隨著人們對電子產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的要求越來越高，電子元器件的可靠性已引起人們的重視。如何提高電子元器件的可靠性已成為電子元器件制造中的一個(gè)熱點(diǎn)問題。例如，用于衛(wèi)星、飛機(jī)、船舶和計(jì)算機(jī)的電子元器件的質(zhì)量可靠性是衛(wèi)星、飛機(jī)、船舶和計(jì)算機(jī)質(zhì)量可靠性的基礎(chǔ)。這些都成為推動(dòng)電子元器件可靠性和發(fā)展的動(dòng)力。

　　1、失效分析的定義及意義

　　可靠性工作的目的不僅是了解和評(píng)價(jià)電子元器件的可靠性水平，而且是提高和提高電子元器件的可靠性。因此，后獲得的故障設(shè)備使用網(wǎng)站或可靠性測試，必須找到并確定測試和分析失敗的原因，并分析結(jié)果反饋給相關(guān)部門，如設(shè)計(jì)、制造和管理采取針對性和有效的糾正措施改善和提高設(shè)備的可靠性。失效分析是為了找出失效的原因或機(jī)理而進(jìn)行的測試和分析的過程。

　　故障分析室是提高電子元器件可靠性的唯一途徑。元器件從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)到應(yīng)用都可能出現(xiàn)故障，因此失效分析貫穿于電子元器件的整個(gè)生命周期。因此，有必要找出其失效原因，確定失效模式，并提出糾正措施，防止相同的失效模式和失效機(jī)理在各部件中重復(fù)出現(xiàn)，提高部件的可靠性。

　　綜上所述，失效分析的意義如下:

　　(1)通過失效分析，得到改進(jìn)設(shè)計(jì)、工藝或應(yīng)用的理論和思想。

　　(2)通過了解引起故障的物理現(xiàn)象，得到預(yù)測可靠性模型公式。

　　(3)為可靠性試驗(yàn)條件提供理論依據(jù)和實(shí)際分析手段。

　　(4)在處理項(xiàng)目中遇到的構(gòu)件問題時(shí)，為是否使用整批構(gòu)件提供決策依據(jù)。

　　(5)通過實(shí)施失效分析的糾正措施，提高了成品率和可靠性，減少了系統(tǒng)測試和運(yùn)行中的故障，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

　　2、故障分類

　　在實(shí)際應(yīng)用中，故障可以分為需要故障。按故障模式，可分為開路、短路、無功能、性能退化(劣化)、復(fù)檢合格;根據(jù)失效原因可分為誤用失效、本質(zhì)失效、早期失效、意外失效、磨損失效和自然失效。根據(jù)失效程度可分為完全失效和部分(部分)失效。根據(jù)失效時(shí)間特征和時(shí)間特征的組合，可分為突發(fā)性失效、漸進(jìn)性失效、間隙性失效、穩(wěn)定性失效、突發(fā)性失效、退化性失效和可恢復(fù)性失效。根據(jù)故障后果的嚴(yán)重程度，可分為致命故障、嚴(yán)重故障和輕微故障。根據(jù)失效的關(guān)聯(lián)性和獨(dú)立性，可以將失效分為關(guān)聯(lián)失效、非關(guān)聯(lián)失效、獨(dú)立失效和依賴失效。根據(jù)故障發(fā)生的場合，可分為測試故障、現(xiàn)場故障(現(xiàn)場故障可分為調(diào)試故障、操作故障);根據(jù)失效的外在表現(xiàn)，可分為顯性失效和隱性失效。

　　3、失效機(jī)理和失效模型

　　電子元器件的失效主要發(fā)生在產(chǎn)品制造、檢測、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中，與原材料、設(shè)計(jì)、制造和使用密切相關(guān)。電子元件種類繁多，其失效模式和機(jī)理也各不相同。失效機(jī)理是設(shè)備失效的根本原因，是指設(shè)備如何失效，即導(dǎo)致設(shè)備失效的物理和化學(xué)過程。然而，與此相反，它遲早也會(huì)表現(xiàn)出一系列的宏觀性能和性能變化，如疲勞、腐蝕和過應(yīng)力。我們可以根據(jù)不同的失效機(jī)理確定相應(yīng)的失效模型，并對電子元器件進(jìn)行失效分析。從現(xiàn)場故障和測試來收集盡可能多的信息(包括失敗形式、現(xiàn)象和結(jié)果，等等)的總結(jié)，總結(jié)電子元件失效模式，失效機(jī)理分析和驗(yàn)證，并采取有效措施的失效模式和失效機(jī)理，是一個(gè)持續(xù)的過程改進(jìn)電子元器件的可靠性。電子元器件的主要失效機(jī)理為:

　　(1)過應(yīng)力(EOS):指部件所能承受的電流、電壓應(yīng)力或功率的最大允許范圍。

　　(2)靜電危害(ESD):電子設(shè)備在加工、生產(chǎn)、裝配、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中，可能會(huì)與容器、測試設(shè)備和操作人員接觸，產(chǎn)生靜電。靜電荷通過器件引腳排到地面，造成器件損壞或故障。

　　(3)鎖存效應(yīng):MOS電路中寄生PNPN晶體管的存在導(dǎo)致低阻狀態(tài)，在觸發(fā)器條件去除或終止后仍會(huì)存在低阻狀態(tài)

　　(4)電遷移(electromigration，EM):當(dāng)設(shè)備工作時(shí)，有一定的電流通過金屬互連線，金屬離子會(huì)沿著導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量傳輸，導(dǎo)致導(dǎo)體的某些部位有孔或晶須。

