【文章內(nèi)容簡介】 —些處理故障現(xiàn)象的基本知識。 失效分析應(yīng)遵循先光學(xué)后電學(xué)、先面后點(diǎn)、先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)、先非破壞后破壞、先一般后特殊、先公用后專用、先簡單后復(fù)雜、先主要后次要的基本原則，反復(fù)測試、認(rèn)真比較。同時(shí)結(jié)合電子元器件結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)進(jìn)行分析，避免產(chǎn)生錯(cuò)判、誤判。主要失效模式及其分布電子元器件的種類很多，相應(yīng)的失效模式和失效機(jī)理也很多?？傮w來說，電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造，試驗(yàn)，運(yùn)輸，儲(chǔ)存和使用等過程中發(fā)生的。與原材料、設(shè)計(jì)、制造、使用密切相關(guān)。下圖給出了一些電子元器件現(xiàn)場使用失效模式及其分布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果：失效機(jī)理是指引起電子元器件失效的實(shí)質(zhì)原因，（容易變化和劣化的材料的組合）或制造工藝中形成的潛在缺陷，在某種應(yīng)力作用下發(fā)生的失效及其機(jī)理。為了通過物理、化學(xué)的方法分析失效發(fā)生的現(xiàn)象，理解和解釋失效機(jī)理，需要提供模型或分析問題的思維方法，這就是失效物理模型。元器件的失效物理模型大致分為反應(yīng)論模型、應(yīng)力強(qiáng)度模型、界限模型、耐久模型、積累損傷（疲勞損傷）。：反應(yīng)論模型和應(yīng)力強(qiáng)度模型。失效機(jī)理是電子元器件失效的物理或化學(xué)本質(zhì)，從研究原始缺陷或退化進(jìn)入失效點(diǎn)的物理過程。進(jìn)一步確定導(dǎo)致失效的表面缺陷、體缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷。確定電學(xué)、金屬學(xué)、化學(xué)及電磁學(xué)方面的機(jī)理。電子元器件種類繁多，導(dǎo)致失效的機(jī)理也很多，不同失效機(jī)理對應(yīng)的失效摸式不一樣。甚至相問的失效機(jī)在不同電子元器件導(dǎo)致的失效模式都不一樣，因此需要在失效分析時(shí)認(rèn)真對待,嚴(yán)格區(qū)分。 機(jī)械損傷機(jī)械損傷在電子元器件制備電極及電機(jī)系統(tǒng)工藝中經(jīng)常出現(xiàn)，如果在元器件的成品中，存在金屬膜的劃傷缺陷而末被剔除，則劃傷缺陷將是元器件失效的因素，必將影響元器件的長期可靠性。.2結(jié)穿刺（結(jié)尖峰）結(jié)穿刺即指PN結(jié)界面處為一導(dǎo)電物所穿透。在硅上制作歐姆接觸時(shí)，鋁硅接觸系統(tǒng)為形成良好的歐姆接觸必須進(jìn)行熱處理，這時(shí)鋁與硅相連接是通過450550攝氏度熱處理后在分立的點(diǎn)上合金化形 成的。在該合金化溫度范圍內(nèi)，硅在鋁的固溶度很大，但鋁在硅中的固溶度要低很多，固溶度之差導(dǎo)致界面上的硅原子凈溶解在鋁中，同時(shí)界面上的鋁也擴(kuò)散到硅中填充硅中的空位。這就是在鋁膜加工過程中，發(fā)生由于硅的局部溶解而產(chǎn)生的鋁“穿刺”透入硅襯底問題的問題。結(jié)穿刺經(jīng)常導(dǎo)致PN結(jié)短路失效。 鋁金屬化再結(jié)構(gòu)由于鋁與二氧化硅或硅的熱膨脹系數(shù)不匹配，鋁膜的熱膨脹系數(shù)比二氧化硅或者硅大，黨元器件在間歇工作過程中，溫度變化或者高低溫循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，鋁膜要受到張應(yīng)力和壓應(yīng)力的影響，會(huì)導(dǎo)致鋁金屬化層的再結(jié)構(gòu)。鋁金屬化層再結(jié)構(gòu)經(jīng)常表現(xiàn)為鋁金屬化層表面粗糙甚至表面發(fā)黑，顯微鏡下可見到表面小丘、晶須或皺紋等。 