失效分析技术及经典案例-1-概论new

1、1失效分析技术及经典案例失效分析技术及经典案例 第一讲第一讲 失效分析概论失效分析概论中国赛宝实验室中国赛宝实验室可靠性研究分析中心可靠性研究分析中心2除非特别指出，本讲义所有图片来自于：除非特别指出，本讲义所有图片来自于： 中国赛宝实验室可靠性研究分析中心中国赛宝实验室可靠性研究分析中心3您所知道的可靠性？您所知道的可靠性？更大的麻烦。更大的麻烦。4一次惨痛的经历！一次惨痛的经历！ 1986年1月28日n73秒n7名人员n12亿美元5一次惨痛的经历！一次惨痛的经历！挑战者号1986年1月28日执行第十次任务时，于升空过程中突然爆炸 网络新闻图片6一次惨痛的经历！一次惨痛的经历！博伊斯乔利说博

2、伊斯乔利说 “这些钢圈看上去很结实，很牢固，但点火后，这些钢圈看上去很结实，很牢固，但点火后，每个部分受到巨大压力，都会像气球一样被每个部分受到巨大压力，都会像气球一样被吹吹起来。这样，就需要在各部分的接合处采用松紧起来。这样，就需要在各部分的接合处采用松紧带来防止热气跑出火箭。带来防止热气跑出火箭。” 这份工作由两条名为这份工作由两条名为“圈圈”的橡胶带完成，它的橡胶带完成，它们可以随着钢圈一起扩张，并能弥合缝隙。们可以随着钢圈一起扩张，并能弥合缝隙。 这两条橡胶带与钢圈脱离哪怕这两条橡胶带与钢圈脱离哪怕0.20.2秒秒，助推器的，助推器的燃料就会发生泄露，固态火箭助推器就会燃料就会发生泄露

3、，固态火箭助推器就会爆炸爆炸。7一次惨痛的经历！一次惨痛的经历！“挑战者挑战者”发射那天，天气非常寒冷。发射那天，天气非常寒冷。气温降低气温降低后，这些后，这些“圈圈”就变得非常坚硬，伸缩就更加就变得非常坚硬，伸缩就更加困难。坚硬的困难。坚硬的“圈圈”伸缩的速度变慢，密封的伸缩的速度变慢，密封的效果就大打折扣。效果就大打折扣。虽然那可能只是零点几秒的时虽然那可能只是零点几秒的时间，但足以把一次本应成功的发射变成一场灾难。间，但足以把一次本应成功的发射变成一场灾难。 8一次惨痛的经历！一次惨痛的经历！ “挑战者挑战者”的悲剧在于，博伊斯乔利在发射前的悲剧在于，博伊斯乔利在发射前6 6个月就对个月

4、就对“圈圈”提出质疑，因为一年前他曾亲自跑提出质疑，因为一年前他曾亲自跑到佛罗里达，对上一次发射时使用的火箭进行了检查，到佛罗里达，对上一次发射时使用的火箭进行了检查，让他吃惊的是，第一层让他吃惊的是，第一层“圈圈”失灵，热气跑了出来，失灵，热气跑了出来，幸运的是，第二层幸运的是，第二层“圈圈”拦住了热气。拦住了热气。 博伊斯乔利仍保存着当时拍摄的博伊斯乔利仍保存着当时拍摄的“圈圈”照片，照片，本应是蜜色的润滑油被熏成了黑色。第一层本应是蜜色的润滑油被熏成了黑色。第一层“圈圈”的很多部分不见了，很显然，它们被烤焦了。他说：的很多部分不见了，很显然，它们被烤焦了。他说：“我看到这一切时，心口像堵

5、上了一团棉花。我看到这一切时，心口像堵上了一团棉花。那次发那次发射，航天飞机竟然没有爆炸，简直是奇迹！射，航天飞机竟然没有爆炸，简直是奇迹！” 事故并非偶然9中国航天的事故中国航天的事故 年月日，中国用年月日，中国用“长征号长征号”火箭火箭发射澳星，由于拧动点火控制器时，从螺钉上旋下一发射澳星，由于拧动点火控制器时，从螺钉上旋下一点点金属屑，使电路短路，火箭发动机熄火，发射没点点金属屑，使电路短路，火箭发动机熄火，发射没有成功。有成功。 年月日，中国年月日，中国“长征号长征号”发射亚发射亚太号卫星时，由于美方没有告之卫星的谐振频率，太号卫星时，由于美方没有告之卫星的谐振频率，而凑巧卫星的谐振频

