電子元器件檢測(cè)中心:失效模式和效果分析

電子元器件產(chǎn)業(yè)作為電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)力量, 更是新時(shí)代發(fā)展革新的重點(diǎn)。中國(guó)電子元器件的發(fā)展過(guò)程是從淺到深、從少到多, 直到累積一定程度, 才獲取優(yōu)異成績(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 當(dāng)前我國(guó)電子元器件行業(yè)總產(chǎn)值大約占據(jù)電子信息產(chǎn)業(yè)的百分之二十,電子元器件產(chǎn)業(yè)也成為引導(dǎo)我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)內(nèi)容。所以，電子元器件的失效分析成為其中很重要的部分。    

1.失效分析的概述  

可靠性工作的目的不僅是為了了解、評(píng)價(jià)電子元器件的可靠性水平，更重要的是要改進(jìn)、提高電子元器件的可靠性。所以，在從使用現(xiàn)場(chǎng)或可靠性試驗(yàn)中獲得失效器件后，必須對(duì)它進(jìn)行各種測(cè)試、分析，尋找、確定失效的原因，將分析結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)、制造、管理等有關(guān)部門(mén)，采取針對(duì)性強(qiáng)的有效糾正措施，以改進(jìn)、提高器件的可靠性。這種測(cè)試分析，尋找失效原因或機(jī)理的過(guò)程，就是失效分析。  失效分析室對(duì)電子元器件失效機(jī)理、原因的診斷過(guò)程，是提高電子元器件可靠性的必由之路。元器件由設(shè)計(jì)到生產(chǎn)到應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)，都有可能失效，從而失效分析貫穿于電子元器件的整個(gè)壽命周期。因此，需要找出其失效產(chǎn)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(jī)理在每個(gè)元器件上重復(fù)出現(xiàn)，提高元器件的可靠性。  

歸納起來(lái)，失效分析的意義有以下5點(diǎn)：  

（1） 通過(guò)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(guò)了解引起失效的物理現(xiàn)象得到預(yù)測(cè)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） 在處理工程遇到的元器件問(wèn)題時(shí)，為是否要整批不用提供決策依據(jù)。

（5） 通過(guò)實(shí)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(tǒng)試驗(yàn)和運(yùn)行工作時(shí)的故障，得到明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2.失效的分類(lèi)  

在實(shí)際使用中，可以根據(jù)需要對(duì)失效做適當(dāng)?shù)姆诸?lèi)。

按失效模式，可以分為開(kāi)路、短路、無(wú)功能、特性退化（劣化）、重測(cè)合格；

按失效原因，可以分成誤用失效、本質(zhì)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(shí)間特性程度及時(shí)間特性的組合，可以分成突然失效、漸變失效、間隙失效、穩(wěn)定失效、突變失效、退化失效、可恢復(fù)性失效；

按失效后果的嚴(yán)重性，可以分為致命失效、嚴(yán)重失效、輕度失效；

按失效的關(guān)聯(lián)性和獨(dú)立性，可以分為關(guān)聯(lián)失效、非關(guān)聯(lián)失效、獨(dú)立失效、從屬失效；

按失效的場(chǎng)合，可分為試驗(yàn)失效、現(xiàn)場(chǎng)失效（現(xiàn)場(chǎng)失效可以再分為調(diào)試失效、運(yùn)行失效）；

按失效的外部表現(xiàn)，可以分為明顯失效、隱蔽失效。    

3.失效機(jī)理與失效模式  

電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造、試驗(yàn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用等過(guò)程中發(fā)生的，與原材料、設(shè)計(jì)、制造、使用密切相關(guān)。電子元器件的種類(lèi)很多，相應(yīng)的失效模式和機(jī)理也很多。失效機(jī)理是器件失效的實(shí)質(zhì)原因，說(shuō)明器件是如何失效的，即引起器件失效的物理化學(xué)過(guò)程，但與此相對(duì)的是它遲早也要表現(xiàn)出的一系列宏觀性能、性質(zhì)變化，如疲勞、腐蝕和過(guò)應(yīng)力等。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，對(duì)電子元器件進(jìn)行失效分析。從現(xiàn)場(chǎng)失效和試驗(yàn)中去收集盡可能多得信息（包括失效形態(tài)、失效表現(xiàn)現(xiàn)象及失效結(jié)果等）進(jìn)行歸納和總結(jié)電子元器件的是失效模式，分析和驗(yàn)證失效機(jī)理，并針對(duì)失效模式和失效機(jī)理采取有效措施，是不斷提高電子元器件可靠性水平的過(guò)程。

電子元器件的主要失效機(jī)理有：     

（1）過(guò)應(yīng)力（EOS）：是指元器件承受的電流、電壓應(yīng)力或功率超過(guò)其允許的最大范圍。     

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

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

（4）電遷移（EM）：當(dāng)器件工作是，金屬互聯(lián)線內(nèi)有一定的電流通過(guò)，金屬離子會(huì)沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的運(yùn)輸，其結(jié)果會(huì)使導(dǎo)體的某些部位出現(xiàn)空洞或晶須。    

（5）熱載流子效應(yīng)（HC）：熱載流子是指能量比費(fèi)米能級(jí)大幾個(gè)kT以上的載流子。這些載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài)，當(dāng)其能量達(dá)到或超過(guò)Si-SiO2界面勢(shì)壘時(shí)（對(duì)電子注入為3.2eV，對(duì)空穴注入為4.5eV）便會(huì)注入到氧化層中，產(chǎn)生界面態(tài)、氧化層陷阱或被陷阱所俘獲，使氧化層電荷增加或波動(dòng)不穩(wěn)，這就是熱載流子效應(yīng)。     

