可靠性-电子元器件失效分析

9. 电子系统与电子元器件的失效分析9.1 电子元器件简单介绍9.1.1 电子元器件定义电子元器件涵盖那些方面，包括什么内容，在参考文献15(军用元器件使用质量保证指南)中有系统介绍。这里仅就电子元器件的定义加以引用和说明。电子元器件的定义和内涵是随着信息技术的发展而发生变化的。在美军标MIL-STD-1547A航天器与运载器用电子元器件、材料和工艺 中，将电子元器件定义为：“在本标准中电子使用是广义的，包括电气、电磁、机电和光电元器件。这些元器件与电子组件如计算机、电源、导航仪器和航天器有关。电子元器件也包括连接器。 ”在欧洲的 ESA 标准 ESAPSS-0160（1988.11）ESA 空间系统的元器件选择、采购和控制中将元器件（ component）定义为：“完成某一电子、电气或机电功能，并由一个或几个部分构成且一般不会破坏的某个装置。术语元器件（component）可与单词元器件（part）互换。 ”GJB4027-2000 军用电子元器件破坏性物理分析方法将元器件（component或 part）定义为：“在电子线路或电子设备中执行电气、电子、电磁、机电和光电功能的基本单元。该基本单元可由一个或多个零件组成，通常不破坏是指不能将其分解的。 ”这里元器件指的是电子元器件。我国将上述元器件一直统称为电子元器件。从 20 世纪 80 年代，美国军标和 ESA 标准将这些元器件称为：电气、电子和机电（Electrical electronic electromechanical）元器件（ EEEpart,简称 3E 元器件） 4。表 3-1 元器件种类3.2 电子元器件选用与控制根据电子行业业界的分析，60%以上的生产故障是由于器件失效引起的，70%以上的市场返修也是因为器件失效引起的。国内外的有关资料表明：在电子元器件的失效中，由于选择或使用不当等人为因素导致失效的比例高达失效数的 50%以上5。所以在使用元器件之前，对电子元器件有针对性的选择和管理，将会大大地提高产品的可靠性。1、电子元器件选用准则 一般来说，电子元器件选用时应遵循下列准则：元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足装备的要求；优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不允许选用淘汰和禁用的元器件；应最大限度地压缩元器件的品种规格和生产厂家；未经设计定型的元器件不能在可靠性要求高的军工产品中正式使用；优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定；在性能价格比相等时，应优先选用国产元器件。 电子元器件在应用时应重点考虑的问题及确保应用可靠性所采取的有效措施降额使用。即为了提高元器件可靠性，延长其寿命，必须有意识地降低施加在元器件上的工作应力，以使实际使用应力低于其规定的额定应力。热设计。电子元器件的热效应是由于高温导致元器件的材料劣化而造成的，热应力已成为影响电子元器件可靠性的重要因素之一。因此，在元器件的布局、安装等过程中，必须充分考虑到热的因素，采取有效的热设计和环境保护设计。防静电问题。半导体器件在制造、存储、运输及装配过程中，均可能因摩擦而产生大的静电电压，当器件与这些带电体接触时，带电体就会通过器件“引出脚”放电，引起器件的失效。操作过程的损伤问题。操作过程中容易给半导体器件和集成电路带来机械损伤，应在结构设计及装配和安装时引起重视。储存和保管问题。储存和保管不当是造成元器件可靠性降低或失效的重要原因，必须予以重视并采取相应的措施。2、电子元器件控制为了确保电子元器件使用的可靠性，必须对电子设备研制、生产及使用各阶段中元器件的选择、采购、监制、验收、筛选、保管、使用、失效分析和信息管理等，实行有效的全过程质量与可靠性管理。 元器件选择。设备应制定电子元器件优选目录作为数据选用、质量可靠性管理和采购的依据。