6、率与火箭整流罩的谐振频相同，而凑巧卫星的谐振频率与火箭整流罩的谐振频相同，由于高空切变风对火箭的作用，引起共振，造成星箭由于高空切变风对火箭的作用，引起共振，造成星箭爆炸。爆炸。 10有的人这样理解失效分析有的人这样理解失效分析 医药学的历史与人类的病痛一样长。大量医医药学的历史与人类的病痛一样长。大量医药科学的进步都是建立在外科医生进行的尸药科学的进步都是建立在外科医生进行的尸体解剖上。（仁慈的东方人除外）体解剖上。（仁慈的东方人除外） 在我们的专业领域，这一做法通常称为在我们的专业领域，这一做法通常称为“失失效分析效分析”。 每个失效部件都应被视为进行可靠性改进的每个失效部件都应被视为进行

7、可靠性改进的机会。失效部件有时甚至是机会。失效部件有时甚至是“珍贵的珍贵的”。11我对失效分析的理解我对失效分析的理解 大多数可靠性工作，只要按流程做就能得到大多数可靠性工作，只要按流程做就能得到结果。结果。 失效分析有时却难以得到期望的结果。失效分析有时却难以得到期望的结果。 但它却是决定性的！但它却是决定性的！121. 1. 技术术语、相关标准和资料技术术语、相关标准和资料失效失效-丧失功能或降低到不能满足规定的要求。丧失功能或降低到不能满足规定的要求。失效模式失效模式-失效现象的表现形式，与产生原因无失效现象的表现形式，与产生原因无关。如开路、短路、参数漂移、不稳定等关。如开路、短路、参

8、数漂移、不稳定等失效机理失效机理-失效模式的物理化学变化过程，并对失效模式的物理化学变化过程，并对导致失效的物理化学变化提供了解释。如电迁移导致失效的物理化学变化提供了解释。如电迁移开路、银电化学迁移短路。工程上，有时会把失开路、银电化学迁移短路。工程上，有时会把失效原因说成是失效机理。效原因说成是失效机理。应力应力驱动产品完成功能所需的动力和加在产品驱动产品完成功能所需的动力和加在产品上的环境条件。是产品退化的诱因。上的环境条件。是产品退化的诱因。132. 2. 失效分析的目的和意义失效分析的目的和意义 GJB548A-96GJB548A-96微电子器件试验方法和程序，微电子器件试验方法和程

9、序，“方法方法5003 5003 微电路的失效分析程序微电路的失效分析程序”对失效分对失效分析析目的目的的描述：的描述： 失效分析是对已失效器件进行的一种失效分析是对已失效器件进行的一种事后事后检查检查，根据需要，使用电测试以及许多先进的，根据需要，使用电测试以及许多先进的物理、金相和化学的分析技术，以验证所报告物理、金相和化学的分析技术，以验证所报告的失效，的失效，确定其失效模式确定其失效模式，找出失效机理找出失效机理。142. 2. 失效分析的目的和意义失效分析的目的和意义 失效分析程序（按试验条件所指明的）应足以失效分析程序（按试验条件所指明的）应足以得出相应结论，确定得出相应结论，确定

10、失效的原因失效的原因或相应关系，或或相应关系，或者在生产工艺、器件设计、试验或应用方面采取者在生产工艺、器件设计、试验或应用方面采取纠正措施纠正措施，以便消除所报告的失效模式或机理产，以便消除所报告的失效模式或机理产生的原因或防止其重新出现。生的原因或防止其重新出现。 15引言引言2. 失效分析的目的和意义失效分析的目的和意义故障检测和统计分析故障机理、相关原因分析诊断固化改进措施固化改进措施并推广应用并推广应用设计工艺物料检测试验检测试验 设 计 优 化确定关键工序，优确定关键工序，优化工艺，提高化工艺，提高Cpk检验、筛选、检验、筛选、重选供应商重选供应商修改检测、试修改检测、试验方法程序

