【導(dǎo)讀】隨著人們對(duì)電子產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的要求不斷增加，電子元器件的可靠性不斷引起人們的關(guān)注，如何提高可靠性成為電子元器件制造的熱點(diǎn)問題。本文將對(duì)其中很重要的部分電子元器件的失效分析進(jìn)行詳細(xì)的闡述，內(nèi)容包括電子元器件失效分析的目的和意義、失效分析的目的和意義、失效分析的基本內(nèi)容、失效分析要求、主要失效模式及其分布、主要失效機(jī)理及其定義。
1 失效分析的目的和意義
電子元件失效分折的目的是借助各種測(cè)試分析技術(shù)和分析程序確認(rèn)電子元器件的失效現(xiàn)象，分辨其失效模式和失效機(jī)理，確定其最終的失效原因，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造工藝的建議。防止失效的重復(fù)出現(xiàn)，提高元器件可靠性。失效分折是產(chǎn)品可靠性工程的一個(gè)重要組成部分，失效分析廣泛應(yīng)用于確定研制生產(chǎn)過程中產(chǎn)生問題的原因，鑒別測(cè)試過程中與可靠性相關(guān)的失效，確認(rèn)使用過程中的現(xiàn)場(chǎng)失效機(jī)理。
在電子元器件的研制階段。失效分折可糾正設(shè)計(jì)和研制中的錯(cuò)誤，縮短研制周期；在電子器件的生產(chǎn)，測(cè)試和試用階段，失效分析可找出電子元器件的失效原因和引起電子元件失效的責(zé)任方。根據(jù)失效分析結(jié)果，元器件生產(chǎn)廠改進(jìn)器件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，元器件使用方改進(jìn)電路板設(shè)計(jì)，改進(jìn)元器件和整機(jī)的測(cè)試，試驗(yàn)條件及程序，甚至以此更換不合格的元器件供貨商。因而，失效分析對(duì)加快電子元器件的研制速度，提高器件和整機(jī)的成品率和可靠性有重要意義。
失效分折對(duì)元器件的生產(chǎn)和使用都有重要的意義，如圖所列。
元器件的失效可能發(fā)生在其生命周期的各個(gè)階段。通過分析工藝廢次品，早期失效，實(shí)驗(yàn)失效及現(xiàn)場(chǎng)失效的失效產(chǎn)品明確失效模式、分析失效機(jī)理，最終找出失效原因。因此元器件的使用方在元器件的選擇、整機(jī)計(jì)劃等方面，元器件生產(chǎn)方在產(chǎn)品的可靠性方案設(shè)計(jì)過程，都必須參考失效分折的結(jié)果。通過失效分折，可鑒別失效模式，弄清失效機(jī)理，提出改進(jìn)措施，并反饋到使用、生產(chǎn)中，將提高元器件和設(shè)備的可靠性。
2 失效分析的基本步驟
對(duì)電子元器件失效機(jī)理及原因的診斷過程叫失效分析。進(jìn)行失效分析往往需要進(jìn)行電測(cè)量并采用先進(jìn)的物理、冶金及化學(xué)的分析手段。失效分析的任務(wù)是確定失效模式和失效機(jī)理，提出糾正措施，防止重復(fù)出現(xiàn)。因此，失效分析的主要內(nèi)容包括：明確分析對(duì)象、確定失效模式、判斷失效原因、研究失效機(jī)理、提出預(yù)防措施（包括設(shè)計(jì)改進(jìn))。
2.1 明確分析對(duì)象
失效分析首先是要明確分析對(duì)象及失效發(fā)生的背景。失效分析人員應(yīng)該了解失效發(fā)生時(shí)的狀況，確定失效發(fā)生在設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，檢測(cè)，儲(chǔ)存，傳送或使用的哪個(gè)階段，了解失效發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象及失效發(fā)生前后的操作過程。在條件許可的情況下，盡可能的復(fù)現(xiàn)失效。
2.2 確定失效模式
失效的表面現(xiàn)象或失效的表現(xiàn)形式就是失效模式。失效模式的確定通賞采用兩種方法，即電學(xué)測(cè)試和顯微鏡現(xiàn)察。根據(jù)測(cè)試、觀察到的現(xiàn)象與效應(yīng)進(jìn)行初步分析，確定出現(xiàn)這些現(xiàn)象的可能原因，或者與失效樣品的哪一部分有關(guān)；同時(shí)通過立體顯微鏡檢查失效樣品的外觀標(biāo)志是否完整，是否存在機(jī)械損傷，是否有腐蝕痕跡等；通過電特性測(cè)試，判斷其電參數(shù)是否與原始數(shù)據(jù)相符，分析失效現(xiàn)象可能與失效樣品中的哪一部分有關(guān)；利用鏡像顯微鏡和掃描電子顯微鏡等設(shè)備觀察失效部位的形狀，大小，位置，顏色，機(jī)械和物理結(jié)構(gòu)，物理特性等，準(zhǔn)確的描述失效特征模式。失效模式可以定位到電（如直流特性、漏電）或物理（如裂紋、侵蝕）失效特征，根據(jù)失效發(fā)生時(shí)的條件（如老化、靜電放電、環(huán)境），結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，區(qū)分失效位置，減少診斷失效機(jī)理要求的工作量。