根据设备研制阶段的需求，应对元器件优选目录实施动态管理。 元器件采购。首先由采购单位编制采购文件，采购文件应按规定的程序履行审批手续，然后根据采购文件签订订货合同。 元器件监制。凡在订货合同规定监制要求的元器件，应按订购元器件供应单位进行监制。监制应按规定的技术标准和管理要求执行。 元器件验收。凡在订货合同规定的下厂验收元器件，应按订购元器件批次组织有验收资格的人员按合同规定到供应单位进行验收。验收应按规定的技术标准和管理要求执行。 元器件筛选。对没有筛选的元器件，或有筛选报告满足不了的元器件，应根据使用单位需要做补充筛选（常称为二次筛选） ，其筛选技术条件应符合规定的技术标准或产品研制的技术文件。 元器件存储与保管。应制定有关元器件的储存与保管条件、存放条件、入库检验、定期检查、出库检查及元器件失效的补发等标准要求。 元器件超期复验。应根据需要制定元器件存储要求，对超过规定储存期要求的元器件，装机前应按规定进行超期复验，或报废处理。 元器件使用。设备设计师在合理选用元器件的前提下，要采用降额设计、热设计、环境防护设计等可靠性设计技术。要严格控制新研制元器件的使用，并且要进行元器件的应用评审，提高元器件使用的可靠性。 元器件失效分析。加强元器件失效分析和质量反馈，提高元器件的固有可靠性。元器件失效分析均应按有关规定送上级主管部门指定的元器件失效分析机构进行失效分析。元器件失效分析后，负责分析的单位应按有关规定向委托单位提交失效分析报告，并及时反馈上报有关单位，采取纠错措施，防止重复故障发生。 元器件信息管理。应建立设备元器件管理制度，指定有关部门收集、处理、保管元器件及选用全过程的质量信息，并建立元器件数据库，实施计算机联网管理。3.3 电子元器件管理元器件管理的基本手段和方法是计划、组织、监制和控制。可靠性管理是通过以下五个方面工作来完成的:一是制订可靠性工作计划；二是对外协单位和供应单位的监督和控制；三是对设计过程实施严格的评审；四是建立故障报告、分析与纠正措施系统；五是建立故障审查组织。1、制订可靠性工作计划在指标论证阶段，要把系统可靠性作为一个参数，同性能、费用、进度进行综合权衡，确定合理可行的可靠性要求。在产品方案论证阶段，就要根据要求制汀可靠性工作的总体方案，确定可靠性工作顶目，分解并落实可靠性要求和责任，分配可靠性资源，设置一系列检查点，以监督和评价各阶段可靠性工作的进展与完成情况。可靠性计划反映了工程研制单位和工程负责人对可靠性工作的重视程度和所做的努力，体现了对实现产品可靠性要求的保证能力。可靠性计划由工程研制队伍中负责可靠性工作的专业人员编写，经工程最高负责人审批并同用户协商得到确认后实施。计划实施过程要进行一系列检查和评审，以监弩和评价可靠性工作是否按规定要求进行，产品可靠性要求是否能够得到保证。2、对外协单位和供应单位的监督和控制对一个复杂系统来说，承制单位不可能也没有必要研制生产系统所有的组成成份。一般来说，60%-70%的分系统和设备，80%-90%的元器件、零部件是由协作单位研制或供应单位生产的。为保证整个系统的可靠性，就要对外协、外购件的可靠性及其可靠性保证工作提出要求并进行监控。3、对设计过程实施严格的评审为保证可靠性计划的全面实施并达到预期的费用效益，必须对计划执行情况进行连续的监督和控制，这就要在研制过程设置一系列检查、评审点，实行分阶段评审，评审不通过不得转入下一阶段。所以，可靠性评审既是可靠性计划的重要内容，又是保证可靠性计划实现的重要手段。评审是运用及早告警原则和同行评议的方法，在决策的关键时刻，邀请同行专家和有关部门代表对设计工作和设计结果进行全面系统地审查，把集体经验运用于一项设计之中，以发现一些考虑不周和工作不充分的领域，完善或改进设计。因此，评审可以起到技犬咨询和管理把关的双重作用。4、建立故障报告、分析与纠正措施系统可靠性是用故障出现的概率加以测量的。对产品可靠性的分析、评价和改进都离不开故障信息。