11、验方法程序 效果验证效果验证失效分析在可靠性工程中的支撑CPK：Process Capability index 162. 2. 失效分析的目的和意义失效分析的目的和意义 失效分析技术有广泛的失效分析技术有广泛的应用对象应用对象，包括物理，包括物理对象和过程对象。对象和过程对象。 物理对象物理对象包括已发生失效或发生重要变化的包括已发生失效或发生重要变化的测试测试结构、结构、半成品、试制品、试验品、整机应用以及半成品、试制品、试验品、整机应用以及外场应用失效品。外场应用失效品。 过程对象过程对象包括元器件的研发过程与应用过程。包括元器件的研发过程与应用过程。 研发过程研发过程可细分为设计优化、

12、制造工艺优化（如成品率可细分为设计优化、制造工艺优化（如成品率优化）、测试筛选与评价试验优化等过程。优化）、测试筛选与评价试验优化等过程。 在在应用过程应用过程中，元器件选型、二次筛选条件优化、设备中，元器件选型、二次筛选条件优化、设备研制生产中的故障控制对策、可靠性增长、全寿命期维研制生产中的故障控制对策、可靠性增长、全寿命期维护等。护等。172. 2. 失效分析的目的和意义失效分析的目的和意义 换句话说，这些技术过程需要失效分析工作才换句话说，这些技术过程需要失效分析工作才能得以完成或完善。能得以完成或完善。 最简单不过的道理，就是因为可靠性是以最简单不过的道理，就是因为可靠性是以不断不断

13、地与失效作斗争地与失效作斗争才能得以维持或提高。如果对才能得以维持或提高。如果对失效的本质不了解，就不能做到知己知彼，就失效的本质不了解，就不能做到知己知彼，就难以获得取胜的条件。难以获得取胜的条件。 18失效分析失效分析应用对象应用对象单片、混合单片、混合集成电路集成电路分立元件分立元件阻、容、感阻、容、感继电、接插件继电、接插件敏感元件敏感元件分立器件分立器件小、中、大小、中、大功率晶体管功率晶体管敏感器件敏感器件测试测试结构结构电子模块电子模块PCBA组件组件机械件机械件2. 失效分析的目的和意义失效分析的目的和意义192. 2. 失效分析的目的和意义失效分析的目的和意义意义：意义： 加

14、深对客观世界的认识加深对客观世界的认识 提高产品质量的有效技术手段提高产品质量的有效技术手段 具有可靠性的一般意义：具有可靠性的一般意义：潜在潜在经济效益、质量经济效益、质量效益、品牌效益、环境效益、国家利益效益、品牌效益、环境效益、国家利益 203. 3. 失效分析的要求失效分析的要求 GJB548A-96 GJB548A-96 微电子器件试验方法和程序微电子器件试验方法和程序，“方法方法50035003微电路的失效分析程序微电路的失效分析程序” ” ，要求收到，要求收到器件的同时还应收到：器件的同时还应收到： 试验条件：试验条件：应包括使器件失效的试验或应用类型，应包括使器件失效的试验或应

15、用类型，使用时间（可提供时）、温度及其他应力条件；使用时间（可提供时）、温度及其他应力条件； 21 系统条件：系统条件：应包括在设备中失效的确切位置、日应包括在设备中失效的确切位置、日期、首次记录到缺陷的试验和（或）检验、取出期、首次记录到缺陷的试验和（或）检验、取出失效器件时所注意到的任何异常环境条件及有关失效器件时所注意到的任何异常环境条件及有关系统的全部情况。还应记录设备的征兆；系统的全部情况。还应记录设备的征兆； 器件的一般资料：器件的一般资料：应包括器件型号和序列号（适应包括器件型号和序列号（适用时）、日期代码和其他识别信息，以及生产批用时）、日期代码和其他识别信息，以及生产批和检验

16、批的大小（适用时）。和检验批的大小（适用时）。3. 3. 失效分析的要求失效分析的要求22GJB546A-96 GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲电子元器件质量保证大纲5.1.3 5.1.3 失效分析报告失效分析报告 承制方应随同鉴定保持报告一起向鉴定机构承制方应随同鉴定保持报告一起向鉴定机构提交失效分析报告的摘要，此摘要应包括提交失效分析报告的摘要，此摘要应包括 5.2.4b 5.2.4b 条规定的失效分析但不包括使用方通报条规定的失效分析但不包括使用方通报的失效分析。的失效分析。对于使用方通报的失效和现场失效，承制方对于使用方通报的失效和现场失效，承制方应在收到失效的元器件及有关

