半导体器件可靠性与失效全面分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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%
关于混合集成电路：
• 按制作工艺，可将集成电路分为:
产生X射线的X射线管； 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。
第二章 元器件制造工艺与缺陷
2.1 芯片加工中的缺陷与成品率预测 芯片制造缺陷的分类：
全局缺陷：光刻对准误差、工艺参数随机起伏、 线宽变化等；在成熟、可控性良好的工艺线上，可
减少到极少，甚至几乎可以消除。
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。
点缺陷：冗余物、丢失物、氧化物针孔、结泄漏
来源：灰尘微粒、硅片与设备的接触、化学试剂 中的杂质颗粒。
2.2 混合集成电路的失效 混合集成电路工艺：
半导体器件可靠性与 失效全面分析
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)
集成度最高
超高频、大(极 含无源元件多、 有源器件多，数 低)功率、高压 阻值范围宽、 字电路，脉冲电 大电流、元件 精度高、跟踪 路，标准化模拟 类型多的电路 温度系数好的 电路
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 1~10F 10mH
膜IC
半导体IC
批量时成本下降 在批量时下降
可靠性好
现象；
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104～10-8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
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
制、电子对抗、计算机终端显示、医学诊断治疗等领域。
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；
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
1.2F 100H
50pF 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%
集成度较高
半导体IC
无源元件精度： ≥±20～30%差 有源器件精度： ±20~30%差
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》)
电阻
最可靠的元件之一 失效模式：开路、机械损伤、接点损坏、短路、绝缘击穿、
焊接点老化造成的电阻值漂移量超过容差
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)
3. 混合集成电路(Hybrid Integrated Circuit)
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。
实验教学Байду номын сангаас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 个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个
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%
关于混合集成电路：
• 按制作工艺，可将集成电路分为:
产生X射线的X射线管； 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。
第二章 元器件制造工艺与缺陷
2.1 芯片加工中的缺陷与成品率预测 芯片制造缺陷的分类：
全局缺陷：光刻对准误差、工艺参数随机起伏、 线宽变化等；在成熟、可控性良好的工艺线上，可
减少到极少，甚至几乎可以消除。
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。
点缺陷：冗余物、丢失物、氧化物针孔、结泄漏
来源：灰尘微粒、硅片与设备的接触、化学试剂 中的杂质颗粒。
2.2 混合集成电路的失效 混合集成电路工艺：
半导体器件可靠性与 失效全面分析
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)
集成度最高
超高频、大(极 含无源元件多、 有源器件多，数 低)功率、高压 阻值范围宽、 字电路，脉冲电 大电流、元件 精度高、跟踪 路，标准化模拟 类型多的电路 温度系数好的 电路
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 1~10F 10mH
膜IC
半导体IC
批量时成本下降 在批量时下降
可靠性好
现象；
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104～10-8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
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
制、电子对抗、计算机终端显示、医学诊断治疗等领域。
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；
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
1.2F 100H
50pF 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%
集成度较高
半导体IC
无源元件精度： ≥±20～30%差 有源器件精度： ±20~30%差
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》)
电阻
最可靠的元件之一 失效模式：开路、机械损伤、接点损坏、短路、绝缘击穿、
焊接点老化造成的电阻值漂移量超过容差
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)
3. 混合集成电路(Hybrid Integrated Circuit)
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。
实验教学Байду номын сангаас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 个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个