2.3 判斷失效原因
根據(jù)失效模式，失效元器件的材料性質(zhì)、制造工藝?yán)碚摵徒?jīng)驗(yàn)，結(jié)合觀察到的相應(yīng)失效部位的形狀、大小、位置、顏色以及化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)、物理特性等因素，參照失效發(fā)生的階段、失效發(fā)生時(shí)的應(yīng)力條件和環(huán)境條件，提出可能的導(dǎo)致失效的原因。失效可能由一系列的原因造成，如設(shè)計(jì)缺陷，材料質(zhì)量問題，制造過程問題、運(yùn)輸或儲(chǔ)藏條件不當(dāng)，在操作時(shí)的過載等，而大多數(shù)的失效包括一系列串行發(fā)生的事件。對(duì)一個(gè)復(fù)雜的失效，需要根據(jù)失效元器件和失效模式列出所有可能導(dǎo)致失效的原因，確定正確的分析次序，并且指出哪里需要附加的數(shù)據(jù)來支撐某個(gè)潛在性因素。失效分析時(shí)根據(jù)不同的可能性，逐個(gè)分折，最終發(fā)現(xiàn)問題的根源。
2.4 研究失效機(jī)理
對(duì)于失效機(jī)理的研究是非常重要的，需要更多的技術(shù)支撐。
在確定失效機(jī)理時(shí)，需要選用有關(guān)的分析、試驗(yàn)和觀測(cè)設(shè)備對(duì)失效樣品進(jìn)行仔細(xì)分析，驗(yàn)證失效原因的判斷是否屬實(shí)，并且能把整個(gè)失效的順序與原始的癥狀對(duì)照起來，有時(shí)需要用合格的同種元器件進(jìn)行類似的破壞實(shí)驗(yàn)，觀察是否產(chǎn)生相似的失效現(xiàn)象。通過反復(fù)驗(yàn)證，確定真實(shí)的失效原因，以電子元器件失效機(jī)理的相關(guān)理論為指導(dǎo)。對(duì)失效模式、失效原因進(jìn)行理論推理，并結(jié)合材枓性質(zhì)、有關(guān)設(shè)計(jì)和工藝?yán)碚摷敖?jīng)驗(yàn)，提出在可能的失效條件下導(dǎo)致該失效模式產(chǎn)生的內(nèi)在原因或具體物理化學(xué)過程。如存可能,更應(yīng)以分子、原了學(xué)觀點(diǎn)加以闡明或解釋。
2.5 提出預(yù)防措施及設(shè)計(jì)改進(jìn)方法
根據(jù)分析判斷。提出消除產(chǎn)生失效的辦法和建議，及時(shí)地反饋到設(shè)計(jì)、工藝、使用單位等各個(gè)方面，以便控制乃至完全消除失效的主要模式的出現(xiàn)。
3 失效分析要求
隨著科技水平的發(fā)展和工藝的進(jìn)歩.電子產(chǎn)品越來越微型化、復(fù)雜化和系統(tǒng)化，而其功能卻越來越強(qiáng)大，集成度越來越高，體積越來越小。隨著科技的發(fā)展各種新材料、新器件也不斷出現(xiàn)，對(duì)失效分析的要求也越來越高；用于失效分析的新技術(shù)，新方法和新設(shè)備也越來越多。但在實(shí)際的失效分析過程中，遇到的樣品多種多樣，失效情況也各不相同。因此，根據(jù)失效分析的目的與實(shí)際，選擇合適的分析技術(shù)與方法，從大到小，從外到內(nèi)，從非破壞到破壞，從定性到定量，使失效分析迅速、準(zhǔn)確、可靠。
電子元器件失效分析的就是要做到模式準(zhǔn)確、原因明確、機(jī)理清楚、措施得力、模擬再現(xiàn)、舉一反三。
3.1 模式準(zhǔn)確
如前所述，失效模式是指失效的外在直觀失效表現(xiàn)形式和過程規(guī)律，通常指測(cè)試或觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式。如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。模式準(zhǔn)確，就是要將失效的性質(zhì)和類型判斷準(zhǔn)確。
