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失效模式与失效机理
3.10、键合失效——一般是指金丝和铝条互连之间的键合失效。由于金铝之间的化学势的不同，经长期使用或200℃以上高温储存后，会产生多 种金属间化合物，如紫斑、白斑等。结果使铝层变薄，粘附性下降，造 成半断线状态，接触电阻增加，最后导致开路失效。在300℃高温下还会 产生空洞，即柯肯德尔效应，这种效应是在高温下金向铝中迅速扩散并 形成化合物，在键合点四周出现环形空洞，使铝膜部分或全部脱离，形 成高阻或开路。
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失效分析的主要内容
二、失效分析的主要内容-思路
2.1、明确分析对象 明确分析对象及失效发生的背景。在对委托方提交的失效样品进行具 体的失效分析操作之前，失效分析人员应该和委托方进行沟通，了解失 效发生时的状况，确定在设计、生产、检测、储存、传送或使用哪个阶 段发生的失效，如有可能要求委托方详细描述失效发生时的现象以及失 效发生前后的操作过程。 2.2、确定失效模式 失效的表面现象或失效的表现形式就是失效模式。失效模式的确定通 常采用两种方法，即电学测试和显微镜观察。 立体显微镜观察失效样品的外观标志是否完整，是否存在机械损伤， 是否有腐蚀痕迹等； 金相显微镜和扫描电子显微镜等设备观察失效部位的形状、大小、位 置、颜色，机械和物理特性等，准确的扫描失效特征模式。 电学测试判断其电参数是否与原始数据相符，分析失效现象可能与失 效样品中的哪一部分有关。
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（2）操作失误造成的电损伤 2-1 双列直插式封装的集成电路当测试时不慎反插，往往就会造成电 源和地两端插反，其结果是集成电路电源与地之间存在的PN结隔离二极 管就会处于正偏(正常情况是反偏)，出现近100毫安的正向电流，这种电 过应力损伤随着通电时间的增长而更加严重。这种损伤如果不太严重， 虽然电路功能正常，只表现出静态功耗增大，但这种受过损伤的电路， 可靠性已严重下降，如果上机使用，就会给机器造成隐患。 2-2 T0-5型金属管壳封装的集成电路，电测试时容易出现管脚插错或 管脚间相碰短路。这种意外情况有时也会导致集成电路内部某些元器件 的电损伤。 2-3 电路调试时，不慎出现“试笔头”桥接短路管脚，这种短接有时 会造成电损伤。 2-4 在电子设备中设置的“检测点”，如果位置设置不当又无保护电 路时，维修时就可能将不正常的电压引入该端而损伤器件。
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（5）CMOS电路发生可控硅效应(闩锁效应) CMOS电路的静态功耗极小，但可控硅效应被触发后功耗会变得很大 (50～200毫安)，并导致电路发生烧毁失效。CMOS电路的硅芯片内部，在 VDD与VSS之间有大量寄生可控硅存在，并且所有输出端和输入端都是它 的触发端，在正常条件下工作，由于输入和输出电压满足下式要求： VDD>Vout>Vss VDD>Vin>Vss。 所以正常工作条件下CMOS电路不会发生可控硅效应。但在某些特殊 情况下，上述条件就会不满足，凡是出现以下情况之一，可控硅效应(闩 锁)就可能发生，发生闩锁的CMOS电路如果无限流保护就会被烧毁。
电子元器件失效分析与案例分析
华润矽科市场营销部应用组
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电子元器件失效分析的意义
一、失效分析的意义
在电子元器件的研制阶段、失效分析可纠正设计和研制中的错误，缩 短研制周期；在电子元器件的生产、测试和使用阶段，失效分析可找出 电子元器件的失效原因和引起失效的责任方。 根据失效分析结果，元器件生产厂改进元器件的设计和生产工艺，元 器件适用方改进电路板设计，改进元器件或整机的测试、试验条件及程 序，甚至以此为根据更换不合格的元器件供货商。 因此失效分析对加快电子元器件的研制速度，提高元器件和整机的成 品率和可靠性有重要意义。
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失效模式与失效机理
三、失效模式与失效机理 失效模式与失效机理的对应关系
失效模式
开路
主要失效机理
EOS、ESD、电迁移（EM）、应力迁移（SM）、腐 蚀、键合点脱落、紫斑、机械应力、热变应力 pn结缺陷、pn结穿钉、EOS、介质击穿（TDDB效应、 针孔缺陷）、水汽、金属迁移、界面态、离子导电 氧化层电荷、钠离子玷污、表面离子、芯片裂纹、过 载流子（HC）、辐射损伤
短路（漏电） 参漂
功能失效
EOS、ESD、Latch-Up
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失效模式与失效机理
各相关失效机理的概念和定义简述如下： 3.1、过电应力EOS——指元器件承受的电流、电压应力或功率超过其 允许的最大范围。 过电应力的来源： （1）电浪涌损伤 瞬间 瞬时功率很大 电浪涌来源有
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ESD失效的不同机理 过电压场致失效： 发生于MOS器件，包括含有MOS电容或钽 电容的双极性电路和混合电路； 过电流热致失效：多发生于双极器件，包括输入用pn结二极管 保护电路的MOS电路，肖特基二极管以及含有双极器件的混合器 件 实际发生哪种失效，取决于静电放电回路的绝缘程度！ 如果放电回路阻抗较低，绝缘性差，器件往往会因放电期间的 强电流脉冲导致高温损伤，这属于过电流损伤； 相反，因阻抗高，绝缘性好，器件接受高电荷而产生高压，导 致强电场损伤，属于过压损伤。