建立故障报告、分析与纠正措施系统(FRACAS)是为了保证所有故障得以及时报告、彻底查清和防止再现，从而实现产品可靠性增长。故障的报告、分析和纠正活动形成对故障的闭环管理，是一项最有效的可靠性管理工具。它既具有改进现实的功能，又能对末来预防类似故障的发生提供经验；既能对单个故障进行深入研究，为工程决策提供依据，又能累积所有发生的故障分布，为管理决策提供信息。5、建立故障审查组织故障和故障处理对产品可靠性有重大影响。特别是对可靠性、安全性要求极高的复杂系统，应建立故障审查委员会，对故障分析和纠正活动进行监控，以保证故障分析的彻底性和纠正措施的正确性。故障审查组织的重要任务是审查重大故障分析工作与结论，以及纠正措施的可行性和有效性；分析故障趋势，提出改进建议；对故障原因不明的疑案进行审查，估计风险，提出结案原则和补救工作。可靠性管理的有效性体现在对工程决策的影响，取决于工程负责人的理解和运用的程度。5、电子元器件失效规律和物理模型5.1 电子元器件的失效规律电子元器件的失效是引发电路或系统故障的主要因素，虽然电子元器件的失效模式多种多样，但它们的失效周期却是一定的规律性。元器件失效引起的严重后果，迫使人们去研究失效发生的规律。通过大量观测和数据的统计分析，把保险界用于寿命预测的“浴盘曲线”(图 4、3-1)作为元器件失效分布规律，研究分析元器件的失效时期。在此，将不多述。5.2 失效物理模型根据前面 2.3 节可靠性的定义可知，可靠性与“三个规定”(规定条件，规定时间，规定功能)是分不开的。 “规定条件”是对产品在生产方认定是合格产品后，从储存到使用的整个工作寿命期间将会承受到的各种应力。 “规定时间”是视产品的不同而有不同的量：可以是时间，即持续时间或断续时间；也可以是次数(如接触元件)。 “规定功能”是判断产品好坏的依据，是产品的失效判据，产品失去规定功能，即称为失效。电子元器件从诞生就会承受到各种应力，最终元器件会因某种原因而失效。为了从失效发生的现象，用物理、化学的方法去分析它，以便在理解或解释失效机理时，提供模型或分析问题的思维方法，这就产生了失效物理模型。下面将介绍几种常用的失效物理模型。1、界限模型与耐久模型元器件或材料的性能与其微观结构有密切关系。而性能的劣化或变化又与其周围环境条件和负荷条件等的变化有关，它将引起外部或内部应力变化，其结果将导致特性值发生可逆或不可逆变化。当性能变化超过产品技术标准所规定的范围，产品就失效了。而在低于规定使用条件下，不可逆变化长期逐步积累，也会导致产品的失效。显然，物质的失效最常有的是下面两种倩况：一是当应力超过某一界限而引起的失效；二是能量的积蓄超过某一限度而造成损坏。把这样的失效物理模型称为界限模型。当应力超过某一界限时，物体便成为不稳定、不安全、不可靠的状态。因此，了解有关材料的界限十分重要，为防止材料破坏，必须根据该材料已知的界限来考虑安全余量，以此来作为设计的一条原则。耐久模型是指元器件、材料工作于安全工作区内，在 t=0 时刻没有破坏，只有经过一定时间后才发生失效的一种模型。这是因为应力(或能量)积蓄到使产品达到破坏的程度，是需要一定时间的。显然，它是由于本身强度(指产品承受应力的能力)逐渐下降的结果。而强度的退化又与其由蠕变、磨损、疲劳、腐蚀等因素而逐步演变至失效的反应论模型有关。从某种意义上看，耐久模型也可以叫做退化模型。2、应力强度模型电子元器件对任何应力都有一定的限度(强度)，当应力超过了所能承受的限度(强度)时，元器件就会失效。图5-1 就是应力强度模型。由图可知，随着时间的推移，在应力作用下，元器件的承受强度逐渐下降。如果施加的应力超过了可承受的强度时，如图中的“失效发生交叠部分” ，就会发生失效。在该模型中，由于失效是在应力超过强度界限时发生，所以，如果掌握了应力和强度随时间的分布，则可以从两个分布的交叠部分算出产品的不可靠度。 图 5-1 应力-强度模型3、反应论模型应力一强度模型主要用来模拟机械设备的损坏，而反应论模型则用来模拟化学发应等导致的失效。