电子元器件在制造、运输、仓储、应用端生产过程、工作过程中都有可能出现少数不良品，出现不同的故障现象。为了找出真正原因，相关工程人员要对失效样品进行分析。

 

1、失效分析的目的和意义

 

      失效分折对元器件的生产和使用都有重要的意义，如图所列。

 

 

      元器件的失效可能发生在其生命周期的各个阶段。发生在产品研制阶段，生产阶段到使用阶段的各个环节，通过分析工艺废次品，早期失效，实验失效及现场失效的失效产品明确失效模式、分析失效机理，最终找出失效原因，因此元器件的使用方在元器件的选择、整机计划等方面，元器件生产方在产品的可靠性方案设计过程，都必须参考失效分折的结果。

 

      通过失效分析，可鉴别失效模式，弄清失效机理，提出改进措施，并反馈到使用、生产中，将提高元器件和设备的可靠性。

 

2、主要失效模式及其分布

 

        电子元器件的种类很多，相应的失效模式和失效机理也很多。总体来说，电子元器件的失效主要是在产品的制造，试验，运输，储存和使用等过程中发生的。与原材料、设计、制造、使用密切相关。  

 

3、失效的主要机理分析

 

      失效机理是指引起电子元器件失效的实质原因，即引起电子元器件失效的物理或化学过程.通常是指由于设计上的弱点（容易变化和劣化的材料的组合）或制造工艺中形成的潜在缺陷，在某种应力作用下发生的失效及其机理。 

 

3.1 机械损伤

 

      机械损伤在电子元器件制备电极及电机系统工艺中经常出现，如果在元器件的成品中，存在金属膜的划伤缺陷而未被剔除，则划伤缺陷将是元器件失效的因素，必将影响元器件的长期可靠性。

 

3.2 结穿刺（结尖峰）

 

      结穿刺即指PN结界面处为一导电物所穿透。在硅上制作欧姆接触时，铝-硅接触系统为形成良好的欧姆接触必须进行热处理，这时铝与硅相连接是通过450-550摄氏度热处理后在分立的点上合金化形成的。

 

      在该合金化温度范围内，硅在铝的固溶度很大，但铝在硅中的固溶度要低很多，固溶度之差导致界面上的硅原子净溶解在铝中，同时界面上的铝也扩散到硅中填充硅中的空位。这就是在铝膜加工过程中，发生由于硅的局部溶解而产生的铝“穿刺”透入硅衬底问题的问题。结穿刺经常导致PN结短路失效。

 

3.3 铝金属化再结构

 

      由于铝与二氧化硅或硅的热膨胀系数不匹配，铝膜的热膨胀系数比二氧化硅或者硅大，当元器件在间歇工作过程中，温度变化或者高低温循环试验时，铝膜要受到张应力和压应力的影响，会导致铝金属化层的再结构。铝金属化层再结构经常表现为铝金属化层表面粗糙甚至表面发黑，显微镜下可见到表面小丘、晶须或皱纹等。

 

3.4 金属化电迁移

 

      当元器件工作时，金属互连线的铝条内有一定强度的电流流过，在电流作用下，金属离子沿导体移动，产生质量的传输，导致导体内某些部位产生空洞或晶须（小丘）这就是电迁移现象。

 

      在一定温度下，金属薄膜中存在一定的空位浓度，金属离子热振动下激发到相邻的空位，形成自扩散。在外电场作用下.金属离子受到两种力的作用，一种是电场使金属离子由正极向负扱移动，一种是导电电子和金属离子间互相碰撞发生动量交换而使金属离子受到与电子流方向一致的作用力，金属离子由负极向正极移动，这种作用力俗称“电子风”。

 

      对铝、金等金属膜，电场力很小，金属离子主要受电子风的影响，结果使金属离子与电子流一样朝正极移动，在正极端形成金属离子的堆积，形成晶须，而在负极端产生空洞，使金属条断开。

 

      产生电迁移失效的内因是薄膜导体内结构的非均匀性，外因是电流密度。

 

3.5 表面离子沾污

 

      在电子元器件的制造和使用过程中，因芯片表面沾污了湿气和导电物质或由于辐射电离、静电电荷积累等因素的影响，将会在二氧化硅氧化层表面产生正离子和负离子，这些离子在偏压作用下能沿表面移动。

 

      正离子聚积在负电极周围，负离子聚积在正电极周围，沾污严重时足以使硅表面势垒发生相'当程度的改变。这些外表面可动电荷的积累降低了表面电导，引起表面漏电和击穿蠕变等；表面离子沾污还会造成金属的腐浊，使电子元器件的电极和封装系统生锈、断裂。

 

3.6 金属的腐蚀

 

       当金属与周围的介质接触时，由于发生化学反应或电化学作用而引起金属的破坏叫做金属的腐蚀。在电子元器件中，外引线及封装壳内的金属因化学反应或电化学作用引起电性能恶化直至失效，也是主要的失效机理。