金屬化電遷移當(dāng)元器件工作時(shí)，金屬互連線的鋁條內(nèi)有一定強(qiáng)度的電流流過，在電流作用下，金屬離子沿導(dǎo)體移動(dòng)，產(chǎn)生質(zhì)量的傳輸，導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)某些部位產(chǎn)生空洞或晶須（小丘）這就是電遷移現(xiàn)象。在一定溫度下，金屬薄膜中存在一定的空位濃度，金屬離子熱振動(dòng)下激發(fā)到相鄰的空位，形成自擴(kuò)散。，一種是電場使金屬離子由正極向負(fù)扱移動(dòng)，一種是導(dǎo)電電子和金屬離子間互相碰撞發(fā)生動(dòng)量交換而使金屬離子受到與電子流方向一致的作用力，金屬離子由負(fù)極向正極移動(dòng)，這種作用力俗稱“電子風(fēng)”。對鋁、金等金屬膜，電場力很小，金屬離子主要受電子風(fēng)的影響，結(jié)果使金屬離子與電子流一樣朝正極移動(dòng)，在正極端形成金屬離子的堆積，形成晶須，而在負(fù)極端產(chǎn)生空洞，使金屬條斷開。產(chǎn)生電遷移失效的內(nèi)因是薄膜導(dǎo)體內(nèi)結(jié)構(gòu)的非均勻性，外因是電流密度。 表面離子沾污在電子元器件的制造和使用過程中，因芯片表面沾污了濕氣和導(dǎo)電物質(zhì)或由于輻射電離、靜電電荷積累等因素的影響，將會(huì)在二氧化硅氧化層表面產(chǎn)生正離子和負(fù)離子，這些離子在偏壓作用下能沿表面移動(dòng)。正離子聚積在負(fù)電極周圍，負(fù)離子聚積在正電極周圍，沾污嚴(yán)重時(shí)足以使硅表面勢壘發(fā)生相39。當(dāng)程度的改變。這些外表面可動(dòng)電荷的積累降低了表面電導(dǎo)，引起表面漏電和擊穿蠕變等；表面離子沾污還會(huì)造成金屬的腐濁，使電子元器件的電極和封裝系統(tǒng)生銹、斷裂。 金屬的腐蝕當(dāng)金屬與周圍的介質(zhì)接觸時(shí)，由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)作用而引起金屬的破壞叫做金屬的腐蝕。在電子元器件中，外引線及封裝殼內(nèi)的金屬因化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)作用引起電性能惡化直至失效，也是主要的失效機(jī)理。根據(jù)金屬腐蝕過程的不同特點(diǎn)，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。金屬在干燥氣體或無導(dǎo)電性的非水溶液中，單純由化學(xué)作用而引起的腐蝕就叫做化學(xué)腐蝕，溫度對化學(xué)腐蝕的影響很大。當(dāng)金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，由電化學(xué)作用而引起的腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕，其特點(diǎn)是形成腐蝕電池，電化學(xué)腐蝕過程的本質(zhì)是腐蝕電池放電的過程，在這個(gè)過程中，金屬通常作為陽極，被氧化而腐蝕，形成金屬氧化物，而陰極反應(yīng)則跟據(jù)腐蝕類型而異，可發(fā)生氫離子或氧氣的還原，析出氫氣或吸附氧氣。 金鋁化合物失效金和鋁兩種金屬，在長期儲(chǔ)存和使用后，因它們的化學(xué)勢不同，它們之間能產(chǎn)生金屬間化合物，如生成AuAl2，AuAl，Au2Al等金屬間化合物。這幾種金屬間化合物的晶格常數(shù)、膨脹系數(shù)、形成過程中體積的變化、顏色和物理性質(zhì)是不同的，且電導(dǎo)率較低。AuAl3淺金黃色，AuAl2呈紫色，俗稱紫斑，是一種脆性的金屬間化合物，導(dǎo)電率低，所以在鍵合點(diǎn)處生成了AuAl間化合物之后，嚴(yán)重影響相惡化鍵合界面狀態(tài)，使鍵合強(qiáng)度降低，變脆開裂，接觸電阻增大等，因而使元器件出現(xiàn)時(shí)好時(shí)壞不穩(wěn)定現(xiàn)象，最后表現(xiàn)為性能退化或引線從鍵合界面處脫落導(dǎo)致開路。 柯肯德爾效應(yīng)在AuAl鍵合系統(tǒng)中，若采用金絲熱壓焊工藝，由于在高溫（300攝氏度以上）下，金向鋁中迅速擴(kuò)散。金的擴(kuò)散速度大于鋁的擴(kuò)散速度，結(jié)果出現(xiàn)了在金層—側(cè)留下部分原子空隙，這些原子空隙自發(fā)聚積，在金屬間化合物與金屬交界面上形成了空洞，這就是可肯德爾效應(yīng)，簡稱柯氏效應(yīng)。