失效模式的判斷應(yīng)首先從失效環(huán)境的分析入手，細(xì)心收集失效現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。失效現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)反映了失效的外部環(huán)境，對(duì)確定失效的責(zé)任方有重要意義。有些看來與現(xiàn)場(chǎng)無直接關(guān)系的東西可能是決定性的。例如,失效現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，工作人操作無誤，供電系統(tǒng)正常，而整機(jī)上的器件出現(xiàn)了早期失效，說明元器件生產(chǎn)廠應(yīng)對(duì)元器件失效負(fù)責(zé)，應(yīng)負(fù)責(zé)整改，排除工藝缺陷，提高產(chǎn)品可靠性。
收集失效現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)主要包括：失效壞境、失效應(yīng)力、失效發(fā)生期、失效現(xiàn)象及過程和失效樣品在失效前后的電測(cè)量結(jié)果。
失效環(huán)境包括：溫度、濕度、電源環(huán)境，元器件在電路圖上的位置、作用，工作條件和偏置狀況。
失效應(yīng)力包括：電應(yīng)力、溫度應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、氣候應(yīng)力和輻射應(yīng)力。如樣品經(jīng)可靠性試驗(yàn)而失效，需了解樣品經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力種類和時(shí)間。
失效發(fā)生期包括：失效樣品的經(jīng)歷、失效時(shí)間、失效發(fā)生的階段，如研制、生產(chǎn)、測(cè)試、試驗(yàn)、儲(chǔ)存、使用等。
3.2 原因明確
失效原因的判斷通常是整個(gè)失效分析的核心和關(guān)鍵，對(duì)于確''定失效機(jī)理，提出預(yù)防措施具有總要的意義。
失效原因通常是指造成電子元器件失效的直接關(guān)鍵性因素，其判斷建立在失效模式判斷的基礎(chǔ)上。通過失效原因的分析判斷，確定造成失效的直接關(guān)鍵因素處于設(shè)汁、材料、制造工藝、使用及環(huán)境的哪―環(huán)節(jié)。
失效現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為確定電子元器件的失效原因提供了重要線索。失效可分為早期失效、隨機(jī)尖效和磨損失效。而早期失效主要由工藝缺陷、原材料缺陷、篩選不充分引起。隨機(jī)失效主要由整機(jī)開關(guān)時(shí)的浪涌電流、靜電放電、過電損傷引起。磨損失效主要由電子元器件自然老化引起。根據(jù)失效發(fā)生期，可估計(jì)失效原因，加快失效分析的進(jìn)度。此外，根據(jù)元器件失效前或失效時(shí)所受的應(yīng)力種類和強(qiáng)度，也可大致推測(cè)失效的原因，加快失效分析的進(jìn)程。如下圖：
然而失效原因的確定是相當(dāng)復(fù)雜的,其復(fù)雜性表現(xiàn)為失效原因具有的一些特點(diǎn)。如原因的必要性、多樣性、相關(guān)性、可變性和偶然性，需要綜合多方面情況及元器件特點(diǎn)進(jìn)行。
3.3 機(jī)理清楚
失效機(jī)理是指失效的物理、化學(xué)變化過程。微觀過程可以追溯到原子、分子尺度和結(jié)構(gòu)的變化，但與此相對(duì)的是它遲早也要表現(xiàn)出一系列宏現(xiàn)（外在的）性能，性質(zhì)變化，如疲勞、腐蝕和過應(yīng)力等。失效機(jī)理是對(duì)失效的內(nèi)在本質(zhì)、必然性和規(guī)律性的研究，是人們對(duì)失效內(nèi)在本質(zhì)認(rèn)識(shí)的理論提高和升華。
失效原因通常可以分為內(nèi)因和外因兩種.失效機(jī)理就是失效的內(nèi)因。它是導(dǎo)致電子元器件發(fā)生失效的物理、化字或機(jī)械損傷過程。失效機(jī)理研是失效的深層次內(nèi)因或內(nèi)在本質(zhì).即釀成失效的必然性和規(guī)律性的研究。要清楚地判斷元器件失效機(jī)理就必須對(duì)其失效機(jī)理有所了解和掌握。如在集成電路中金屬化互連系統(tǒng)可能存在著電遷移和應(yīng)力遷移失效，這兩種失效的物理機(jī)制是不同的，產(chǎn)生的應(yīng)力條件也是不同的。對(duì)于失效機(jī)理的研究和判斷需要可靠性物理方面的專業(yè)知識(shí)。
3.4 措施得力，模擬再現(xiàn)，舉一反三