它是指电子元器件的劣化和损坏等失效，是在原子、分子这样级别上随时间发生的变化引起的。例如，由于电气、机械、热和化学等多方面的应力所引起物质内部各种变化，如平衡状态的变化、材料组分的变化、晶体结构的变化、结合力的变化、裂纹的发展等，都是造成元器件失效的原因。而支配这些失效进程的，乃是氧化、析出、电解、扩散、蒸发、磨损和疲劳等失效机理。这些变化或反应的速度决定于应力的种类和大小。元件或材料的寿命决定于这样的反应结果，即反应产生的有害物质(如氧化物、腐蚀析出物等)的积累或裂纹的扩展达到或超过界限值，失效即随之发生，也就是说，失效寿命是随反应速度加快而缩短，它与反应速度成友比。把这样的失效物理模型称为反应论模型。它也是属于耐久模型范畴的理想化模型。这里所指的反应不仅指狭义的化学反应，而且包括蒸发、凝聚、形变、裂纹传播等具有一定速度的物理变化，都可属于反应论模型。 在从正常状态进入退化状态的过程中，存在着能量势垒，而跨越这种势垒所必需的能最是由环境应力提供的 (如图 5-2 所示)。并且，越过此能叠势垒(称为激活能 E)进行反应的频数是按一定概率发生的，即服从玻尔兹曼分布，此反应速度与温度的关系，就是阿列里乌斯(Arrhenius )模型和艾林 (Eyring)模型。 图 5-2 4、最弱环模型及串联模型设产品(元器件、装置或系统)是由 n 个要素(部分)所构成，各要素都是相互独立地工作。若其中任一要素失效都会导致产品发生故障，从功能上均可以认为属于 n 个要素的串联系统。因此，可以利用其功能上等价的模型串联模型来计算产品的可靠度或失效率。若从产品怎样损坏的观点看，串联模型恰是链条的可靠度模型。构成链条的各个环只要一个断了，则链条就断了，而这些环中最弱者(即寿命最短者)决定了链的寿命。环中最弱点的退化速度就代表了这串联系统的退化速度，这个最弱点的产生，主要是由于制造过程中引入的某些缺陷，或设计中原材料潜在缺陷导致的。因此，把这样的模型又称为最弱环模型或链环模型。从应力强度模型来看，当应力是单值时，最弱环模型的链可靠度取决于环强度的离差。如果环的强度离差非常小，即各坏比较均一，则链的可靠度取决于应力是否超过了环的强度。从可靠性设计角度看，元器件串联越多，元器件可靠性越低。元器件、材料中都存在相互独立的失效机理，而其中任何一个机理都可能导致元器件的失效。 5、并联模型和绳子模型并联系统象绳子一样，是由若干细条并联组成，同时支撑着载荷，组成要素中任何一个发生失效，系维照样能可靠工作，只有当所有要素都失效，系统才出现故障，因此，把并联模型又称为绳子模型或束模型。并联模型在贮备系统中最常使用，而在元器件中从结构设计方面有时采用，如电容器的多引线结构。6、累积损伤(疲劳损伤)模型元器件或材料在不加应力或加大小不等的应力时，其退化程度可以应用本模型来描述。该模型是在假设应力大小有变化而退化机理或失效机理不变的前提下采用的。累积损伤模型是用来解释机械材料的循环疲劳时提出来的。开始时，元器件在单一应力 作用下，元器件寿命为 ；在经 ( )时间后，又1S1L1tL转移而受到 应力的作用，单一应力 作用下，元器件寿命为 ；又经过时间 ( )。2S2 22t如此让元器件在序进的应力作用下，使其最终失效。这就像蜡烛多次燃烧最终消耗了整个寿命。总损伤量达到规定的失效判据(100%)时，寿命终了。即在满足下式的第 m 次应力时失效。m=1)/(iLt此即为累积损伤模型(通用的迈因纳(Miner)法则) 7。5.3 失效模式和失效机理导致失效的原因很多：元器件本身的缺陷、电路设计不当、使用不当及其他因素等。“对于失效的电子元器件指出其拒收原因，失效的现象和形式，不需要验证和深入说明其物理原因，这就是失效模式” 。“失效机理是说明电子元器件失效的物理(或化学)本质。从开始失效的原始缺陷或退化进入失效点的物理过程，进一步确定导致失效的质量缺陷、表面缺陷及体缺陷、结构缺陷，确定电学、金属学、化学及电磁学等方面的机理 8”。