半导体元器件失效分析在工业维修过程中的运用分享

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随着工业智能化运营不断发展，电子元器件几乎在所有行业使用，其质量水平几乎决定着整个产品的使用寿命。在实际的工业设备维修过程中对于同一设备相同位置器件出现故障的电子元器件，第三方专业检测机构进行失效性分析，找出失效机制，对后期设备生产设计提供优化改进方案，提高设备生命周期的稳定性和可靠性。
( Y8 C) M8 X/ b. k半导体器件失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式（失效模式），分析造成器件失效的物理和化学过程（失效机理），寻找器件失效原因，制定纠正和改进措施。通过专业的实验室加强对半导体器件的失效分析，提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。
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一、与使用有关的失效

与使用有关的失效原因主要有：过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、使用线路设计不当、机械过应力、操作失误等。

1、过电应力损伤

过电应力引起的烧毁失效占使用中失效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、安装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线及电源系统产生的电浪涌、烙铁漏电、仪器或测试台接地不当产生的感应电浪涌等。按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结触发CMOS电路闩锁后引起电源电流增大而造成的烧毁失效。

2、静电损伤

严格来说，器件静电损伤也属于过电应力损伤，但是由于静电型过电应力的特殊性以及静电敏感器件的广泛使用，该问题日渐突出。静电型过电应力的特点是：电压较高（几百伏至几万伏），能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程中，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。

3、器件选型不当

器件选型不当也是经常发现的使用问题引起失效的原因之一，主要是设计人员对器件参数、性能了解不全面、考虑不周，选用的器件在某些方面不能满足所设计的电路要求。

4、操作失误

操作失误也是器件经常出现的失效原因之一，例如器件的极性接反引起的烧毁失效等。

二、器件固有缺陷引起的失效

与器件固有缺陷有关的失效原因主要有：表面问题、金属化问题、压焊丝键合问题、芯片键合问题、封装问题、体内缺陷等。在这几种原因中，对器件可靠性影响较大的是表面问题、键合问题和粘片问题引起的失效，它们均带有批次性，且经常重复出现。

1、表面问题

从可靠性方面考虑，对器件影响最大的是二氧化硅层内的可动正离子电荷，它会使器件的击穿电压下降，漏电流增大，并且随着加电时间的增加使器件性能逐渐劣化。有这种缺陷的器件用常规的筛选方法不能剔除，对可靠性危害很大。此外，芯片表面二氧化硅层中的针孔对器件可靠性的影响也较大。有这种缺陷的器件，针孔刚开始时往往还有一层极薄的氧化层，器件性能还是正常的，还可顺利通过老练、筛选等试验，但长期使用后由于TDDB效应和电浪涌的冲击，针孔就会穿通短路，引起器件失效。

2、金属化问题

引起器件失效的常见的金属化问题是台阶断铝、铝腐蚀、金属膜划伤等。对于一次集成电路，台阶断铝、铝腐蚀较为常见：对于二次集成电路来说，内部金属膜电阻在清洗、擦拭时被划伤而引起开路失效也是常见的失效模式之一。

3、压焊丝键合问题

常见的压焊丝键合问题引起的失效有以下几类。

1）压焊丝端头或压焊点沾污腐蚀造成压焊点脱落或腐蚀开路。

2）外压焊点下的金层附着不牢或发生金铝合金，造成压焊点脱落。

3）压焊点过压焊，使压焊丝颈部断开造成开路失效。

4）压焊丝弧度不够，与芯片表面夹角太小，容易与硅片棱或与键合丝下的金属化铝线相碰，造成器件失效。

4、芯片键合问题

最常见的是芯片粘结的焊料太少、焊料氧化、烧结温度过低等引起的开路现象。芯片键合不好，焊料氧化发黑，导致芯片在"磁成形"时受到机械应力作用后从底座抬起分离，造成开路失效。

5、封装问题

封装问题引起的失效有以下几类：1）封装不好，管壳漏气，使水汽或腐蚀性物质进入管壳内部，引起压焊丝和金属化腐蚀。2）管壳存在缺陷，使管腿开路、短路失效。3）内涂料龟裂、折断键合铝丝，造成器件开路或瞬时开路失效。这种失效现象往往发生在器件进行高、低温试验时。

6、体内缺陷

半导体器件体内存在缺陷也可引起器件的结特性变差而失效，但这种失效形式并不多见，而经常出现的是体内缺陷引起器件二次击穿耐量和闩锁阈值电压降低而造成烧毁。

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失效分析是对已经失效的产品进行原因分析，通过使用各种测试分析技术和分析程序确认产品的失效现象，分辨其失效模式或机理，确定其最终原因，提出改进设计和制造工艺的建议，来消除失效并防止失效的再次发生，提高元器件的可靠性。

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过电应力引起的烧毁失效占使用中失效器件的绝大部分

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现在都要做可靠性

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失效样品失效发生的阶段：SMT阶段、测试阶段、组装阶段。