措施得力，模擬再現(xiàn)，舉一反三是建立在前面對(duì)失效模式、失效原因和失效機(jī)理深入分折和準(zhǔn)確把握的基礎(chǔ)上。當(dāng)然制定預(yù)防措施也應(yīng)考慮長遠(yuǎn)的手段和產(chǎn)品使用問題。以及工程上的可行性、經(jīng)濟(jì)性等方面。模擬再現(xiàn)則要分折模擬的可能性和必要性，同時(shí)， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬仿真也成為模擬再現(xiàn)的一個(gè)重要手段。
失效分析是一個(gè)復(fù)雜的、綜合性的過程.它不僅僅只是失效分析工程師的工作.而且需要設(shè)計(jì)工程師、制造工程師、使用工程師的密切配合。只有在各個(gè)方面的團(tuán)結(jié)協(xié)作下，才能找到產(chǎn)品失效的真實(shí)原因，準(zhǔn)確判斷其失效機(jī)理，揭示引起產(chǎn)品失效的過程，起到改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品固有可靠性和使用可靠性目的。
另外，為了得到一個(gè)成功的失效分析結(jié)果，避免犯一些常見的錯(cuò)誤，所有可能涉及失效現(xiàn)象處理的人，都應(yīng)該具備—些處理故障現(xiàn)象的基本知識(shí)。
1、保護(hù)實(shí)物證據(jù)
2、避免過多的加電測(cè)試
3、保證失效元器件在到達(dá)失效分析工程師之前不再受到損傷
4、制定失效分析方案
5、確定失效現(xiàn)象
6、失效分析的基本
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(jiǎn)單后復(fù)雜、先主要后次要的基本原則，反復(fù)測(cè)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。
4 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。總體來說，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)。
5 失效的主要機(jī)理及其定義
失效機(jī)理是指引起電子元器件失效的實(shí)質(zhì)原因，即引起電子元器件失效的物理或化學(xué)過程.通常是指由于設(shè)計(jì)上的弱點(diǎn)（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）模型等.如下表所列。對(duì)于半導(dǎo)體元器件來說.失效機(jī)理通常有兩種失效物理模型：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(duì)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(duì)待,嚴(yán)格區(qū)分。
5.1 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。
5 .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450-550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。
5.3 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。
5.4 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。在外電場(chǎng)作用下.金屬離子受到兩種力的作用，一種是電場(chǎng)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(duì)鋁、金等金屬膜，電場(chǎng)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。
5.5 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(shì)壘發(fā)生相''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。
5.6 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(duì)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。
