半导体器件可靠性与失效分析
1、元器件的定义与分类
定义：
欧洲空间局ESA标准中的定义： 完成某一电子、电气和机电功能，并由一个或几个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个装置。
GJB4027-2000《军用电子元器件破坏性物理分析方法》中的定义： 在电子线路或电子设备中执行电气、电子、电磁、机电或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，通常不破坏是不能将其分解的。
分类：两大类
元件：在工厂生产加工时不改变分子成分的成品，本身不产生电子，对电压、电流无控制和变换作用。
器件：在工厂生产加工时改变了分子结构的成品，本身能产生电子，对电压电流的控制、变换(放大、开关、整流、检波、振荡和调制等)，也称电子器件。
分类(来源：2007年版的《军用电子元器件合格产品目录》)
电阻
最可靠的元件之一
失效模式： 开路、机械损伤、接点损坏、短路、绝缘击穿、焊接点老化造成的电阻值漂移量超过容差
电位器
失效模式： 接触不良、滑动噪声大、开路等
二极管
集成电路
失效模式： 漏电或短路，击穿特性劣变，正向压降劣变，开路可高阻
失效机理： 电迁移，热载流子效应，与时间相关的介质击穿(TDDB)，表面氧化层缺陷，绝缘层缺陷，外延层缺陷
声表面波器件
MEMS压力传感器
MEMS器件的主要失效机理：
（1）粘附----两个光滑表面相接触时，在力作用下粘附在一起的现象；
（2）蠕变----机械应力作用下原子缓慢运动的现象；变形、空洞；
（3）微粒污染----阻碍器件的机械运动；
（4）磨损----尺寸超差，碎片卡入；
（5）疲劳断裂----疲劳裂纹扩展失效。
真空电子器件(vacuum electronic device)
指借助电子在真空或者气体中与电磁场发生相互作用，将一种形式电磁能量转换为另一种形式电磁能量的器件。具有真空密封管壳和若干电极，管内抽成真空，残余气体压力为10-4～10-8帕。有些在抽出管内气体后，再充入所需成分和压强的气体。广泛用于广播、通信、电视、雷达、导航、自动控制、电子对抗、计算机终端显示、医学诊断治疗等领域。
真空电子器件按其功能分为：
实现直流电能和电磁振荡能量之间转换的静电控制电子管；
将直流能量转换成频率为300兆赫～3000吉赫电磁振荡能量的微波电子管；
利用聚焦电子束实现光、电信号的记录、存储、转换和显示的电子束管；
利用光电子发射现象实现光电转换的光电管；
产生X射线的X射线管；
管内充有气体并产生气体放电的充气管；
以真空和气体中粒子受激辐射为工作机理，将电磁波加以放大的真空量子电子器件等。
自20世纪60年代以后，很多真空电子器件已逐步为固态电子器件所取代，但在高频率、大功率领域，真空电子器件仍然具有相当生命力，而电子束管和光电管仍将广泛应用并有所发展。[1] 真空电子器件里面就包含真空断路器，真空断路器具有很多优点，所以在变电站上应用很多。真空断路器已被快易优收录，由于采用了特殊的真空元件，随着近年来制造水平的提高，灭弧室部分的故障明显降低。真空灭弧室无需检修处理，当其损坏时，只能采取更换。真空断路器运行中发生的故障以操作机构部分所占比重较大，其次为一次导电部分，触头导电杆等。
第二章 元器件制造工艺与缺陷
1、芯片加工中的缺陷与成品率预测
芯片制造缺陷的分类：
全局缺陷： 光刻对准误差、工艺参数随机起伏、线宽变化等；在成熟、可控性良好的工艺线上，可减少到极少，甚至几乎可以消除。
局域缺陷： 氧化物针孔等点缺陷，不可完全消除，损失的成品率更高。
点缺陷： 冗余物、丢失物、氧化物针孔、结泄漏
来源：灰尘微粒、硅片与设备的接触、化学试剂中的杂质颗粒。
2、混合集成电路的失效
混合集成电路工艺：
IC工艺： 氧化、扩散、镀膜、光刻等
厚膜工艺： 基板加工、制版、丝网印刷、烧结、激光调阻、分离元器件组装等
薄膜工艺： 基板加工、制版、薄膜制备、光刻、电镀等
失效原因：
元器件失效：31%
互连失效：23%，引线键合失效、芯片粘结不良等
沾污失效：21%
关于混合集成电路：
按制作工艺，可将集成电路分为：
（1）半导体集成电路（基片：半导体）
即：单片集成电路（固体电路）
工艺：半导体工艺（扩散、氧化、外延等）