 

       根据金属腐蚀过程的不同特点，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。金属在干燥气体或无导电性的非水溶液中，单纯由化学作用而引起的腐蚀就叫做化学腐蚀，温度对化学腐蚀的影响很大。

 

      当金属与电解质溶液接触时，由电化学作用而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀，其特点是形成腐蚀电池，电化学腐蚀过程的本质是腐蚀电池放电的过程，在这个过程中，金属通常作为阳极，被氧化而腐蚀，形成金属氧化物，而阴极反应则跟据腐蚀类型而异，可发生氢离子或氧气的还原，析出氢气或吸附氧气。

 

3.7 金铝化合物失效

 

      金和铝两种金属，在长期储存和使用后，因它们的化学势不同，它们之间能产生金属间化合物，如生成AuAl2，AuAl，Au2Al等金属间化合物。这几种金属间化合物的晶格常数、膨胀系数、形成过程中体积的变化、颜色和物理性质是不同的，且电导率较低。

 

      AuAl3浅金黄色，AuAl2呈紫色，俗称紫斑， Au2Al呈白色.称白斑，是一种脆性的金属间化合物，导电率低，所以在键合点处生成了Au-Al间化合物之后，严重影响相恶化键合界面状态，使键合强度降低，变脆开裂，接触电阻增大等，因而使元器件出现时好时坏不稳定现象，最后表现为性能退化或引线从键合界面处脱落导致开路。

 

3.8  柯肯德尔效应

 

      在Au-Al键合系统中，若采用金丝热压焊工艺，由于在高温（300摄氏度以上）下，金向铝中迅速扩散。金的扩散速度大于铝的扩散速度，结果出现了在金层—侧留下部分原子空隙，这些原子空隙自发聚积，在金属间化合物与金属交界面上形成了空洞，这就是可肯德尔效应，简称柯氏效应。

 

      当可肯德尔空洞增大到一定程度后，将使键合界面强度急剧下降，接触电阻增大，最终导致开路。柯氏空洞形成条件首先是Au-Al系统，其次是温度和时间。

 

3.9  银迁移

 

      在电子元器件的贮存及使用中，由于存在湿气、水分，导致其中相对活泼的金属银离子发生迁移，导致电子设备中出现短路，耐压劣化及绝缘性能变坏等失效。银迁移基本上是一种电化学现象，当具备水分和电压的条件时，必定会发生银迁移现象。

 

      空气中的水分附在电极的表面，如果加上电压，银就会在阳极处氧化成为带有正电荷的银离子，这些离子在电场作用下向阴极移动。在银离子穿过介质的途中，银离子被存在的湿气和离子沾污加速，通常在离子和水中的氢氧离子间发生化学反应，形成氢氧化银，在导体之间出现乳白色的污迹，最后在阴极银离子还原析出，形成指向阳极的细丝。

 

3.10 过电应力

 

      电子元器件都在其参数指标中设定了使用时所能承受的最大应力，包括最高工作环境温度或壳温，最大额定功率，最大工作电压、电流，峰值电压，最大输入、输出电流、电压等。

 

      如果在使用时所加的电应力超过了元器件规定的最大应力。即使是瞬间超过，也将造成电子元器件的损伤，这种电应力就称为过电应力，其造成的损伤主要表现为元器件性能严重劣化或失去功能。

 

      过电应力通常分为过压应力和过流应力。在过电应力作用下，电子元器件局部形成热点，当局部热点温度达到材料熔点时使材料熔化，形成开路或短路，导致元器件烧毁。

 

3.11  二次击穿

 

      二次击穿是指当元器件被偏置在某一特殊工作点时（对于双极型晶体管，是指V平面上的一点），电压突然跌落，电流突然上升的物理现象，这时若无限流装置及其它保护措施，元器件将被烧毁。

 

      凡是有杂质浓度突变的元器件（如PN结等）都具有二次击穿的现象，二次击穿是一种体内现象，对于双极型器件，主要有热不稳定理论（热模式）和雪崩注入理论（电流模式）两种导致二次击穿的机理。对于MOS元器件，诱发二次击穿的机理是寄生的双极晶体管作用。

 

3.12  闩锁效应

 

      闩锁效应是CMOS电路中存在的一种特殊的失效机理。所谓闩锁（latch-up）是指CMOS电路中固有的寄生可控硅结构被触发导通，在电源和地之间形成低阻大电流通路的现象CMOS电路的基本逻辑单元是由一个P沟道MOS场效应管和一个N沟道MOS场效应管以互补形式连接构成，为了实现N沟道MOS管与P沟道MOS管的隔离,必须在N型衬底内加进一个P型区（P阱）或在P型衬底内加进一个N型区（N阱），这样构成了CMOS电路内与晶闸管类似的PNPN四层结构，形成了两个寄生的NPN和PNP双极晶体管。