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3.7、与时间有关的介质击穿（TDDB）——指施加的电场低于栅氧的本 征击穿场强，并未引起本征击穿，但经历一定时间后仍发生击穿的现象 ，这是由于施加应力过程中，氧化层内产生并集聚了缺陷（陷阱）的原 因。 3.8、电迁移（EM）——当器件工作时，金属互连线的铝条内有一定电流 通过，金属离子会沿导体产生质量的运输，其结果会使导体的某些部位 出现空洞或晶须（小丘），这即电迁移现象。 3.9、应力迁移（SM）——铝条经过温度循环或高温处理，由于应力的作 用也会发生铝条开路断裂的失效。这时空洞多发生在晶粒边界处，这种 现象叫应力迁移，以与通电后铝条产生电迁移的失效区别。铝条愈细， 应力迁移失效愈严重。
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3.2、静电放电ESD——处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转 移就是静电放电。这种静电电荷的转移方式有多种，如接触放电、空气 放电。静电放电一般指静电的快速转移或泄放。
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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ESD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：是指静电放电能量较低，仅在元器件内部造成轻微 损伤，上电后器件电参数仍能合格或略有变化，但器件的抗过电的 能力已经明显削弱，再受到工作应力后将进一步退化，使用寿命将 明显缩短。
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2.3、判断失效原因 失效可能由一系列的原因造成，如设计缺陷、材料质量问题、制造过 程问题、运输或储藏条件不当、在操作时的过载等，而大多数的失效包 括一系列串行发生的事件。 2.4、研究失效机理 在确定失效机理时，需要选用有关的分析、试验和观测设备对失效样 品进行仔细分析，验证失效原因的判断是否属实，并且能把整个失效的 顺序与原始的症状对照起来，有时需要用合格的同种元器件进行类似的 破坏性试验，观察是否产生相似的失效现象，通过反复验证（模拟实验 ），确定真实的失效原因，以电子元器件失效机理的相关理论为指导， 对失效模式、失效原因进行理论推理，并结合材料性质、有关设计和工 艺的理论及经验，提出在可能的失效条件下导致该失效模式产生的内在 原因或具体物理化学过程，如有可能，更应以分子、原子学观点加以阐 明或解释。
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2.5、提出预防措施及设计改进方法 根据分析判断、提出消除产生失效的办法和建议，及时地反馈到设 计、工艺、使用单位等各个方面，以便控制乃至完全消除失效的主要失 效模式的出现。 这需要失效工程师与可靠性、工艺、设计和测试工程师一起协作， 发挥团队力量，根据失效分析结果，提出防止产生失效的设想和建议， 包括材料、工艺、电路设计、结构设计、筛选方法和条件、使用方法和 条件、质量控制和管理等方面。
3.5、热载流子HC——指其能量比费米能级大几个kT以上的载流子，这些 载流子与晶格不处于热平衡状态，当其能量达到或超过Si-SiO２界面势垒 时便会注入到氧化层中，产生界面态，氧化层陷阱或被陷阱所俘获，使 氧化层电荷增加或波动不稳，这就是热载流子效应。 3.6、栅氧击穿——在MOS器件及其集成电路中，栅极下面存在一薄层SiO ２ ，此即通称的栅氧（化层）栅氧的漏电与栅氧质量关系极大，漏电增 加到一定程度即构成击穿，导致器件失效。
3.11、PN结穿钉——一般指在长期电应力或突发的强电流的作用下，在 PN结处于局部铝-硅熔融生成合金钉，穿透PN结，造成PN结短路的现象。
3.12、腐蚀失效——许多集成电路是用树脂包封的，然而水汽可以穿过 树脂体和引脚-树脂界面达到铝互连处，由水汽带入的外部杂质或从树脂 中溶解的杂质与金属铝作用，使铝互连线发生化学腐蚀或电化学腐蚀。
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（3）多余金属物引起短路 管脚浸锡时在管脚根部残留的焊锡碴或者是印制板上留下的多余锡 碴、导线头、细金属丝、金属屑等可动多余物，容易引起集成电路输出 对电源或对地短路，这种短路引起的过大电流会损伤集成电路。
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（4）电烙铁或仪器设备漏电引起的电损伤 集成电路或晶体管的引出端与漏电的电烙铁、仪器或设备机壳相碰 ，或者在仪器设备上更换元器件以及修补焊点等，都会带来电损伤。最 容易被损伤的集成电路有：带有MOS电容的集成电路、MOS电路、微波集 成电路、STTL•和LSTTL电路、单稳电路和振荡器、A/D和D/A电路、高精 度运算放大器、LSI和VLSI电路。其中单稳电路和振荡器在调试时发生的 这种电损伤很不容易发现，因为损伤的表现形式往往是表现为单稳电路 的脉冲宽度发生漂移；振荡器的振荡频率发生漂移，调试人员往往把这 种现象错误地认为是没有将电路调试好。 当更改定时元件R.C后，参数可以恢复正常，但这种“恢复正常”的 电路，工作一段时间后又会出现上述的参数漂移现象。