两者的关系可以用图 5-3 来表示。失效模式和失效机理是两个不同的概念，失效模式是失效状态的区别，而失效机理是失效发生的过程，是因果关系。失效模式不过是对出现的失效或异常的状态进行分类，存在着尽管失效模式相同而机理不同的情况，也有从一个机理产生几个失效模式的情况。图 5-3 应力、失效机理和失效模式的关系在实践中，电子元器件的失效是多种多样的，常用元器件的失效模式如下表所示。表 5-4 常用电子元器件的失效模式5.4 阻容元件的主要失效模式和失效机理 电子元器件种类繁多，失效分析方法各异。失效分析时，需根据电子元器件的失效现场数据和电测结果确定失效模式，估计可能的失效机理，选择适当的失效分析方法，对可能失效机理进行验证。1、电阻器WIFTICS电阻器是应用最广泛的元件。按材料和用途，电阻器可以分为：合金型、薄膜型和合成型。电阻器主要的失效模式为：开路、参数超差、引线断裂和短路。开路的主要失效机理是：电阻膜烧毁或大面积脱落，基体断裂，引线帽与电阻体脱落。参数超差的主要失效机理是：引线帽与电阻体接触不良，电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良。引线断裂的主要失效机理是：引线帽与电阻体焊接工艺缺陷、焊点污染、引线机械应力损伤。短路的主要失效机理是：银迁移，电晕放电。薄膜电阻器的主要失效分析技术如下： 外观检查，以确定电阻膜烧毁或大面积脱落； X 射线透视，扫描声学显微镜检查，以确定基体的完整性； 对退化电阻器加电应力，用红外热像仪作热分布图，以估计刻槽不良或膜厚不均匀引起过热点的可能性； 做模拟实验，重现失效过程。 去保护涂层后用机械探针测定接触电阻以确定引线帽与电阻体的接触状态。 去保护层后，采用现代理化分析仪器对电阻膜做成分和结构分析，确定电阻膜的氧化、吸附和晶化情况及杂质含量。2、电容器电容器的主要失效模式为：击穿、电参数超差和开路。击穿的主要失效机理是：电介质缺陷、老化、电解液干涸。电参数超差的主要失效机理是：潮湿的影响、离子迁移、电极损坏、接触不良、电解液干涸。开路的主要失效机理是：引线断、电解液干涸。电容器的主要分析技术如下： 外观检查，以确定明显的失效原因。 作 X 射线透视和扫描声学显微镜检查，确定介质断裂和电极损坏的可能性。 高温存储实验，根据电特性的可恢复性以确定潮湿对电容器的影响。 打开封装。 用高倍光学显微镜或扫描电镜对电介质层进行检查，揭示电介质孔洞、裂纹、结晶肿块、划痕、气泡、漏电通道。提高电容器可靠性的措施是多方面的，主要有：电极材料的改进、工作电介质的改进、电介质材料的改进、结构的改进和工艺方面的改进等。6、电子元器件失效分析对产品进行失效分析的主要内容，是要收集各种失效样品、鉴别失效模式、确定失效机理并提出纠正措施，以促使产品的可靠性增长。失效分析是电子元器件质量和可靠性保证体系的重要组成部分。我们需要具备常用的失效分析方法和各种电子元器件的主要失效机理的知识，根据失效现场情况，推测出电子元器件可能的失效机理，选择适当的失效分析方法，快速准确地进行失效分析。对电子元器件进行失效分析的程序 9如图 6-1 所示：6.1 电子元器件失效分析的目的和内容人们对元器件进行失效分析是要确定其失效模式，弄清它的失效机理，从而有可能提出改进措施，达到提高产品质量的目的。因此，失效分析的目的，就是分析所产生的失效是属于哪一种性质，有什么特征，是由什么原因造成的，关键所在是什么，以便提出消除导致失效诸因素的一些设想或建议，包括原材料的选择、原始设计和生产工艺的改进等。同时，也可借此来确定哪些筛选在改进可靠性指标行之有效，以便取得供系统设计用的可靠性数据。此外，加速寿命试验技木本身也需要对有关失效模式和失效机理有所了解，以便合理地选用加速应力或使用这些数据。