17、的支撑资料后的应在收到失效的元器件及有关的支撑资料后的 3030天天内提交分析报告。当鉴定机构需要了解某些内提交分析报告。当鉴定机构需要了解某些具体失效时，承制方应提交详细的失效分析报告。具体失效时，承制方应提交详细的失效分析报告。3. 3. 失效分析的要求失效分析的要求23 GJB546A-96 GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲电子元器件质量保证大纲5.2.4 5.2.4 失效和缺陷分析程序失效和缺陷分析程序 a.a.关键加工过程超出规定的界限时，应对加关键加工过程超出规定的界限时，应对加工过程中的材料和元器件进行缺陷分析工过程中的材料和元器件进行缺陷分析; ; b. b.鉴定试

18、验和质量一致性检验期间的失效数鉴定试验和质量一致性检验期间的失效数超过规范所允许的数量时，或现场使用发生失效超过规范所允许的数量时，或现场使用发生失效时，对元器件进行失效分析。时，对元器件进行失效分析。3. 3. 失效分析的要求失效分析的要求24GJB546A-96 GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲电子元器件质量保证大纲5.2.4 5.2.4 失效和缺陷分析程序失效和缺陷分析程序5.2.4.3 5.2.4.3 失效和缺陷分析能力失效和缺陷分析能力 承制方应具有适合其产品失效和缺陷分析所承制方应具有适合其产品失效和缺陷分析所需的能力和设备（可以是有资格的签约单位的设需的能力和设备（可

19、以是有资格的签约单位的设备）。设备配置指南如下备）。设备配置指南如下。3.3.失效分析的要求失效分析的要求25GJB546A-96 GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲电子元器件质量保证大纲5.2.4.3 5.2.4.3 失效和缺陷分析能力失效和缺陷分析能力 具有足够放大倍数的具有足够放大倍数的X X射线设备；射线设备； 解剖元器件而不损伤或污染内部零件的设备；解剖元器件而不损伤或污染内部零件的设备； 微量化学分析设备微量化学分析设备 显微检测技术设备；显微检测技术设备； 粗细检漏仪；粗细检漏仪； 电参数分析设备；电参数分析设备； 抛光、研磨等金相分析设备。抛光、研磨等金相分析设备。

20、3. 3. 失效分析的要求失效分析的要求26 其实最重要的要求是其实最重要的要求是“证据证据”！3. 3. 失效分析的要求失效分析的要求 123427 失效模式就是失效的外在表现形式，不需要验失效模式就是失效的外在表现形式，不需要验证和深入说明其物理原因。证和深入说明其物理原因。 按失效的持续性分类：致命性失效、间歇失效、按失效的持续性分类：致命性失效、间歇失效、缓慢退化缓慢退化 按失效时间分类：按失效时间分类：早期失效、随机失效、磨损早期失效、随机失效、磨损失效失效 按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效移、功能失效4. 4. 失效模式失

21、效模式失效模式的概念和种类失效模式的概念和种类28失效模式的概念和种类失效模式的概念和种类4. 4. 失效模式失效模式JPL Publication 96-25(GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications)(GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications)29 在这里给出部分电子元器件现场使用失效主要在这里给出部分电子元器件现场使用失效主要失效模式及其分布的数据统计结果（资料来源：失效模式及其分布的数据统计结果（资料来源：电子工

22、业部可靠性管理办公室电子工业部可靠性管理办公室“八五八五”成果汇成果汇编）。编）。 4. 4. 失效模式失效模式失效模式的例子失效模式的例子304. 4. 失效模式失效模式分立器件使用中的失效分立器件使用中的失效模式及分布模式及分布 集成电路使用中的失效集成电路使用中的失效模式及分布模式及分布 314. 4. 失效模式失效模式电阻器使用中的失电阻器使用中的失效模式及其分布效模式及其分布 电容器使用中的失效电容器使用中的失效模式及其分布模式及其分布 324. 4. 失效模式失效模式继电器使用中的失继电器使用中的失效模式及其分布效模式及其分布 接插元件使用中的失接插元件使用中的失效模式及其分布效模

23、式及其分布 334. 4. 失效模式失效模式 有时也会按失效原因对失效模式分布进行有时也会按失效原因对失效模式分布进行统计分类。统计分类。 目前最重要的两大失效模式目前最重要的两大失效模式: : 电过应力和静电放电导致的失效电过应力和静电放电导致的失效 EOS/ESDEOS/ESD：Electrical over Stress/ElectrostaticElectrical over Stress/Electrostatic Discharge Discharge 制造工艺问题导致的失效制造工艺问题导致的失效张晓明，“对微电子器件失效分析的回顾”，电子元器件，2000，5期 344.4.失效模