 

      在CMOS电路正常工作状态时，寄生晶体管处于截止状态。对CMOS电路的工作没有影响，如CMOS电路的输入端、输出端、电源端或者地端受到外来的浪涌电压或电流，就有可能使两只寄生晶体管都正向导通，使得电源和地之间出现强电流。这种强电流一开始流动，即使除去外来触发信号也不会中断，只有关断电源或将电源电压降到某个值以下才能解除，这种现象就是CMOS电路的闩锁效应。

 

3.13 静电损伤

 

      处于不同静电电位的两个物体间发生的静电电荷转移就形成了静电放电，这种静电放电将给电子元器件带来损伤，引起产品失效。

 

      电子元器件由静电放电引发的失效可分为突发性失效和潜在性失效两种模式，突发性失效是指元器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现为开路、短路或参数严重漂移；潜在性失效是指静电放电电能量较低，仅在元器件内部造成轻微损伤，放电后元器件的电参数仍然合格或略有变化，但元器件的抗过电应力能力已明显削弱，或者使用寿命已明显缩短，再受到工作应力或经过一段时间工作后将进一步退化，直至造成彻底失效。

 

      静电放电失效机理可分为过电压场致失效和过电流热致失效。

 

      过电压场致失效是指高阻抗的静电放电回路中，绝缘介质两端的电极因接受了高静电放电电荷而呈现高电压，有可能使电极之间的电场超过其介质临界击穿电场，使电极之间的介质发生击穿失效，过电压场致失效多发生于MOS元器件，包括含有MOS电容的双极型电路和混合电路。

 

      过电流热致失效是由于较低阻抗的放电回路中，由于静电放电电流过大使局部区域温升超过材料的熔点，导致材料发生局部熔融使元器件失效，过电流热致失效多发生于双极元器件，包括输人用PN结二极管保护的MOS电路、肖特基二极管以及含有双极元器件的混合电路。

 

3.14 介质的击穿机理

 

      介质击穿，从应用角度可分为自愈式击穿和毁坏性击穿。自愈式击穿是局部点击穿后，所产生的热量将击穿点处的金属蒸发掉，使击穿点自行与其他完好的介质隔离；毁坏性击穿是金属原子彻底侵入介质层，使其绝缘作用完全丧失。

 

      根据引起击穿的原因之可将介质击穿分为非本征击穿和本征击穿两种：前者是在介质中的气孔、微裂缝、灰尘、纤维丝等疵点附近，因气体放电、等离子体、电孤、电热分解等引起的击穿；后者是外加电场超过了介质材料的介电强度引起的击穿。无论是非本征击穿还圮本征击穿，按其本质来看，则均可能归结于电击穿、热击穿或热点反馈造成的热电击穿。

 

3.15 与时间有关的介质击穿（TDDB)

 

      TDDB是影响MOS元器件长期可靠性的一种重要的失效机理，当对二氧化硅薄膜施加低于本征击穿场强的电场强度后，经过一段时间后会发生介质击穿现象，这就是与时间有关的介质击穿。

 

      它的击穿机理，可以分为两个阶段：第一阶段是建立阶段，在高电场、高电流密度应力的作用下，氧化层内部发生电荷的积聚，积累的电荷达到某一程度后，使局部电场增高到某一临界值；第二阶段是在热或电的正反馈作用下，迅速使氧化层击穿，氧化层的寿命由第一阶段中电荷的累计时间确定。

 

3.16 热载流子效应

 

      所谓热载流子，是指其能量比费米能寄大几个KT以上的载流子，这些载流子与晶格处于热不平衡状态，载流子的温度超过了晶格温度。

 

      热载流子的能量达到或超过Si-SiO2界面势垒的能量时，便会注入到SiO2中去，产生界面态、氧化层陷阱或被氧化层中陷阱所俘获，由此产生的电荷积累引起元器件电参数不稳定。表现为MOS元器件的阈值电压漂移或跨导值降低，双极元器件的电流增益下降，PN结击穿电压蠕变，使元器件性能受到影响，这就是热载流子效应。

 

3.17“爆米花效应”

 

      “爆米花效应”是指塑封元器件塑封材料内的水汽在高温下受热膨胀，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。塑封元器件是以树脂类聚合物材料封装的，其中的水汽包括封装时残留于元器件内部、表面吸附，经材料间的缝隙渗入及外界通过塑料本身扩散进入。

 

3.18 软误差

 

      电子元器件的封装材料（如陶瓷管壳，作树脂填充剂的石英粉等）中含有微量元素铀等放射性物质，它们衰变时会放出高能射线。当这些射线或宇宙射线照射到半导体存储器上时，引起存储数据位的丢失或变化，在下次写入时存储器又能正常工作，它完全是随机的发生，随意把这种数据位丢失叫软误差。引起软误差的根本原因是射线的电离效应。