5.7 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(shì)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， Au2Al呈白色.稱白斑，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Au-Al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。
5.8 柯肯德爾效應(yīng)
在Au-Al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(jiǎn)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Au-Al系統(tǒng)，其次是溫度和時(shí)間。
5.9 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(duì)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(chǎng)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。
5.10 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。如果在使用時(shí)所加的電應(yīng)力超過了元器件規(guī)定的最大應(yīng)力.即使是瞬間超過，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。
5.11 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(duì)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(duì)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(duì)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。
5.12 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（latch-up）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(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)N溝道MOS場(chǎng)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(duì)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)ǎ沟秒娫春偷刂g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(hào)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)。
5.13 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，這種靜電放電將給電子元器件帶來損傷，引起產(chǎn)品失效。電子元器件由靜電放電引發(fā)的失效可分為突發(fā)性失效和潛在性失效兩種模式，突發(fā)性失效是指元器件受到靜電放電損傷后，突然完全喪失其規(guī)定的功能，主要表現(xiàn)為開路、短路或參數(shù)嚴(yán)重漂移；潛在性失效是指靜電放電電能量較低，僅在元器件內(nèi)部造成輕微損傷，放電后元器件的電參數(shù)仍然合格或略有變化，但元器件的抗過電應(yīng)力能力已明顯削弱，或者使用壽命已明顯縮短，再受到工作應(yīng)力或經(jīng)過一段時(shí)間工作后將進(jìn)一步退化，直至造成徹底失效。
靜電放電失效機(jī)理可分為過電壓場(chǎng)致失效和過電流熱致失效。過電壓場(chǎng)致失效是指高阻抗的靜電放電回路中，絕緣介質(zhì)兩端的電極因接受了高靜電放電電荷而呈現(xiàn)高電壓，有可能使電極之間的電場(chǎng)超過其介質(zhì)臨界擊穿電場(chǎng)，使電極之間的介質(zhì)發(fā)生擊穿失效，過電壓場(chǎng)致失效多發(fā)生于MOS元器件，包括含有MOS電容的雙極型電路和混合電路；過電流熱致失效是由于較低阻抗的放電回路中，由于靜電放電電流過大使局部區(qū)域溫升超過材料的熔點(diǎn)，導(dǎo)致材料發(fā)生局部熔融使元器件失效，過電流熱致失效多發(fā)生于雙極元器件，包括輸人用PN結(jié)二極管保護(hù)的MOS電路、肖特基二極管以及含有雙極元器件的混合電路。
5.14 介質(zhì)的擊穿機(jī)理
