半导体器件失效原因分析
发信站: 紫金飞鸿 (Mon Oct 2 12:02:48 2000)
多年来，用户要求有更可靠的电子设备，而与此同时，电子设备发展得越来越复杂。

这两个因素的结合，促使人们更加关注电子设备在长期运行中确保无故障的能力。

通过失效分析可以深入理解失效机理和原因，引导元器件和产品设计的改进，有助于提高电子设备（系统）的可靠性。

半导体器件的失效通常是因为产生的应力超过了它们的最大额定值。

电气应力、热应力、化学应力、辐射应力、机械应力及其他因素都会造成器件失效。

半导体器件的失效机理主要划分成以下6种：
一、包封失效。

这类失效发生在用于封装器件的包封出现缺陷，通常是开裂。

机械应力或热应力以及包封材料与金属引线之间热膨胀系数的不同都会引起包封开裂，当环境湿度很高或器件暴露在溶剂、清洗剂等中时，这些裂缝会使湿气浸入，产生的化学反应会使器件性能恶化，使它们失效。

二、导线连接失效。

由于通过大电流造成过量的热应力、或由于连接不当使连接线中产生机械应力、连接线与裸芯之间界面的开裂、硅中的电致迁移、以及过量的连接压力，都会引起导线连接失效。

三、裸芯粘接故障。

裸芯与衬底之间粘接不当时，就会恶化两者之间的导热性，结果会使裸芯过热，产生热应力和开裂，使器件失效。

四、本征硅的缺陷。

由晶体瑕疵或本征硅材料中的杂质和污染物造成的缺陷使器件失效，在器件制造期间扩散工艺产生的工艺瑕疵也会造成器件失效。

五、氧化层缺陷。

静电放电和通过器件引线的高压瞬时传送，可能会使氧化层（即绝缘体）断开，造成器件功能失常。

氧化层中的开裂、划伤、或杂质也会导致器件失效。

六、铝金属缺陷。

这类缺陷往往由下列几种情况造成：由于大电场导致在电流流动方向上发生铝的电迁移；由于大电流造成过量电气应力，导致铝导体断裂；铝被腐蚀；焊接引起铝金属耗损；接触孔被不适当地淀积上金属；有小丘和裂缝。

半导体器件应该工作在由生产厂确定的电压、电流和功耗限定范围内，当器件工作在这个“安全工作范围（SOA）”之外时，电气应力过
度（EOS）就会引起内部电压中断，导致器件内部损伤。

如果EOS产生大电流，会使器件过热，形成热应力过度而使器件失效，即增加的热应力会导致“二次状态”失效。

电路设计人员可以通过采用规范适中的元件并通过降低元件的技术规范要求而使EOS失效降至最低，也可以在设计中采用必要的保护性器件，如齐纳二极管、铁氧体磁头、滤波器、变阻器等，它们能够防止出现电气应力。

静电放电（ESD）是构成EOS的一个重要方面，ESD能影响到在器件制造、测试处理、装配、生产或现场使用期间任何一级电子器件的功能。

不管什么原因，只要在物体表面积累电荷，就会产生ESD。

一个人走在
地毯上，由于摩擦产生电荷，可引发高达20KV的静电压。

此外，采用塑料部件的机器也能产生摩擦电荷。

显然，此种电荷侵入半导体中就有可能损坏器件。

ESD不会导致器件即时失效，它往往在器件中产生潜在缺陷，这种“虚弱”的器件在使用时非常容易失效。

通常，ESD损伤会以下述三种方式出现：一是放电或电气应力过度
而损坏器件。

这种损伤导致比正常电流更大的电流流动，引起热应力过度，从而熔化金属互连线并损伤器件的PN结；二是ESD感应电场耦合到PCB的线迹并产生能够熔化器件PN结的大电流；三是因静电放电触发硅控整流器（SCR）而在CMOS器件中产生闭锁。

ESD协会专门规定了处理器件的标准。

器件失效出现在二个层次，
即通过初测的批器件中出现失效和器件设计产生的问题。

在批器件中偶然会发生超过正常失效的器件数量。

这些器件通过初测，然后经过不适当的处理和工艺技术很差的封装，在装配、测试和输运这些“虚弱”器件期间出现了潜在缺陷。

根据分析，我们可以重新评估正在进行的测试和处理过程，并与供应商一块儿进行提升产品规范的工作。