缺陷， 绝缘层缺陷，外延层缺陷
?声表面波器件
?MEMS压力传感器
?MEMS器件的主要失效机理 1.粘附----两个光滑表面相接触时，在力作用 下粘附在一起的现象；
闩锁状态下器件在电源与地之间形成短路， 造成大电流、过电应力和器件损坏
通信接口集成电路的闩锁失效(例子3-2) (孔学东,恩云飞主编的电 )现象：信号通讯异常
?热载流子效应(Hot Carrier Injection
栅极电压Vg小于漏极电压Vd时，栅极绝缘 膜下的沟道被夹断，漏极附近电场增高；
关于混合集成电路：
?按制作工艺，可将集成电路分为 :
1.半导体集成电路 (基片：半导体 ) 即:单片集成电路 (固体电路) 工艺:半导体工艺(扩散、氧化、外延等 )
2. 膜集成电路 (基片：玻璃、陶瓷等绝缘体 ) 工艺：薄膜集成电路 真空蒸镀 溅射 化学气相沉积技术 厚膜集成电路 浆料喷涂在基片上 经烧结而成(丝网印刷技术 )
失效分析例子3-1 连接器的过机械应力疲劳损伤 样品：SMA连接器(阴极) 现象：外部插头(阳极)与该SMA接头连接不
紧，装机前插拔力检验合格 失效模式：接触不良
?半圆弧夹片明显偏离 (孔学东,恩云飞主编的电 )
插孔周边绝缘介质有较深的插痕
(孔学东,恩云飞主编的电 )
偏离的半圆夹片根部有裂纹
金属迁移
? 失效模式：金属互连线电阻值增大或开路 ? 失效机理：电子风效应 ?产生条件：电流密度大于 10E5A/cm2
高温 ? 纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，
降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺
互连线和焊点的电迁移
?闩锁效应(Latch-up)----寄生PNPN效应
由于MOS管存在寄生晶体管效应(CMOS管下 面会构成多个晶体管，它们自身可能构成 一个电路)，若电路偶然出现使该寄生晶体 管开通的条件，则寄生电路会极大影响正 常电路的动作，使原MOS电路承受大于正 常状态很大的电流，可使电路迅速烧毁。
真空断路器，真空断路器具有很多优点，所 以在变电站上应用很多。真空断路器已被快 易优收录，由于采用了特殊的真空元件，随 着近年来制造水平的提高，灭弧室部分的故 障明显降低。真空灭弧室无需检修处理，当 其损坏时，只能采取更换。真空断路器运行 中发生的故障以操作机构部分所占比重较大， 其次为一次导电部分，触头导电杆等。
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3.电化学失效 ? 金属迁移----从键合焊盘处开始的金属枝晶生长，
是一金属离子从阳极区向阴极区迁移的电解过程。 现象：桥连区的泄漏电流增加，甚至短路 迁移离子： Ag,Pb,Sn,Au,Cu 预防银迁移的方法：
实验教学内容
名称：集成压电类器件的破坏性物理分析
学时： 4学时 实验性质：综合性实验
元器件：选择包括有电阻电容等元件、集成电路等 器件及其连接的较复杂、综合性强的集成类压电器 件，例如 (有源)压电蜂鸣器进行分析。
第一章 元器件概述
1.1 元器件的定义与分类 ?定义：
欧洲空间局 ESA标准中的定义 ： 完成某一电子、电气和机电功能，并由一个或几
原因：电场作用下金属离子扩散所致，不同 材料机制不同：
焊点：晶格扩散 铝互连线：晶界扩散 铜互连线：表面扩散
驱动力：电子与离子动量交换和外电场产生 的综合力、非平衡态离子浓度产生的扩散 力、机械应力、热应力
影响因素：
几何因素：长度、线宽、转角、台阶、接 触孔等
材料性质：铜最好、铝较差、铝铜合金介 于其中
3.1 微电子封装的分级：