當(dāng)可肯德爾空洞增大到一定程度后，將使鍵合界面強(qiáng)度急劇下降，接觸電阻增大，最終導(dǎo)致開路。柯氏空洞形成條件首先是AuAl系統(tǒng)，其次是溫度和時(shí)間。 銀遷移在電子元器件的貯存及使用中，由于存在濕氣、水分，導(dǎo)致其中相對活潑的金屬銀離子發(fā)生遷移，導(dǎo)致電子設(shè)備中出現(xiàn)短路，耐壓劣化及絕緣性能變壞等失效。銀遷移基本上市一種電化學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)具備水分和電壓的條件時(shí)，必定會(huì)發(fā)生銀遷移現(xiàn)象。空氣中的水分附在電極的表面，如果加上電壓，銀就會(huì)在陽極處氧化成為帶有正電荷的銀離子，這些離子在電場作用下向陰極移動(dòng)。在銀離子穿過介質(zhì)的途中，銀離子被存在的濕氣和離子沾污加速，通常在離子和水中的氫氧離子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氫氧化銀，在導(dǎo)體之間出現(xiàn)乳白色的污跡，最后在陰極銀離子還原析出，形成指向陽極的細(xì)絲。 過電應(yīng)力電子元器件都在其參數(shù)指標(biāo)中設(shè)定了使用時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，包括最高工作環(huán)境溫度或殼溫，最大額定功率，最大工作電壓、電流，峰值電壓，最大輸入、輸出電流、電壓等。，也將造成電子元器件的損傷，這種電應(yīng)力就稱為過電應(yīng)力，其造成的損傷主要表現(xiàn)為元器件性能嚴(yán)重劣化或失去功能。過電應(yīng)力通常分為過壓應(yīng)力和 過流應(yīng)力。在過電應(yīng)力作用下，電子元器件局部形成熱點(diǎn)，當(dāng)局部熱點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)使材料熔化，形成開路或短路，導(dǎo)致元器件燒毀。 二次擊穿二次擊穿是指當(dāng)元器件被偏置在某一特殊工作點(diǎn)時(shí)（對于雙極型晶體管，是指V平面上的一點(diǎn)），電壓突然跌落，電流突然上升的物理現(xiàn)象，這時(shí)若無限流裝置及其它保護(hù)措施，元器件將被燒毀。凡是有雜質(zhì)濃度突變的元器件（如PN結(jié)等）都具有二次擊穿的現(xiàn)象，二次擊穿是一種體內(nèi)現(xiàn)象，對于雙極型器件，主要有熱不穩(wěn)定理論（熱模式）和雪崩注入理論（電流模式）兩種導(dǎo)致二次擊穿的機(jī)理。對于MOS元器件，誘發(fā)二次擊穿的機(jī)理是寄生的雙極晶體管作用。 閂鎖效應(yīng)閂鎖效應(yīng)是CMOS電路中存在的一種特殊的失效機(jī)理。所謂閂鎖（latchup）是指CMOS電路中固有的寄生可控硅結(jié)構(gòu)被觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間形成低阻大電流通路的現(xiàn)象CMOS電路的基本邏輯單元是由一個(gè)P溝道MOS場效應(yīng)管和一個(gè)N溝道MOS場效應(yīng)管以互補(bǔ)形式連接構(gòu)成，為了實(shí)現(xiàn)N溝道MOS管與P溝道MOS管的隔離,必須在N型襯底內(nèi)加進(jìn)一個(gè)P型區(qū)（P阱）或在P型襯底內(nèi)加進(jìn)一個(gè)N型區(qū)（N阱），這樣構(gòu)成了CMOS電路內(nèi)與晶閘管類似的PNPN四層結(jié)構(gòu)，形成了兩個(gè)寄生的NPN和PNP雙極晶體管。在CMOS電路正常工作狀態(tài)時(shí)，寄生晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。對CMOS電路的工作沒有影響，如CMOS電路的輸入端、輸出瑞、電源端或者地端受到外來的浪涌電壓或電流，就有可能使兩只寄生晶體管都正向?qū)?，使得電源和地之間出現(xiàn)強(qiáng)電流。這種強(qiáng)電流一開始流動(dòng)，即使除去外來觸發(fā)信號也不會(huì)中斷，只有關(guān)斷電源或?qū)㈦娫措妷航档侥硞€(gè)值以下才能解除，這種現(xiàn)象就是CMOS電路的閂鎖效應(yīng)。 靜電損傷處于不同靜電電位的兩個(gè)物體間發(fā)生的靜電電荷轉(zhuǎn)移就形成了靜電放電，這