（2）膜集成电路（基片：玻璃、陶瓷等绝缘体）
工艺：
薄膜集成电路——真空蒸镀、溅射、化学气相沉积技术
厚膜集成电路——浆料喷涂在基片上、经烧结而成（丝网印刷技术）
3、混合集成电路（Hybrid Integrated Circuit）
特点：充分利用半导体集成电路和膜集成电路各自的优点，达到优势互补的目的；
工艺：用膜工艺制作无源元件，用半导体IC或晶体管制作有源器件。
三种集成电路的比较：
第三章 微电子封装技术与失效
1、微电子封装的分级：
• 零级封装： 通过互连技术将芯片焊区与各级封装的焊区连接起来；
• 一级封装(器件级封装)：将一个或多个IC芯片用适宜的材料封装起来，并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合(WB)、载带自动焊(TAB)和倒装焊(FC)连接起来，使之成为有功能的器件或组件，包括单芯片组件SCM和多芯片组件MCM两大类
• 二级封装(板极封装)： 将一级微电子封装产品和无源元件一同安装到印制板或其他基板上，成为部件或整机。
• 三级封装(系统级封装)： 将二极封装产品通过选层、互连插座或柔性电路板与母板连接起来，形成三维立体封装，构成完整的整机系统(立体组装技术)
2、微电子的失效机理
（1）热/机械失效
热疲劳
热疲劳失效主要是由于电源的闭合和断开引起热应力循环，造成互连焊点变形，最终产生裂纹
失效分析例子——连接器的过机械应力疲劳损伤
样品：SMA连接器(阴极)
现象：外部插头(阳极)与该SMA接头连接不紧，装机前插拔力检验合格
失效模式：接触不良
半圆弧夹片明显偏离
插孔周边绝缘介质有较深的插痕
偏离的半圆夹片根部有裂纹
半圆片裂纹断面
蠕变----材料在长时间恒温、恒压下，即使应力没有达到屈服强度，也会慢慢产生塑性变形的现象
蠕变导致焊点断裂
脆性断裂
当应力超过某一值时，陶瓷、玻璃和硅等脆性材料易发生脆性断裂。断裂一般发生在有初始裂纹和刻痕的地方，当原有裂纹扩展到器件的有源区时，器件将失效。
塑性变形
当应力超过材料的弹性限度或屈服点时，将发生塑性变形(永久)：
Ø 金属：电阻升高或开裂
Ø 陶瓷等脆性材料：开裂
Ø MEMS系统：影响精度甚至不能正常工作
封装界面层分层----粘连在一起的不同层之间出现剥离或分离的现象
原因：表面缺陷
表面存在水汽和挥发物
材料不均或表面粗糙等
塑封件因热膨胀系数不同，温度变化大时会出现；
塑封件因吸收过多潮气，在受热例如焊接过程中出现分层(爆米花现象)；
BGA封装中，模塑料与基体界的界面及粘胶处易发生水汽爆裂。
应力迁移(Stress Migration)
引子： 铜互连替代铝互连，虽然铜的电阻率较低，抗电迁移和应力迁移能力强，但应力迁移诱生空洞，导致电阻增大甚至完全断裂
出现条件： 应力梯度—绝缘介质与铜之间的热失配所致
位置： 通孔和金属连线边缘等应力集中区域
影响因素： 应力、应力梯度、互连结构、工作温度、金属介质界面粘附性、互连材料的微观结构
铜导线上的应力迁移空洞
（2）电致失效
电迁移(Electronic Migration)
强电流经过金属线时，金属离子等会在电流及其他因素相互作用下移动并在线内形成孔隙或裂纹的现象
原因： 电场作用下金属离子扩散所致，不同材料机制不同：
焊点： 晶格扩散
铝互连线： 晶界扩散
铜互连线： 表面扩散
驱动力： 电子与离子动量交换和外电场产生的综合力、非平衡态离子浓度产生的扩散力、机械应力、热应力
影响因素：
几何因素： 长度、线宽、转角、台阶、接触孔等
材料性质： 铜最好、铝较差、铝铜合金介于其中
（3）金属迁移
• 失效模式：金属互连线电阻值增大或开路
• 失效机理：电子风效应
• 产生条件：电流密度大于10E5A/cm2
高温
• 纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺
互连线和焊点的电迁移
（4）闩锁效应(Latch-up)----寄生PNPN效应
由于MOS管存在寄生晶体管效应(CMOS管下面会构成多个晶体管，它们自身可能构成一个电路)，若电路偶然出现使该寄生晶体管开通的条件，则寄生电路会极大影响正常电路的动作，使原MOS电路承受大于正常状态很大的电流，可使电路迅速烧毁。
闩锁状态下器件在电源与地之间形成短路，造成大电流、过电应力和器件损坏