一个完整的失效分析，应包括这么几个方面的内容：调查失效现象，收集失效现场数据；比较、分析失效数据，确定失效模式； 描述失效特征；假定失效机理；验证于证实假定的失效机理；综合分析，提出纠正措施；找出新的失效因子。失效分析是一件非常细致的工作，因为每一步基本上是一次性的，不能重复。所以，必须有计划有步骤地进行。在分析过程中还必须十分小心，防止将真正导致失效的原因或迹象弄掉，或者引起(或引入)新的失效因子，因此，必须建立一个科学的分析程序。失效分析的一般程序如图 6-1 所示。电子元器件的失效分析程序制定的基本原则是：先做外部分析，再做内部分析，先整体分析，再进行局部分析，先做非破环性分析，后做破坏性分析。首先要确定失效原因，由于造成失效的原因不同，拟订计划和程序应有所不同。6.2 电子元器件失效分析方法通常，失效分析是以过去的经验为基础的，并按预先设定的程序进行的。失效分析要采用各种技术和手段，以确定失效的位置、失效的程度，产生的原因和机理。总体而言，失效分析的方法有三类：非破坏性的失效分析方法，半破坏性的分析方法和破坏性的分析方法。下面将主要从这三个方面介绍失效分析方法。1、非破坏性的失效分析方法非破坏性的分析方法是不对元器件进行加工处理而获取对确定失效原因有用信息的方法。分析的方法是根据对失效原因或关联性的判断、报告的失效模式来确认失效。 元器件外观检查外观检查一般分为目检和用显微镜观察、照相。目检就是直接用眼睛观察，或借助1.510 倍的放大镜、光学显微镜观察元器件的外观。主要就是验证失效元器件与标准、规范元器件的一致性，并寻找导致失效的疑点。显微镜观察、照相和实时录像主要是固定并确定失效现场和被检测物体的特征，储存失效分析资料。一般用到的显微镜有光学显微镜和扫描电子显微镜，其用法请参考相关物理实验教程，或上网搜索相关视频教程。这里将不多述，请您见谅！ 元器件解剖前电性能验证电子元器件电性能验证是为了确认元器件电学性能是否失效，简称为电测。电测失效可分为连接性失效，功能性失效和电参数失效。针对这类失效，首先要进行功能测试，以确认元器件是否失效；然后进行附加电测试，也称补充电测试。用于验证环境条件与失效的联系。 间歇动作试验间歇的失效由各种各样的原因引起，由震动、冲击等引起试件内游离的导电多余物或微片移动，或由热膨胀系数不同的材料的分离引起间歇动作不良。本试验的目的在于再现间歇的失效或检测在周围环境条件下未查明的失效。一般包括温度试验、震动试验和冲击试验。 内部检测内部检测是检测和确认试件内部的材质、设计、结构和加工，检查制造上的错误的迹象及也许与试件的失效有关的内部异常或缺陷等，并评价调查中所进行的各种分析方法的效果。 加热 化学清洗化学清洗主要是对试件外部或表面上看不见的污染物的清除，这些污染物可能关系到试件性能缺陷。一般用化学清洗液和脱离子水进行清洗。 放射线摄影检查 封装检漏试验 微片检测试验 露点试验 表面温度分布测定等。2、半破坏性的分析方法半破坏性的分析方法属于无损失效分析技术，它只能解决有限的失效分析问题，为了对芯片表面和体内的失效进行观察、探测以得到大部分的失效分析问题，必须通过对元器件的开封、剥层，进行样品的制备。半破坏性的分析方法分为四种： 封装的开封和树脂剥离 钝化层去除技术 离子污染物的检查3、破坏性的分析方法用非破坏性和吧、按破坏性的分析方法进行了分析的试件，在不能开启封装和剥离等而不能进行内部检查和试验的场合或分析构成材料的场合，即进入最后的破坏方法阶段。在这个阶段中，试件可能会丧失形状，所以应考虑充分后再进行。破坏的方法有： 剖面制作 化学分析 仪器分析 化学腐蚀 表面形状测定 机械破坏试验6.3 电子元器件失效分析技术电子元器件失效分析工作需要具备一定的测试与分析设备条件。需要根据失效分析的需要和条件，选用适当的分析设备进行失效分析。失效分析常用的设备及技术有：1、光学显微镜分析技术。在失效分析中使用的光学显微镜主要有立体显微镜和金相显微镜。立体显微镜的放大倍数较低，从几倍到上百倍，景深大，连续可调，成正像。