24、式失效模式按失效原因统计失效模式分布按失效原因统计失效模式分布05101520253035EOS/ESD烧结e t c芯片使用不当其他分立器件单片ICHIC半导体器件、半导体器件、ICIC和和HIC(HIC(混合集成电路混合集成电路) )失效失效模式分布模式分布Electrical over stress ; Electrical static discharge354. 4. 失效模式失效模式按失效原因统计失效模式分布按失效原因统计失效模式分布制造工艺不良的模式分布制造工艺不良的模式分布RAC微波组件失效原因分类30.815.4 15.411.5 11.57.77.73.8051015202

25、53035引线键合芯片缺陷保护胶加固芯片粘接线圈脱落设计其他管壳及基板百分数来萍，“50例微波器件失效分析结果汇总与分析”，固体电子学研究与进展，2005，4期 36混合集成电路污染物及来源混合集成电路污染物及来源污物类型 来源 纤维 布擦手纸、镜头纸和其他纸制品 硅酸盐 石头、砂、土和飞来尘粒 氧化物和锈皮 某些金属产生的氧化物 油脂 机器、真空泵、指纹、体脂、发油、唾沫、洗液、油膏 硅酮 发油、剃须奶液、剃须后洗液、洗手液、肥皂 金属 研磨、 机械加工和金属部件的磨擦的银和粉末， 键合的金线和铝线屑，粘片的合金粒和银粒，硅碎片，镀镍层剩余物，银和锡的树枝状金属迁移物,封盖飞溅焊料 离子剩余

26、物 汗液的铵化合物、指纹的氯化钠、含有离子去污剂的清洗溶液的剩余物、某些助熔剂如氯化氢各氨酸、以前工艺步骤（如：腐蚀和电镀）的剩余物 非离子剩余物 松香、无离子的去污剂、有机工艺材料 溶剂剩余物 清洗溶剂和溶液 有机物剩余物 环氧粘结剂、光刻胶 陶瓷 氧化铝/氧化铍基片、厚膜电阻器、厚膜介质的碎片 4. 4. 失效模式失效模式375.5.失效机理失效机理集成电路的失效模式与机理集成电路的失效模式与机理 ( (引用引用ICIC失效机理汇总失效机理汇总.doc).doc)失效模式失效模式主要失效机理主要失效机理开路开路EOS EOS 、ESDESD、电迁移（、电迁移（EMEM）、应力迁移（）、应力

27、迁移（SMSM）、腐蚀、）、腐蚀、键合点脱落、紫斑键合点脱落、紫斑短路短路（漏电）（漏电）pnpn结缺陷、结缺陷、pnpn结穿钉、结穿钉、EOSEOS、介质击穿（、介质击穿（TDDBTDDB效应、针效应、针孔缺陷）、水汽、表面漏电孔缺陷）、水汽、表面漏电参漂参漂氧化层电荷、钠离子沾污、表面离子、芯片裂纹、热载氧化层电荷、钠离子沾污、表面离子、芯片裂纹、热载流子流子(HC )(HC )、辐射损伤、辐射损伤突发性突发性功能失效功能失效 EOS EOS、ESDESD、Latch-UpLatch-Up385. 5. 失效机理失效机理集成电路失效机理与寿命模型集成电路失效机理与寿命模型39导电材料结构的

28、变化。淀积导电薄膜无定形体结晶化趋导电材料结构的变化。淀积导电薄膜无定形体结晶化趋势（致密化势（致密化 电阻下降）电阻下降）淀积导电薄膜晶粒间气体的吸附和去气（变化淀积导电薄膜晶粒间气体的吸附和去气（变化1 12 2）导电材料的氧化、粘污导电材料的氧化、粘污 （阻值增大，与温度、湿度有（阻值增大，与温度、湿度有关）关）有机材料合成电阻器粘合剂的非可逆变化有机材料合成电阻器粘合剂的非可逆变化有机材料保护层的影响（挥发物扩散到导电材料内部）有机材料保护层的影响（挥发物扩散到导电材料内部）导电体与引出线接触电阻变化（接触部粘合剂的改变）导电体与引出线接触电阻变化（接触部粘合剂的改变）储存期的影响（与