通信接口集成电路的闩锁失效
（5）热载流子效应(Hot Carrier Injection
栅极电压Vg小于漏极电压Vd时，栅极绝缘膜下的沟道被夹断，漏极附近电场增高；
源极流经此区的电子成为热电子，碰撞增多---漏极雪崩热载流子；
注入栅极二氧化硅膜中，使其产生陷阱和界面能级，阈值电压增加，氧化层电荷增加或波动不稳，器件性能退化
（6）与时间相关的介质击穿(Time Dependent Dielectric Breakdron)
击穿模型：I/E(空穴击穿)，E(热化学击穿)
I/E模型：电子穿越氧化膜®产生电子陷阱和空穴陷阱+电子空穴对®空穴隧穿回氧化层，形成电流®空穴易被陷阱俘获®在氧化层中产生电场®缺陷处局部电流不断增加，形成正反馈®陷阱互相重叠并连成一个导电通道时，氧化层被击穿。
E模型：热动力学过程，处于热应力和外加电场下的偶极子相互作用破坏了Si-O键而产生击穿。
3、电化学失效
• 金属迁移----从键合焊盘处开始的金属枝晶生长，是一金属离子从阳极区向阴极区迁移的电解过程。
现象：桥连区的泄漏电流增加，甚至短路
迁移离子：Ag,Pb,Sn,Au,Cu
预防银迁移的方法：
使用银合金；
在布线布局设计时，避免细间距相邻导体间的电流电位差过高；
设置表面保护层；
清洗助焊剂残留物
• 腐蚀
出现条件：封装内存在潮气和离子沾污物
本质：电化学反应
混合集成电路的电化学腐蚀
• 金属间化合物
• 优点：提高结合力
• 缺点：过量的金属间化合物会使局部脆化
来源：可靠性交流
一文了解IC半导体产品的质量与可靠性测试方法及标准，收藏
质量（Quality）和可靠性（Reliability）在一定程度上可以说是IC（集成电路）半导体产品的生命。质量（Quality） 就是产品性能的测量，它回答了一个产品是否合乎规格（SPEC）的要求，是否符合各项性能指标的问题；可靠性（Reliability）则是对产品耐久力的测量，它回答了一个产品生命周期有多长，简单说，它能用多久的问题。所以说质量（Quality）解决的是现阶段的问题，可靠性（Reliability）解决的是一段时间以后的问题。知道了两者的区别，我们发现，质量（Quality）的问题解决方法往往比较直接，设计和制造单位在产品生产出来后，通过简单的测试，就可以知道产品的性能是否达到SPEC 的要求，这种测试在IC的设计和制造单位就可以进行。
相对而言，可靠性（Reliability）的问题似乎就变的十分棘手，这个产品能用多久，谁会能保证今天产品能用，明天就一定能用？
为了解决这个问题，人们制定了各种各样的标准，如: JESD22-A108-A、EIAJED- 4701-D101，
注：JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）电子设备工程联合委员会，著名国际电子行业标准化组织之一；EIAJED：日本电子工业协会，著名国际电子行业标准化组织之一。
虽然我们可能不是生产IC产品，但是为了达到产品质量和可靠性的都会是有异曲同工之处，相信在控制同类问题是可以借鉴，小编就从网络收集整理了下面的测试标准和要求以供大家参考学习。
在介绍一些目前较为流行的可靠性(Reliability)的测试方法之前，我们先来认识一下IC产品的生命周期。典型的IC产品的生命周期可以用一条浴缸曲线（Bathtub Curve）来表示。
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Region (I) 被称为早夭期（Infancy perio）
这个阶段产品的 failure rate 快速下降，造成失效的原因在于IC设计和生产过程中的缺陷；
Region (II) 被称为使用期（Useful life period）在这个阶段产品的failure rate保持稳定，失效的原因往往是随机的，比如温度变化等等；
Region (III) 被称为磨耗期（Wear-Out period）
在这个阶段failure rate 会快速升高，失效的原因就是产品的长期使用所造成的老化等。
认识了典型IC产品的生命周期，我们就可以看到，Reliability的问题就是要力图将处于早夭期failure的产品去除并估算其良率，预计产品的使用期，并且找到failure的原因，尤其是在IC生产，封装，存储等方面出现的问题所造成的失效原因。
