半导体器件可靠性与失效分析微电子

半导体器件的检测与失效分析

针对半导体器件失效分析主要涉及到了多种实验方法其中包括物理、化学以及金相的试验程序，进而明确器件失效的形式，分析失效的具体过程，从中探寻出导致这一事件原因所在，并设定相应的实施政策。对此，文章对于半导体器件的失效与检测进行了具体的论述，并提出下面几点有效的检查方法，最终提升半导体元件的可靠性与耐用性。

关键词：半导体器件，检测，失效分析，无损检测，破坏性分析

Detection and failure analysis of semiconductor devices

Gao Shao-bin1,2, jin Li-hua

(1. Shijiazhuang METDA Electronic Technology Limited Corporation,

Shijiazhuang 050050, China;

2. The 13th Research Institute，CETC, Shijiazhuang 050051, China)

The failure analysis of semiconductor devices mainly involves a

variety of experimental methods, including physical, chemical and

metallographic test procedures, so as to clarify the form of device

failure, analyze the specific process of failure, find out the cause

of this event, and set the corresponding implementation policy. In

this regard, the article specifically discusses the failure and

MOS器件及其集成电路的可靠性与失效分析（提要）

作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)

影响MOS器件及其集成电路可靠性的因素很多，有设计方面的，如材料、器件和工艺等的选取；有工艺方面的，如物理、化学等工艺的不稳定性；也有使用方面的，如电、热、机械等的应力和水汽等的侵入等。

从器件和工艺方面来考虑，影响MOS集成电路可靠性的主要因素有三个：一是栅极氧化层性能退化；二是热电子效应；三是电极布线的退化。

由于器件和电路存在有一定失效的可能性，所以为了保证器件和电路能够正常工作一定的年限（例如，对于集成电路一般要求在10年以上），在出厂前就需要进行所谓可靠性评估，即事先预测出器件或者IC的寿命或者失效率。

（1）可靠性评估：

对于各种元器件进行可靠性评估，实际上也就是根据检测到的元器件失效的数据来估算出元器件的有效使用寿命——能够正常工作的平均时间（MTTF，mean time to failure）的一种处理过程。

因为对于元器件通过可靠性试验而获得的失效数据，往往遵从某种规律的分布，因此根据这些数据，由一定的分布规律出发，即可估算出MTTF和失效率。

比较符合实际情况、使用最广泛的分布规律有两种，即对数正态分布和Weibull分布。

①对数正态分布：

若一个随机变量x的对数服从正态分布，则该随机变量x就服从对数正态分布；对数正态分布的概率密度函数为

222/)(ln21)(xexxf

该分布函数的形式如图1所示。

对数正态分布是对数为正态分布的任意随机变量的概率分布；如果x是正态分布的随机变量，则exp(x)为对数分布；同样，如果y是对数正态分布，则log(y)为正态分布。

②Weibull分布：

由于Weibull分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具有递增的失效率，所以，将它作为材料或零件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强度模型是合适的；而且尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布形式。由于它可以根据失效概率密度来容易地推断出其分布参数，故被广泛地应用于各种寿命试验的数据处理。与对数正态分布相比，Weibull分布具有更大的适用性。

微电子封装技术中的界面失效机理分析

微电子封装技术是微电子领域中至关重要的一环，它涉及到将半导体芯片与外部电路连接，以实现电子设备的正常工作。随着电子设备向小型化、高性能化和多功能化发展，微电子封装技术也在不断进步。然而，在这一过程中，界面失效成为了制约封装可靠性的主要因素之一。本文将探讨微电子封装技术中界面失效的机理，分析其成因、影响因素以及可能的解决方案。

一、微电子封装技术概述

微电子封装技术是指将微电子芯片与外部电路连接，并提供物理保护的一系列工艺和技术。随着集成电路的快速发展，封装技术也在不断演进，以满足更高的性能要求和更小的尺寸需求。封装不仅需要保护芯片免受物理损伤和环境影响，还需要确保芯片与外部电路之间的有效连接。