金相显微镜的放大倍数较大，从十倍到一千多倍，景深较小，成倒像，且可变换不同倍数的物镜以观察不同对象的需要。立体显微镜和金相显微镜均有入射和透射两种照相方式，并且配有一些辅助装置，可提供明场、暗场、微分干涉相衬和偏振等观察手段，以 适应不同观察的需要。其装置如图 6-2 所示：图 6-2 光学显微镜2、红外显微镜分析技术。红外显微镜采用近红外(波长在 0.753m)辐射源做光源，并用红外变像管成像进行观察的红外显微镜分析技术。利用红外显微镜，可以不用剖切器件的芯片就能观察到芯片内部的缺陷和芯片的焊接情况。红外显微镜特别适用于塑料封装的半导体器件的失效分析。而红外显微分析方法正是利用红外显微技术对微电子器件的微小面积进行高精度非接触测温的方法。如图 6-3 所示。 图 6-3 红外显微镜 图6-4 红外热像仪3、显微红外热像仪分析技术。如图 6-4 所示。红外热像仪利用振动(或旋动)反射镜等光学系统对试样进行高速扫描，并将发自试样表面各点的热辐射(远红外区)汇聚至检测器，变换成电信号，再由显示器形成黑白或彩色(伪色)的图像，分析观察试样表面各点的温度。半导体器件的工作情况及失效往往会通过热效应反映出来，而红外热像仪可以非接触地直接测量被测量物体表面的温度及温度分布。因此，在半导体器件的失效分析中，红外热像仪提供了一种对半导体器件微小区域进行非接触测温的方法。 4、声学显微镜分析技术。声学显微镜分析技术是利用超声波在传导声波的金属、陶瓷和塑料等均质材料中传播的状况来检测材料多层结构完整性等较宏观的缺陷的分析技术。声学显微镜能观察到光学显微镜所无法透视的样品内部区域，能提供 X 射线透射所无法得到的高衬度观察，特别是能应用于不宜使用破坏性物理分析的场合。图 6-5 声学显微镜5、液晶热点检测技术。在半导体器件的失效分析中，热点检测是一种有效的分析手段。液晶是一种既具有液体的流动性，又具有晶体各向同性特性的物质。当被加热而温度高过某一临界温度 Tc(相变温度)时，就会变成各向同性的液体。液晶热点检测技术正是利用液晶的这一特性，通过在正交偏振光下观察液晶的相变点而检测热点，进而反映元器件的情况。6、光辐射显微分析技术。光辐射显微分析技术是利用光辐射显微镜对半导体器件内部载流子发生跃迁产生的光辐射现象进行显微探测的技术，是一种快速、简便而有效的失效分析技术，可以探测到半导体器件中多种缺陷和机理引起的退化和失效，尤其在失效定位方面具有准确、直观和重复再现的特点。7、扫描电子显微镜和 X 射线谱仪分析技术。扫描电子显微镜(SEM)原理是利用阴极所发射的电子束经阳极加速，由磁透镜聚焦后形成一束直径为一到几百纳米的电子束流，这束高能电子束轰击到样品上会激发出多种信息，这些信息经分别收集、放大，就能从荧屏上得到各种相应的图像。扫描电镜通常用二次电子和背散射电子成像以作形貌观察，而X 射线谱仪则用样品发出的特征 X 射线来作化学成分分析。扫描电镜通常与 X 射线谱仪共用一个电子枪组成电子微探针(EMP)系统。X 射线谱仪包括 X 射线能量色散谱(能谱 EDX或 EDS)仪和 X 射线波长衍射谱(波谱 WDX 或 EDS)仪。8、电子束测试系统。电子束测试系统(EBT)是在扫描电镜频闪电压衬度像的基础上发展起来的一种新型失效分析系统，具有宽频带取样示波器功能。用电子束技术代替传统的机械探针方式，可对 VLSI 进行非接触式、非破坏性的探测，并且把扫描电镜与现代自动化设计技术相结合，实时观测，同时提取被测节点的逻辑波形信号，进而迅速地对电路的失效节点进行定位。 9、俄歇电子能谱分析技术。俄歇电子能谱是一种表面微区组分分析技术，可以分析原子序数大于等于 3 的各种元素，在半导体表面和界面分析及其他领域得到广泛应用。电子枪发出的电子束轰击样品表面时，会形成俄歇(Auger) 电子,俄歇电子带有母体原子的特性，通过观察俄歇电子的情况即可间接反映样品的失效情况。图 6-6 电子束测试仪 图 6-7 俄歇能谱仪10、离子微探针分析技术 10。