下面就是一些 IC产品可靠性等级测试项目（IC Product Level reliability test items ）
一、使用寿命测试项目（Life test items）：EFR, OLT (HTOL), LTOL
①EFR:早期失效等级测试（ Early fail Rate Test ）
目的: 评估工艺的稳定性，加速缺陷失效率，去除由于天生原因失效的产品。
测试条件: 在特定时间内动态提升温度和电压对产品进行测试
失效机制：材料或工艺的缺陷，包括诸如氧化层缺陷，金属刻镀，离子玷污等由于生产造成的失效。
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准：
JESD22-A108-A
EIAJED- 4701-D101
②HTOL/ LTOL：高/低温操作生命期试验（High/ Low Temperature Operating Life ）
目的: 评估器件在超热和超电压情况下一段时间的耐久力
测试条件: 125℃，1.1VCC, 动态测试
失效机制：电子迁移，氧化层破裂，相互扩散，不稳定性，离子玷污等
参考标准：
125℃条件下1000小时测试通过IC可以保证持续使用4年，2000小时测试持续使用8年；150℃ 1000小时测试通过保证使用8年，2000小时保证使用28年。
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准：
MIT-STD-883E Method 1005.8
JESD22-A108-A
EIAJED- 4701-D101
二、环境测试项目（Environmental test items）
PRE-CON, THB, HAST, PCT, TCT, TST, HTST, Solderability Test, Solder Heat Test
①PRE-CON:预处理测试（ Precondition Test ）
目的: 模拟IC在使用之前在一定湿度，温度条件下存储的耐久力，也就是IC从生产到使用之间存储的可靠性。
测试流程（Test Flow）:
Step 1:超声扫描仪 SAM (Scanning Acoustic Microscopy)
Step 2: 高低温循环（Temperature cycling ）
-40℃(or lower) ~ 60℃(or higher) for 5 cycles to simulate shipping conditions
Step 3:烘烤（ Baking ）
At minimum 125℃ for 24 hours to remove all moisture from the package
Step 4: 浸泡（Soaking ）
Using one of following soak conditions
-Level 1: 85℃ / 85%RH for 168 hrs （储运时间多久都没关系）
-Level 2: 85℃ / 60%RH for 168 hrs （储运时间一年左右）
-Level 3: 30℃ / 60%RH for 192 hrs （储运时间一周左右）
Step5: Reflow （回流焊）
240℃ (- 5℃) / 225℃ (-5℃) for 3 times (Pb-Sn)
245℃ (- 5℃) / 250℃ (-5℃) for 3 times (Lead-free)
* choose according the package size
Step6：超声扫描仪 SAM (Scanning Acoustic Microscopy)
红色和黄色区域显示BGA在回流工艺中由于湿度原因而过度膨胀所导致的分层/裂纹。
失效机制: 封装破裂，分层
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
JESD22-A113-D
EIAJED- 4701-B101
评估结果：八种耐潮湿分级和车间寿命(floor life)
请参阅 J-STD-020。
1 级 - 小于或等于30°C/85% RH 无限车间寿命