29、温度、湿度有关）储存期的影响（与温度、湿度有关）电负荷老化（温度、与潮气有关的电解、氧化）电负荷老化（温度、与潮气有关的电解、氧化） 5. 5. 失效机理失效机理电阻器的失效机理电阻器的失效机理40失效模式与失效机理的关系：铝电解电容器的失效因素失效模式与失效机理的关系：铝电解电容器的失效因素电容器失效电容器失效电应力电应力工艺缺陷工艺缺陷Al2O3介质膜介质膜环境应力环境应力铆接缺陷铆接缺陷温度温度铝屑铝屑空洞空洞缝缝少液少液纹波电流纹波电流浪涌电压浪涌电压直流偏压直流偏压振动振动盐雾盐雾水汽水汽电解液电解液Cl异常异常过碱性过碱性容量下降容量下降短路、开路短路、开路漏电、损耗漏电、损耗膜薄

30、膜薄封接缺陷封接缺陷5. 5. 失效机理失效机理415. 5. 失效机理失效机理在外电场作用下，金属离子受到两种力的作用在外电场作用下，金属离子受到两种力的作用: : 一种是电场力，使金属离子由正极向负极移动；一种是电场力，使金属离子由正极向负极移动； 另一种是导电电子和金属离子间相互碰撞发生动量交换另一种是导电电子和金属离子间相互碰撞发生动量交换而使金属离子受到与电子流方向一致的作用力，金属离子而使金属离子受到与电子流方向一致的作用力，金属离子由负极向正极移动，这种作用力俗称由负极向正极移动，这种作用力俗称“电子风电子风”。 对铝、金等金属膜，电场力很小，金属离子主要受电子对铝、金等金属膜，

31、电场力很小，金属离子主要受电子风的影响，结果使金属离子与电子流一样朝正极移动，在风的影响，结果使金属离子与电子流一样朝正极移动，在正极端形成金属离子的堆积，形成小丘，而在负极端产生正极端形成金属离子的堆积，形成小丘，而在负极端产生空洞，使金属条断开。空洞，使金属条断开。 金属化电迁移金属化电迁移425.5.失效机理失效机理金属的腐蚀金属的腐蚀 当金属与周围介质接触时，当金属与周围介质接触时，由于发生由于发生化学反应化学反应或或电化学电化学作用作用而引起金属的破坏叫做而引起金属的破坏叫做金属的腐蚀。金属的腐蚀。 金属的腐蚀现象十分普遍，金属的腐蚀现象十分普遍，在电子元器件中，外引线及在电子元器件

32、中，外引线及封装壳内的金属因化学反应封装壳内的金属因化学反应或电化学作用引起电性能恶或电化学作用引起电性能恶化直至失效。化直至失效。435.5.失效机理失效机理金属的腐蚀金属的腐蚀 金属在干燥气体或无导电性的非水溶液中，金属在干燥气体或无导电性的非水溶液中，单纯由化学作用而引起的腐蚀就叫做单纯由化学作用而引起的腐蚀就叫做化学腐蚀，化学腐蚀，温度对化学腐蚀的影响很大。温度对化学腐蚀的影响很大。 当金属与当金属与电解质溶液电解质溶液接触时，由电化学作用接触时，由电化学作用而引起的腐蚀叫做而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀电化学腐蚀。其本质是腐蚀。其本质是腐蚀电池放电的过程，金属作为阳极被氧化而腐蚀，电池放

33、电的过程，金属作为阳极被氧化而腐蚀，形成金属氧化物，而阴极反应则根据腐蚀类型形成金属氧化物，而阴极反应则根据腐蚀类型而异，可发生氢离子或氧气的还原，析出氢气而异，可发生氢离子或氧气的还原，析出氢气或吸附氧气。或吸附氧气。金属在大气中的腐蚀，在土壤及海水中的腐蚀金属在大气中的腐蚀，在土壤及海水中的腐蚀以及在电解液中的腐蚀都是电化学腐蚀。以及在电解液中的腐蚀都是电化学腐蚀。 445.5.失效机理失效机理金铝化合物失效金铝化合物失效金和铝键合，在长期贮存和使用后，因化学势不同，金和铝键合，在长期贮存和使用后，因化学势不同，它们之间能生成它们之间能生成AuAlAuAl2 2，AuAlAuAl， AuA