介質(zhì)擊穿，從應(yīng)用角度可分為自愈式擊穿和毀壞性擊穿。自愈式擊穿是局部點(diǎn)擊穿后，所產(chǎn)生的熱量將擊穿點(diǎn)處的金屬蒸發(fā)掉，使擊穿點(diǎn)自行與其他完好的介質(zhì)隔離；毀壞性擊穿是金屬原子徹底侵入介質(zhì)層，使其絕緣作用完全喪失。根據(jù)引起擊穿的原因之可將介質(zhì)擊穿分為非本征擊穿和本征擊穿兩種：前者是在介質(zhì)中的氣孔、微裂縫、灰塵、纖維絲等疵點(diǎn)附近，因氣體放電、等離子體、電孤、電熱分解等引起的擊穿；后者是外加電場(chǎng)超過了介質(zhì)材料的介電強(qiáng)度引起的擊穿。無論是非本征擊穿還圮本征擊穿，按其本質(zhì)來看，則均可能歸結(jié)于電擊穿、熱擊穿或熱點(diǎn)反饋造成的熱電擊穿。
5.15 與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB)
TDDB是影響MOS元器件長期可靠性的一種重要的失效機(jī)理，當(dāng)對(duì)二氧化硅薄膜施加低于本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度后，經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生介質(zhì)擊穿現(xiàn)象，這就是與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿。它的擊穿機(jī)理，可以分為兩個(gè)階段：第一階段是建立階段，在高電場(chǎng)、高電流密度應(yīng)力的作用下，氧化層內(nèi)部發(fā)生電荷的積聚，積累的電荷達(dá)到某一程度后，使局部電場(chǎng)增高到某一臨界值；第二階段實(shí)在熱或電的正反饋?zhàn)饔孟拢杆偈寡趸瘜訐舸趸瘜拥膲勖傻谝浑A段中電荷的累計(jì)時(shí)間確定。
5.16 熱栽流子效應(yīng)
所謂熱載流子，是指其能量比費(fèi)米能寄大幾個(gè)KT以上的載流子，這些載流子與晶格處于熱不平衡狀態(tài)，載流子的溫度超過了晶格溫度。 熱載流子的能量達(dá)到或超過Si-SiO2界面勢(shì)壘的能量時(shí)，便會(huì)注入到SiO2中去，產(chǎn)生界面態(tài)、氧化層陷阱或被氧化層中陷阱所俘獲，由此產(chǎn)生的電荷積累引起元器件電參數(shù)不穩(wěn)定。表現(xiàn)為MOS元器件的閾值電壓漂移或跨導(dǎo)值降低，雙極元器件的電流增益下降，PN結(jié)擊穿電壓蠕變，使元器件性能受到影響，這就是熱載流子效應(yīng)。
5.17“爆米花效應(yīng)”
“爆米花效應(yīng)”是指塑封元器件塑封材料內(nèi)的水汽在高溫下受熱膨脹，是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)生開路失效。塑封元器件是以樹脂類聚合物材料封裝的，其中的水汽包括封裝時(shí)殘留于元器件內(nèi)部、表面吸附，經(jīng)材料間的縫隙滲入及外界通過塑料本身擴(kuò)散進(jìn)入。
5.18 軟誤差
電子元器件的封裝材料（如陶瓷管殼，作樹脂填充劑的石英粉等）中含有微量元素鈾等放射性物質(zhì)，它們衰變時(shí)會(huì)放出高能射線。當(dāng)這些射線或宇宙射線照射到半導(dǎo)體存儲(chǔ)器上時(shí)，引起存儲(chǔ)數(shù)據(jù)位的丟失或變化，在下次寫入時(shí)存儲(chǔ)器又能正常工作，它完全是隨機(jī)的發(fā)生，隨意把這種數(shù)據(jù)位丟失叫軟誤差。引起軟誤差的根本原因是射線的電離效應(yīng)。
總結(jié)
失效分析的過程由分析者的主觀能動(dòng)性開始，首先充分了解失效分析現(xiàn)場(chǎng)，搜集失效經(jīng)過的信息，判斷失效的可能原因與機(jī)理，并選擇以上描述的失效分析技術(shù)中的一項(xiàng)或者多項(xiàng)對(duì)猜想給與驗(yàn)證或否定，并實(shí)時(shí)修改猜想的失效原因與機(jī)理，重復(fù)驗(yàn)證與否定過程，直至得出結(jié)論。
失效分析全過程以分析者的主觀判斷為基礎(chǔ)，輔以各種實(shí)驗(yàn)手段，給出所做猜想肯定或否定的證據(jù)，并最終得到結(jié)論。
推薦閱讀：
微波開關(guān)矩陣的幅度和相位匹配特性及測(cè)量
新發(fā)明的無線電架構(gòu)，讓可穿戴占最小的份額
醫(yī)療設(shè)備軟件不可或缺的安全性設(shè)計(jì)
這些新“上線”的智能醫(yī)療設(shè)備，真的實(shí)用嗎？
低壓運(yùn)放如何檢測(cè)高壓上橋臂電流？