2 级 - 小于或等于30°C/60% RH 一年车间寿命
2a 级 - 小于或等于30°C/60% RH 四周车间寿命
3 级 - 小于或等于30°C/60% RH 168小时车间寿命
4 级 - 小于或等于30°C/60% RH 72小时车间寿命
5 级 - 小于或等于30°C/60% RH 48小时车间寿命
5a 级 - 小于或等于30°C/60% RH 24小时车间寿命
6 级 - 小于或等于30°C/60% RH 72小时车间寿命 (对于6级，元件使用之前必须经过烘焙，并且必须在潮湿敏感注意标贴上所规定的时间限定内回流。)
提示：湿度总是困扰在电子系统背后的一个难题。不管是在空气流通的热带区域中，还是在潮湿的区域中运输，潮湿都是显著增加电子工业开支的原因。由于潮湿敏感性元件使用的增加，诸如薄的密间距元件(fine-pitch device)和球栅阵列(BGA, ball grid array)，使得对这个失效机制的关注也增加了。基于此原因，电子制造商们必须为预防潜在灾难支付高昂的开支。吸收到内部的潮气是半导体封装最大的问题。当其固定到PCB板上时，回流焊快速加热将在内部形成压力。
这种高速膨胀，取决于不同封装结构材料的热膨胀系数（CTE）速率不同，可能产生封装所不能承受的压力。当元件暴露在回流焊接期间升高的温度环境下，陷于塑料的表面贴装元件(SMD, surface mount device)内部的潮湿会产生足够的蒸汽压力损伤或毁坏元件。常见的失效模式包括塑料从芯片或引脚框上的内部分离(脱层)、金线焊接损伤、芯片损伤、和不会延伸到元件表面的内部裂纹等。
在一些极端的情况中，裂纹会延伸到元件的表面；最严重的情况就是元件鼓胀和爆裂(叫做"爆米花"效益)。尽管现在，进行回流焊操作时，在180℃ ~200℃时少量的湿度是可以接受的。然而，在230℃ ~260℃的范围中的无铅工艺里，任何湿度的存在都能够形成足够导致破坏封装的小爆炸（爆米花状）或材料分层。必须进行明智的封装材料选择、仔细控制的组装环境和在运输中采用密封包装及放置干燥剂等措施。实际上国外经常使用装备有射频标签的湿度跟踪系统、局部控制单元和专用软件来显示封装、测试流水线、运输/操作及组装操作中的湿度控制。
②THB: 加速式温湿度及偏压测试（Temperature Humidity Bias Test ）
目的: 评估IC产品在高温，高湿，偏压条件下对湿气的抵抗能力，加速其失效进程
测试条件: 85℃，85%RH, 1.1 VCC, Static bias
失效机制：电解腐蚀
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
JESD22-A101-D
EIAJED- 4701-D122
在偏压下高温，高湿，高气压条件下对湿度的抵抗能力，加速其失效过程
测试条件 : 130℃ ， 85%RH, 1.1 VCC, Static bias，2.3 atm
失效机制：电离腐蚀，封装密封性
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
JESD22-A110
④PCT:高压蒸煮试验 Pressure Cook Test (Autoclave Test)
目的: 评估IC产品在高温，高湿，高气压条件下对湿度的抵抗能力，加速其失效过程
测试条件: 130℃， 85%RH, Static bias，15PSIG（2 atm）
失效机制：化学金属腐蚀，封装密封性
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
JESD22-A102
EIAJED- 4701-B123
*HAST与THB的区别在于温度更高，并且考虑到压力因素，实验时间可以缩短，而PCT则不加偏压，但湿度增大。
⑤TCT: 高低温循环试验（Temperature Cycling Test ）
目的: 评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良率。方法是通过循环流动的空气从高温到低温重复变化。
测试条件:
Condition B:-55℃ to 125℃
Condition C: -65℃ to 150℃
