电子元器件主要失效模式和机理介绍
本报编辑：韩双露时间: 2009-5-22 17:16:45 来源: 电子制造商情
中国赛宝实验室分析中心陈媛
摘要：电子元器件的种类繁多，相应的失效模式和机理也很多，本文归纳和总结电子元器件的
失效模式、分析和验证电子元器件的失效机理。
针对失效模式和失效机理采取有效措施，是不
断提高电子元器件可靠性水平的过程。
关键词：电子元器件、可靠性、失效模式、失效机理
引言
电子元器件的失效主要是在产品的制造、试验、运输、存储和使用等过程中发生的，与原材料、设计、制造、使用密切相关。
电子元器件的种类很多，相应的失效模式和机理也很多。
失效模式是指失效的外在直观失效表现形式和过程规律，通常指测试或观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能失效等。
失效机理是指失效的物理、化学变化过程，微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出的一系列宏观（外在的）性能、性质变化，如疲劳、腐蚀和过应力等。
从现场失效和试验失效中去收集尽可能多的信息(包括失效形态、失效表现现象及失效结果等)进行归纳和总结电子元器件的失效模式，分析和验证失效机理，并针对失效模式和失效机理采取有效措施，是不断提高电子元器件可靠性水平的过程。
1 集成电路失效模式和机理介绍
集成电路的主要失效模式有功能失效、参数漂移、短路、开路等。
集成电路失效模式统计分布见图1。
图1 集成电路失效模式分布
集成电路的主要失效机理有：
1）过电应力（EOS）：是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。
2）静电损伤(ESD)：微电子器件在加工生产、组装、贮存以及运输过程中，可能与带静电的容器、测试设备及操作人员相接触，所带静电经过器件
引脚放电到地，使器件受到损伤或失效
3）闩锁效应（latch-up）：集成电路由于过电应力触发内部寄生晶体管结构而呈现的一种低阻状态，这种低阻状态在触发条件去除或终止后仍会
存在。
4）电迁移（EM）：当器件工作时，金属互连线内有一定的电流通过，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。
5）热载流子效应（HC）：热载流子是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-SiO
界面势垒时(对电子注入为3.2eV，对空穴注入为4.5eV)便会注
2
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。
6）栅氧击穿：在MOS器件及其集成电路中，栅氧化层缺陷会导致栅氧漏电，漏电增加到一定程度即构成击穿。
7）与时间有关的介质击穿（TDDB）：施加的电场低于栅氧的本征击穿强度，但经历一定的时间后仍发生击穿的现象。
这是由于施加应力的过程中，
氧化层内产生并聚集了缺陷（陷阱）的原因。
8）金铝键合失效：由于金-铝之间的化学势不同，经长期使用或200℃以上的高温存储后，会产生多种金属间化合物，如紫斑、白斑等。
使铝层
变薄、粘附性下降、接触电阻增加，最后导致开路。
在300℃高温下还
会产生空洞，即柯肯德尔效应，这种效应是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。
9）“爆米花效应”:塑封元器件塑封材料内的水汽在高温下受热发生膨胀，使塑封料与金属框架和芯片间发生分层效应，拉断键合丝，从而发生开
路失效。
2 分立器件失效模式和机理介绍
分立器件失效模式主要有短路、开路、参数漂移、壳体破碎等。
分立器件失效模式统计分布见图2。
图2 分立器件失效模式分布
分立器件的主要失效机理有：
1）过电应力（EOS）。
2）机械应力和热变应力：元器件在生产、运输、安装和焊接等过程中受到外来的机械和热应力的作用而失效。
3）二次击穿：器件被偏置在某一特殊的工作点时，电压突然跌落，电流突然上升的物理现象。
这时若无限流装置及其他保护措施，元器
件将被烧毁。
4）热击穿：功率器件芯片与底座粘接或烧结不良，会存在众多大小不等的空洞，导致器件工作时产生的热量不能充分往外传导，形成局
部热点而发生击穿的现象。
5）栅氧击穿。
6）金铝键合失效。
3 阻容感元件失效模式和机理介绍
阻容感元件的失效模式主要有参数漂移、短路、壳体破碎、外观不合格等。
阻容感元件失效模式统计分布见图3。
图3 阻容感元件失效模式分布
阻容感元件的失效机理主要有：
1）过电应力（EOS）。
2）机械应力和热变应力。
3）腐蚀：金属与周围介质接触时发生化学或电化学作用而被破坏叫做腐蚀，它会导致元器件的电性能恶化。
4）银迁移：电子元器件在存储和使用中，由于存在湿气、水分，导致其中相对活泼的金属银离子发生电化学迁移，从而出现短路、开路
及绝缘性能变坏等失效。
4、其他电子元器件失效模式和机理介绍
除了以上常见的电子元器件以外，还有很多其它电子元器件，如连接器、继电器、半导体激光器、传感器、霍尔器件等。
这些元器件失效主要是由于工艺过程控制不严，在生产过程中产生了缺陷或引入污染源（水汽、沾污）等。
其主要失效模式主要表现为参数漂移和功能失效。
结束语
电子元器件的种类繁多，其失效模式和机理也不尽相同，但所有失效基本都可归纳为两个方面的原因：即应用环境、条件与产品质量要求。
电子元器件可靠性水平的提高基本可围绕这两方面来进行。
一要改进电子元器件的设计和工艺条件，控制产品质量；二要合理使用，注意整机电路设计，考虑元器件使用的条件范围及环境等。