1.1 微电子封装的基本结构

微电子封装的基本结构包括芯片、封装基板、引脚或焊盘、封装材料等。芯片是封装的核心，封装基板则为芯片提供支撑和电气连接，引脚或焊盘用于与外部电路连接，封装材料则用于保护芯片和填充封装内部空间。

1.2 微电子封装的类型

微电子封装技术有多种类型，包括但不限于BGA（球栅阵列）、QFP（四边扁平封装）、QFN（四边无引脚封装）、DIP（双列直插封装）等。每种封装类型都有其特定的应用场景和性能特点。

二、界面失效机理分析

界面失效是指在微电子封装过程中，由于各种因素导致芯片与封装基板、引脚或焊盘之间的连接失效。界面失效会严重影响电子设备的可靠性和稳定性。

2.1 界面失效的类型

界面失效可以分为多种类型，包括机械失效、热失效、电失效和化学失效等。机械失效通常是由封装过程中的应力或外部冲击引起的；热失效则是由于温度变化导致的材料膨胀或收缩；电失效涉及到电流过大或电压过高导致的连接失效；化学失效则是由于材料间的化学反应导致的界面退化。

2.2 界面失效的影响因素

界面失效的影响因素众多，包括材料特性、封装工艺、环境条件等。材料特性如热膨胀系数、导电性、机械强度等都会影响界面的稳定性；封装工艺如焊接、粘接、固化等过程的控制不当也可能导致界面失效；环境条件如温度、湿度、腐蚀性气体等也会对界面造成影响。

电子元器件的失效分析

随着人们对电子产品质量可靠性的要求不断增加，电子元器件的可靠性不断引起人们的关注，如何提高可靠性成为电子元器件制造的热点问题。例如在卫星、飞机、舰船和计算机等所用电子元器件质量可靠性是卫星、飞机、舰船和计算机质量可靠性的基础。这些都成为电子元器件可靠性又来和发展的动力，而电子元器件的实效分析成为其中很重要的部分。

一、失效分析的定义及意义

可靠性工作的目的不仅是为了了解、评价电子元器件的可靠性水平，更重要的是要改进、提高电子元器件的可靠性。所以，在从使用现场或可靠性试验中获得失效器件后，必须对它进行各种测试、分析，寻找、确定失效的原因，将分析结果反馈给设计、制造、管理等有关部门，采取针对性强的有效纠正措施，以改进、提高器件的可靠性。这种测试分析，寻找失效原因或机理的过程，就是失效分析。

失效分析室对电子元器件失效机理、原因的诊断过程，是提高电子元器件可靠性的必由之路。元器件由设计到生产到应用等各个环节，都有可能失效，从而失效分析贯穿于电子元器件的整个寿命周期。因此，需要找出其失效产生原因，确定失效模式，并提出纠正措施，防止相同失效模式和失效机理在每个元器件上重复出现，提高元器件的可靠性。

归纳起来，失效分析的意义有以下5点：

（1）通过失效分析得到改进设计、工艺或应用的理论和思想。

（2）通过了解引起失效的物理现象得到预测可靠性模型公式。

（3）为可靠性试验条件提供理论依据和实际分析手段。

（4）在处理工程遇到的元器件问题时，为是否要整批不用提供决策依据。

（5）通过实施失效分析的纠正措施可以提高成品率和可靠性，减小系统试验和运行工作时的故障，得到明显的经济效益。

二、失效的分类

在实际使用中，可以根据需要对失效做适当的分类。按失效模式，可以分为开路、短路、无功能、特性退化（劣化）、重测合格；按失效原因，可以分成误用失效、本质失效、早期失效、偶然失效、耗损失效、自然失效；按失效程度，可分为完全失效、部分（局部）失效；按失效时间特性程度及时间特性的组合，可以分成突然失效、渐变失效、间隙失效、稳定失效、突变失效、退化失效、可恢复性失效；按失效后果的严重性，可以分为致命失效、严重失效、轻度失效；按失效的关联性和独立性，可以分为关联失效、非关联失效、独立失效、从属失效；按失效的场合，可分为试验失效、现场失效（现场失效可以再分为调试失效、运行失效）；按失效的外部表现，可以分为明显失效、隐蔽失效。