离子探针(或称二次离子质谱仪 SIMS)是用聚焦的一次离子束(如 、 、 等)轰击样品，再对产生的二次离子按荷质比( q/m)进行分离和ArOCs检测，用于分析样品组分(元素、分子等)的一种分析技术。将质谱仪设定在某一荷质比的测试状态，就可以分析出样品上被轰击的微区具有该 q/m 比的组分浓度；离子束在样品表面扫描轰击，可以得到该组分的表面分布；利用离子束溅射腐蚀作用，还可以得到某微区该组分的纵向分布。除了上面的 SEM、AES (SAM)和 SIMS(IMP)等分析技术外，现代分析检测技术的飞速发展还提供了许多先进的技术和设备。例如 X 光电子能谱分析(XPS)、紫外光电子能谱分析(UPS )、离子束分析(包括卢瑟福背散射(RBS)、核反应(NRA)和离子感生 X 射线分析技术)等。这些技术主要用于分析样品表面或纵向组分，各自都有其特点和应用范围。7、电子元器件可靠性设计电子元器件可靠性设计是指在功能设计的同时，针对产品在规定的条件下和规定的时间内可能出现的失效模式，采取相应的设计技术，以消除或控制其失效模式，使产品满足规定的可靠性要求。可靠性设计是可靠性工程的核心，主宰着产品的固有(内在)可靠性。产品在生产、使用、维修各阶段中所出现的许多可靠性问题取决于设计阶段的可靠性工作。因此，在设计时就必须考虑到全寿命过程中与可靠性有关的诸因素。例如，各阶段中可能遇到的各种环境应力(包括工作环境、自然环境以及运输、贮存等环境的应力)对产品可靠性的影响；防护、维修影响；操作时失误等各种影响。可靠性工程学的价值和魅力恰恰在于，它从理论的高度揭示了产品可靠性设计应当遵循的共同规律，其中主要之点称为可靠性三大设计准则 。我们将在下文中加以介绍。此外还将介绍一些电子设备的可靠性设计技术。7.1 设计简化技术下图是一个典型的由 n 个部件组成的串联系统的可靠性框图。图 7-1 串联系统的可靠性用 表示部件的可靠度， 表示部件的失效率， 表示系统的可靠度， 表示系统的失iRisRs效率，则可得系统的可靠度： = s12in系统的失效率： (1 n)i以上两式表明，组成系统的部件越多，系统的可靠度越低，失效率越高。从这个简单关系中，我们得到了两点对于实际设计具有重要意义的结论。1、从系统分析和设计角度而言，在确保预期功能实现的条件下，为了保证得到较高的可靠性，应果断地抛弃那些不必要的、使系统过分臃肿的部件。2、从电路设计的角度而言，当两种以上的设计方案可供选择时，应该选用元部件较少的方案。在使用这项有效的设计技术时，必须注意，不要因简化而给其余部件施加过高应力和承担超常的功能，在用一个元器件来完成多功能时，应使用经验证的可靠元器件。7.2 元器件的降额使用电子元器件应力分析的理论和试验都已证明，元器件的失效率和施加的电应力密切相关，通过降低电子元器件上施加的应力，可有效地降低电子元器件的失效率，从而延长元器件的使用寿命。降额的方法视不同的元器件及其类型而异，电阻是通过降低工作功率实现的，电容是通过降低工作电压实现的，半导体器件是用把功率耗散保持在低于额定值的方法实现的。但要注意的是，降额系数的选用要掌握分寸，过分的降额可能使费用提高到不适当的程度。GJB/Z 299A-91 中可以找到电子元器件降额设计的详细资料和数据。对于非电子产品，降额使用的原则和方法同样适用，例如建筑和机械行业设计使用的安全系数法，就是在实施有效负荷的降额，但传统的安全系数法，过分的依赖设计人员的经验。基于概率分析的应力一强度分析方法，可以帮助设计人员实现应力和强度最佳匹配条件下的降额。7.3 冗余设计冗余设计是一种非常有效并获得广泛应用的可靠性设计方法。当系统的初始配置，经过可靠性分析论证，确认不能满足预定的可靠性要求时，设计人员为系统或系统的关键部位附加一个或多个原件、部件或设备使得其中部分原件、部件或设备发生失效时，系统仍然能够继续正常工作，这样的系统称为冗余系统或储备系统，这种设计方法称为冗余设计。图 7-2 所示的并联系统是一种结