34、u2 2AlAl，AuAu5 5AlAl2 2，AuAu4 4AlAl等等金属间化合物（金属间化合物（IMCIMC）。）。这几种这几种IMCIMC的晶格常数、膨胀系数、形成过程中体积的的晶格常数、膨胀系数、形成过程中体积的变化、颜色和物理性质是不同的，且电导率较低。变化、颜色和物理性质是不同的，且电导率较低。AuAlAuAl2 2、AuAu5 5AlAl2 2、AuAu4 4AlAl呈浅金黄色，呈浅金黄色，AuAlAuAl2 2呈紫色，俗称呈紫色，俗称紫斑，紫斑，AuAu2 2AlAl呈白色，称白斑。呈白色，称白斑。在键合点处生成了在键合点处生成了AuAuAlAl间间IMCIMC之后，键合强度

35、降低、之后，键合强度降低、变脆开裂、接触电阻增大，器件出现性能退化或引线从变脆开裂、接触电阻增大，器件出现性能退化或引线从键合界面处脱落导致开路。键合界面处脱落导致开路。 45金铝化合物失效金铝化合物失效5.5.失效机理失效机理ISTFA美国实验室报告465.5.失效机理失效机理柯肯德尔效应（柯肯德尔效应（Kirkendall） 在在AuALAuAL键合系统中，若采用键合系统中，若采用AuAu丝热压焊工艺，由于高温丝热压焊工艺，由于高温（300300以上），金向铝中迅速扩散，金的扩散速度大于铝以上），金向铝中迅速扩散，金的扩散速度大于铝扩散速度，结果出现了在金层一侧留下部分原子空隙，这扩散速度

36、，结果出现了在金层一侧留下部分原子空隙，这些原子空隙自发聚积，在金属间化合物与金属交界面上形些原子空隙自发聚积，在金属间化合物与金属交界面上形成了空洞，这称为柯肯德尔效应。成了空洞，这称为柯肯德尔效应。当柯氏效应当柯氏效应空洞增大到一定程度后，将使键合界面强空洞增大到一定程度后，将使键合界面强度急剧下降，接触电阻增大，最终导致开路。度急剧下降，接触电阻增大，最终导致开路。柯氏空洞形成条件首先是柯氏空洞形成条件首先是AuAlAuAl系统，其次是温度和时间。系统，其次是温度和时间。 ISTFA47金属半导体接触失效金属半导体接触失效 欧姆接触，肖特基接触 铝硅接触尖峰或溶坑 在高温加电时扩散和迁移

37、同时存在在高温加电时扩散和迁移同时存在 铝在硅中扩散铝在硅中扩散, , 形成尖峰，发射极形成尖峰，发射极PNPN结短路结短路 硅在铝中扩散，接触面空洞硅在铝中扩散，接触面空洞开路开路 GaAs器件的主要失效原因器件的主要失效原因 措施措施:难熔多层金属化如难熔多层金属化如PtSiTi/W-Al 5.5.失效机理失效机理485.5.失效机理失效机理 银的迁移是一种银的迁移是一种电化学现象，在具备电化学现象，在具备水份和电场的条件时水份和电场的条件时发生。发生。银离子迁移银离子迁移49CMOS电路闩锁失效（电路闩锁失效（1）5.5.失效机理失效机理闩锁（闩锁（latch-up）是指）是指CMOS电

38、路中固有的寄生可控电路中固有的寄生可控硅结构被触发导通，在电源和硅结构被触发导通，在电源和地之间形成低阻大电流通路的地之间形成低阻大电流通路的现象。现象。MOS集成电路使用的主要失集成电路使用的主要失效机理效机理50Latch-upLatch-up原理原理寄生晶闸管原理图寄生晶闸管原理图CMOS电路闩锁失效（电路闩锁失效（2）5.5.失效机理失效机理51条件条件-在使用上在使用上VDD (VI;VO) VSS；或电源；或电源端到地发生二次击穿。端到地发生二次击穿。危害危害-一旦导通电源端产生很大电流，破坏性一旦导通电源端产生很大电流，破坏性和非破坏性和非破坏性失效特点失效特点-电现象电现象 内

39、部失效判别内部失效判别5.5.失效机理失效机理CMOS电路闩锁失效（电路闩锁失效（3）525.5.失效机理失效机理ESD 失效机理失效机理处于不同静电电位的两个物体间发生的静电电荷处于不同静电电位的两个物体间发生的静电电荷转移就形成了静电放电，这种静电放电将给电子元转移就形成了静电放电，这种静电放电将给电子元器件带来损伤，引起产品失效。器件带来损伤，引起产品失效。电子元器件由静电放电引发的失效可分为电子元器件由静电放电引发的失效可分为突发性突发性失效失效和和潜在性失效潜在性失效两种模式。两种模式。53 突发性失效突发性失效是指元器件受到静电放电损伤后，是指元器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失