（6） 柵氧擊穿：在MOS器件及其電路中，柵氧化層缺陷會(huì)導(dǎo)致柵氧漏電，漏電增加到一定程度即構(gòu)成擊穿。     

（7）與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）：施加的電場(chǎng)低于柵氧的本征擊穿強(qiáng)度，但經(jīng)歷一定的時(shí)間后仍會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，這是由于施加應(yīng)力的過(guò)程中，氧化層內(nèi)產(chǎn)生并聚集了缺陷的原因。   

（8）由于金-鋁之間的化學(xué)勢(shì)不同，經(jīng)長(zhǎng)期使用或200以上的高溫存儲(chǔ)后，會(huì)產(chǎn)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(dǎo)致開(kāi)路。在300高溫下還會(huì)產(chǎn)生空洞，即柯肯德?tīng)栃?yīng)，這種效應(yīng)是高溫下金向鋁中迅速擴(kuò)散并形成化合物，在鍵合點(diǎn)四周出現(xiàn)環(huán)形空間。使鋁膜部分或全部脫離，形成高阻或開(kāi)路。    

（9）“爆米花效應(yīng)”：塑封元器件塑封材料內(nèi)的水汽在高溫下受熱發(fā)生膨脹，使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應(yīng)，拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開(kāi)路失效。失效模式是指失效的外在直觀失效表現(xiàn)形式和過(guò)程規(guī)律，通常指測(cè)試或觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。產(chǎn)品的失效依據(jù)其是否具有損傷的時(shí)間累積效應(yīng)而被分為“過(guò)應(yīng)力型失效”和“損耗型失效”，所以，與時(shí)間相關(guān)的失效模型定量地描述了產(chǎn)品隨時(shí)間的損傷積累狀況，在宏觀上表現(xiàn)為性能或是參數(shù)隨時(shí)間的退化。

常用的失效模型有：

(1) 阿列尼烏茲模型：阿列尼烏茲模型定量地給出化學(xué)反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系，所以，如果一個(gè)產(chǎn)品的失效過(guò)程取決于這樣的一個(gè)化學(xué)，則阿列尼烏茲模型 就給出了產(chǎn)品的壽命，反應(yīng)環(huán)境溫度T（絕對(duì)溫度）下的產(chǎn)品壽命，其中，C為常數(shù)；Ea為化學(xué)反應(yīng)的激活能。建立在這一模型基礎(chǔ)上的加速因子AF則為：，這里，Tacc為加速條件下的溫度。     

(2) 艾林模型：艾林模型與阿列尼烏茲模型相比可以考慮溫度以外更多類(lèi)型的應(yīng)力的影響，同時(shí)，潛在地可以考慮這些不同類(lèi)型應(yīng)力之間的相互作用。   

4.失效分析技術(shù)  

失效分析技術(shù)是失效分析說(shuō)使用的手段和方法，它主要包括六大方面的內(nèi)容：失效定位技術(shù)；樣品制備技術(shù)；顯微分析技術(shù)；應(yīng)力驗(yàn)證技術(shù)；電子分析技術(shù)；成份分析技術(shù)。

1、失效定位技術(shù)  

失效定位技術(shù)的主要目的是確定檢測(cè)目標(biāo)的失效部位，隨著現(xiàn)代集成電路及電子元器件的復(fù)雜化，失效定位技術(shù)就顯得尤為重要。失效定位技術(shù)有多種方法，其中無(wú)需開(kāi)封即可進(jìn)行的無(wú)損檢測(cè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，內(nèi)引線開(kāi)路或短路，粘接缺陷，焊點(diǎn)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(nèi)部裂紋，分層缺陷，空洞、氣泡、空隙等。若X-ray，SAM不能探測(cè)到失效部位，則需要對(duì)元器件進(jìn)行開(kāi)封處理，而后可進(jìn)行其他方法的失效定位，如顯微檢查。  

2、 樣品制備技術(shù)

解決大部分失效分析，都需要采用解剖分析技術(shù)，即對(duì)樣品的剖層分析，它不對(duì)觀察和測(cè)試部分存在破壞。樣品的制備步驟一般包括：打開(kāi)封裝、去鈍化層，對(duì)于多層結(jié)構(gòu)芯片來(lái)說(shuō)，還要去層間介質(zhì)。打開(kāi)封裝可以使用機(jī)械開(kāi)封或化學(xué)開(kāi)封方法。去鈍化層可使用化學(xué)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(shù)   

失效原因的分析，失效機(jī)理的確定及前文提到的失效定位都要用到顯微分析技術(shù)。顯微分析一般采用各種顯微鏡，且他們各具優(yōu)缺點(diǎn)，如景深大成像立體感強(qiáng)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(shù)高（可達(dá)幾十萬(wàn)倍）的SEM；制樣要求高可觀察到晶格結(jié)構(gòu)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(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)備和方法的選擇。  

4、 應(yīng)力驗(yàn)證技術(shù)  

電子元器件在不同的環(huán)境中可靠性存在差異，如不同濕度、溫度下產(chǎn)生的應(yīng)力，不同電流、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，或失效。因此，可以模擬各種環(huán)境參數(shù)，來(lái)驗(yàn)證元器件在各種應(yīng)力下的可靠性。  

5、 電子分析技術(shù)  

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

6、 成份分析技術(shù)  

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(shù)，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(shè)備有EDS，EDAX，AES，SIMS等。

失效發(fā)生的環(huán)節(jié)有開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、工程等階段，失效信息的匯集部門(mén)也相應(yīng)地存在于多個(gè)部門(mén)。如果沒(méi)有及時(shí)地將失效信息反饋至失效分析部門(mén)，勢(shì)必影響失效分析的及時(shí)性和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，必須建立有效的反饋渠道，使失效分析工程師能夠及時(shí)了解器件的失效情況以及分析進(jìn)展。