　　(5)熱載流子效應(yīng)(HC):熱載流子是指能量大于kT，高于費(fèi)米能級(jí)的載流子。承運(yùn)人和晶格不是處于熱平衡狀態(tài)，當(dāng)它的能量達(dá)到或超過硅-二氧化硅界面勢壘(3.2 eV，的電子注入孔注入4.5 eV)將注入氧化層，界面狀態(tài)和氧化物陷阱或被一個(gè)陷阱，氧化層電荷增加或波不穩(wěn)定、熱載流子效應(yīng)。

　　(6)柵極氧擊穿:在MOS器件及其電路中，柵極氧化層缺陷會(huì)導(dǎo)致柵極氧泄漏，并在一定程度上增加，構(gòu)成擊穿。

　　(7)與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿(TDDB):電場應(yīng)用低于內(nèi)在柵氧擊穿強(qiáng)度，但故障現(xiàn)象仍然發(fā)生在一段時(shí)間后，缺陷產(chǎn)生的原因和聚集在氧化層過程中壓力的應(yīng)用。

　　(8)由于金鋁之間的化學(xué)電位差，經(jīng)過長期使用或200℃以上的高溫儲(chǔ)存，可以產(chǎn)生多種金屬間化合物，如紫色、白色斑點(diǎn)等。鋁層變薄，接觸電阻增大，最終導(dǎo)致開路。在300℃高溫下也會(huì)產(chǎn)生中空，即肯德爾效應(yīng)，這種效應(yīng)是熱量迅速擴(kuò)散并形成化合物在一團(tuán)鋁中，在鍵合點(diǎn)周圍形成環(huán)狀空間。將鋁膜部分或全部分離，形成高電阻或開路。

　　(9)“爆米花效應(yīng)”:塑料包裝組件的塑料包裝材料中的水蒸氣在高溫下膨脹，導(dǎo)致塑料包裝材料與金屬框架、芯片之間產(chǎn)生分層效應(yīng)，導(dǎo)致粘接線斷裂，導(dǎo)致開路失效。

　　4、失效分析技術(shù)

　　失效分析技術(shù)是失效分析的手段和方法，主要包括六個(gè)方面:失效定位技術(shù);樣品制備技術(shù);微量分析技術(shù);強(qiáng)調(diào)驗(yàn)證技術(shù);電子分析技術(shù);成分分析技術(shù)。

　　1.故障定位技術(shù)

　　故障定位技術(shù)的主要目的是確定檢測目標(biāo)的故障位置。隨著現(xiàn)代集成電路和電子元器件的復(fù)雜性，故障定位技術(shù)顯得尤為重要。失效定位技術(shù)的方法有很多，其中x射線、SAM等可以在不開封的情況下進(jìn)行無損檢測。x射線可用于觀察元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及多層印制電路板、內(nèi)部引線開路或短路、焊接缺陷、焊料缺陷、封裝裂紋、孔洞、電橋、石柱及器件泄漏缺陷。SAM可以觀察材料內(nèi)部的裂紋、層狀缺陷、空洞、氣泡、空洞等。如果x射線和SAM無法檢測到失效部位，則需要打開部件，然后通過顯微鏡檢查等其他方法進(jìn)行失效部位的檢測。

　　2.樣品制備技術(shù)

　　為了解決大多數(shù)失效分析，需要解剖分析技術(shù)，即對試樣進(jìn)行切片分析，同時(shí)不損傷觀察和試驗(yàn)部件。樣品制備步驟一般包括打開包裝，去除鈍化層，對于多層芯片，去除層間介質(zhì)。打開的包裝可以用機(jī)械或化學(xué)方法打開。脫氫層可進(jìn)行化學(xué)腐蝕或等離子體腐蝕(如ICP、RIE)或FIB等。

　　3.微量分析技術(shù)

　　上述失效原因分析、失效機(jī)理確定和失效定位都需要使用微分析技術(shù)。微觀分析一般使用多種顯微鏡，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，如景深成像立體強(qiáng)立體顯微鏡;金相顯微鏡具有良好的平面成像效果和突出的色彩;高放大率SEM(高達(dá)幾十萬倍);樣品制備要求高，可以觀察到晶格結(jié)構(gòu)的透射電鏡。紅外顯微鏡成像精度低，操作方便;應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用成像精度較高的光輻射顯微鏡。

　　4.壓力驗(yàn)證技術(shù)

　　電子元器件在不同環(huán)境下的可靠性存在差異，如在不同濕度和溫度下產(chǎn)生的應(yīng)力，在不同電流和電壓下產(chǎn)生的電應(yīng)力等，都會(huì)導(dǎo)致電子元器件性能的變化，或發(fā)生故障。因此，可以模擬各種環(huán)境參數(shù)來驗(yàn)證構(gòu)件在各種應(yīng)力作用下的可靠性。

　　5.電子分析技術(shù)

　　電子失效分析方法有很多，如EBT、EPMA、SEM、TEM、AES等。

　　6.成分分析技術(shù)

　　有必要確定零件的組成部分和零件的一部分，即使用零件分析技術(shù)，以確定是否存在污染，或零件是否正確，并影響零件的性能。EDS、EDAX、AES、SIMS等。

　　失效分析的分析師的主觀能動(dòng)性，第一個(gè)完全理解失效分析的過程，失敗后收集信息，判斷和失效機(jī)理的可能原因，并選擇上面的描述失效分析技術(shù)在一個(gè)或多個(gè)猜來驗(yàn)證或否認(rèn)，和修改懷疑和失敗的原因機(jī)制，工藝驗(yàn)證和消極的重復(fù)，直到你得出結(jié)論。

　　整個(gè)失效分析過程都是以分析人員的主觀判斷為基礎(chǔ)，輔以各種實(shí)驗(yàn)手段，對猜想的正面或負(fù)面給出證據(jù)，最后得出結(jié)論。

「電子元器件處理」靜電對電子元器件的危害