40、其规定的功能，主要表现为开路、短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。路或参数严重漂移。 潜在性失效潜在性失效是指静电放电能量较低，仅在元器是指静电放电能量较低，仅在元器件内部造成轻微损伤，放电后器件电参数仍然合格件内部造成轻微损伤，放电后器件电参数仍然合格或略有变化。但器件的抗过电应力能力已经明显削或略有变化。但器件的抗过电应力能力已经明显削弱，再受到工作应力后将进一步退化，使用寿命将弱，再受到工作应力后将进一步退化，使用寿命将明显缩短。明显缩短。 5.5.失效机理失效机理ESD 失效机理失效机理54ESD 失效机理失效机理过电压场致失效过电压场致失效发生于发生于M0

41、SM0S器件，包括含有器件，包括含有MOSMOS电容或钽电电容或钽电容的双极型电路和混合电路；容的双极型电路和混合电路；过电流热致失效过电流热致失效多发生于双极器件，包括输入用多发生于双极器件，包括输入用pnpn结二极结二极管保护的管保护的MOSMOS电路、肖特基二极管以及含有双极电路、肖特基二极管以及含有双极器件的混合电路。器件的混合电路。5.5.失效机理失效机理55ESD失效机理失效机理 实际发生哪种失效，取决于静电放电回路的绝实际发生哪种失效，取决于静电放电回路的绝缘程度。缘程度。 如果放电回路阻抗较低，绝缘性差，元器件往如果放电回路阻抗较低，绝缘性差，元器件往往会因放电期间产生强电流脉

42、冲导致高温损伤，这往会因放电期间产生强电流脉冲导致高温损伤，这属于过电流损伤。属于过电流损伤。 如果放电回路阻抗较高，绝缘性好，则元器件如果放电回路阻抗较高，绝缘性好，则元器件会因接受了高电荷而产生高电压，导致强电场损伤，会因接受了高电荷而产生高电压，导致强电场损伤，这属于过电压损伤这属于过电压损伤5.5.失效机理失效机理565.5.失效机理失效机理“爆米花效应爆米花效应”是指塑封器件塑封材料内的水份在是指塑封器件塑封材料内的水份在高温下受热发生膨胀，使塑封材料与金属框架和高温下受热发生膨胀，使塑封材料与金属框架和芯片间发生芯片间发生分层分层，拉断键合丝，发生开路失效。，拉断键合丝，发生开路失

43、效。塑封器件塑封器件“爆米花爆米花效应效应”（分层效应）（分层效应） 57潮湿敏感损伤潮湿敏感损伤C-SAM检测crossectionXray5.5.失效机理失效机理“爆米花效应爆米花效应”（分层效应）（分层效应）(文献)58Effects of Elevated Reflow Temperature on Plastic Packages (J-STD-020C Moisture/reflow senstive)5.5.失效机理失效机理“爆米花效应爆米花效应”（分层效应）（分层效应） (文献)59Cross-section of the 2-layer PBGA package afterl

44、evel 2a/260C stressing indicating delamination within thedie attach layer and internal substrate layers5.5.失效机理失效机理“爆米花效应爆米花效应”（分层效应）（分层效应）(文献)60“爆米花效应爆米花效应”（分层效应）（分层效应）回流焊后回流焊后捷伟测试技术有限公司 61过应力过应力电应力电应力-电源输出输入的电流、电压超过规定电源输出输入的电流、电压超过规定的最大额定值的最大额定值热应力热应力-环境温度、壳温、结温超过规定的最环境温度、壳温、结温超过规定的最大额定值大额定值机械应力机械应力-振动、冲击、离心力超过规定的最振动、冲击、离心力超过规定的最大额定值大额定值5.5.失效机理失效机理62氧化层击穿氧化层击穿5.5.失效机理失效机理 离子感应离子感应 隧道效应隧道效应 与时间有关的介质击穿与时间有关的介质击穿 氧化层缺陷击穿氧化层缺陷击穿-早期失效早期失效 铝与二氧化硅反应铝与二氧化硅反应(500(500，功率危害，功率危害) ) 各种器件的影响程度不同各种器件的影响程度不同