失效机制：电介质的断裂，导体和绝缘体的断裂，不同界面的分层
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883E Method 1010.7
JESD22-A104-A
EIAJED- 4701-B-131
⑥TST: 高低温冲击试验（Thermal Shock Test ）
目的: 评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良率。方法是通过循环流动的液体从高温到低温重复变化。
测试条件:
Condition B: - 55℃ to 125℃
Condition C: - 65℃ to 150℃
失效机制：电介质的断裂，材料的老化（如bond wires）, 导体机械变形
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准：
MIT-STD-883E Method 1011.9
JESD22-B106
EIAJED- 4701-B-141
* TCT与TST的区别在于TCT偏重于package 的测试，而TST偏重于晶园的测试
⑦HTST: 高温储存试验（High Temperature Storage Life Test ）
目的: 评估IC产品在实际使用之前在高温条件下保持几年不工作条件下的生命时间。
测试条件: 150℃
失效机制：化学和扩散效应，Au-Al 共金效应
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883E Method 1008.2
JESD22-A103-A
EIAJED- 4701-B111
⑧可焊性试验（Solderability Test ）
目的: 评估IC leads在粘锡过程中的可靠度
测试方法:
Step1：蒸汽老化8 小时
Step2：浸入245℃锡盆中 5秒
失效标准（Failure Criterion）：至少95％良率
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883E Method 2003.7
JESD22-B102
⑨SHT Test:焊接热量耐久测试（ Solder Heat Resistivity Test ）
目的: 评估IC 对瞬间高温的敏感度
测试方法: 侵入260℃ 锡盆中10秒
失效标准（Failure Criterion）：根据电测试结果
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883E Method 2003.7
EIAJED- 4701-B106
三、耐久性测试项目（Endurance test items ）
Endurance cycling test, Data retention test
①周期耐久性测试（Endurance Cycling Test ）
目的: 评估非挥发性memory器件在多次读写算后的持久性能
Test Method: 将数据写入memory的存储单元，在擦除数据，重复这个过程多次
测试条件: 室温，或者更高，每个数据的读写次数达到100k~1000k
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883E Method 1033
②数据保持力测试（Data Retention Test）
目的: 在重复读写之后加速非挥发性memory器件存储节点的电荷损失
测试条件: 在高温条件下将数据写入memory存储单元后，多次读取验证单元中的数据
失效机制：150℃
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准：
MIT-STD-883E Method 1008.2
MIT-STD-883E Method 1033
在了解上述的IC测试方法之后，IC的设计制造商就需要根据不用IC产品的性能，用途以及需要测试的目的，选择合适的测试方法，最大限度的降低IC测试的时间和成本，从而有效控制IC产品的质量和可靠度。
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