半导体器件失效分 析基础课程说明课程时长：4小时授课方式：讲授必备条件：数投、便携机、白板、扩音设备课程简介：通过对《半导体器件失效分析基础》课程的讲解，使学员体会到通讯产品进行元器件失效分析的重要性和迫切性，本课程主要讲授了器件常见失效模式、常见失效机理、失效分析流程、失效分析技术、失效分析委托流程等通过80幅典型失效分析照片讲解，加深学员对该课程的理解和提高学员对失效分析的兴趣 主要内容1、失效分析产生和发展2、失效分析目的及意义3、失效分析基本内容4、主要失效模式和机理5、失效分析程序6、开展失效分析具备的条件和注意事项7、华为失效分析实验室介绍8、失效分析实验室仪器设备介绍9、典型失效分析照片（80幅）介绍1、失效分析的产生和发展随着微电子学的飞速发展，半导体器件已广泛地应用于宇航、军事领域、工业、通讯和民用产品中因此对半导体器件的可靠性进行研究具有非常重要的意义 1、失效分析的产生和发展（续）半导体器件可靠性研究的内容主要包括以下两方面：（1）评价可靠性水平可靠性数学可靠性试验可靠性评估等1、失效分析的产生和发展（续）（2）如何提高可靠性失效分析失效物理工艺监控 可靠性设计等1、失效分析的产生和发展（续）§ 器件可靠性研究首先是从评价可靠性开始的 ，但研究重点现在已逐渐转向如何提高可靠 性方面。
§ 可靠性研究更重要的是为了提高可靠性，所 以失效分析和失效物理成为可靠性研究的重 点 § 失效分析和失效物理的研究，它不单纯是学 术研究，更重要的是为了满足可靠性工程迅 速发展的需要1、失效分析的产生和发展（续）传统的可靠性评价工作遇到的困难：§ （1）在试验时间、试验样品、人力、物力方面遇到了难以克服的困难§ （2）半导体器件和集成电路的品种及工艺更新速度很快，使得过去取得的可靠性数据常常变得不适用1、失效分析的产生和发展（续）§ （3）当代电子设备和系统日益复杂化，对器件提出了高可靠的要求为了解决以上问题，迫切需要一种既省时间，又省费用的可靠性研究方法§ 失效分析和失效物理研究就是为了达到这一目的而迅速发展起来的 1、失效分析的产生和发展（续）时 间50年代60年代70年代以后主要研 究对象阻容元件 电子管晶体管 集成电路集成电路、大规模 集成电路、超大规 模集成电路发展阶段 统计失效阶段（开始阶段）控制失效阶段 （在规模发展阶段）可靠性保证法 （巩固提高阶段）研究方法失效率法失效分析法可靠性保证法理论基础可靠性数学失效物理可靠性物理研究重点失效规律失效机理工艺控制、可靠性 设计、可靠性标准研究目的计算失效率提高可靠性保证可靠性失效分析的发展历史1、失效分析的产生和发展（续）失效分析在60年代的突破 半导体器件可靠性在60年代发生全局性变化，是由于出现了重大的技术突破（平面工艺和集成电路的发明）。
可靠性突破的三个因素是：（1）导弹、卫星、飞船、飞机对可靠性提出很高要求2）研究出了能承受较高热应力和机械应力的器件3）研究出了高纯的材料和先进的工艺、制造设备等 2、失效分析的目的和意义 § 失效分析是通过对现场使用失效样品、可靠性试验失效样品、筛选失效样品的解剖分析，得出失效模式（形式）和失效机理并准确判断失效原因，为提高产品的可靠性提供科学依据2、失效分析的目的和意义（续）失效分析和失效物理研究立足于微观世界，它把半导体器件不单纯看成是具有某种功能的“黑匣子”，而是从物理、化学的微观结构上对它进行仔细观察和分析研究，从本质上探究半导体器件的不可靠因素 2、失效分析的目的和意义（续）失效分析对产品的贡献§ （1）开展元器件的破坏性物理分析（ 简称DPA ， 该工作与失效分析相辅相成，互为补充，配合使用 有很好效果），它能为元器件认证提供技术服务， 如：总结器件选型的关键点和薄弱点、总结器件选 型的checklist从源头上堵住质量问题，将隐患消 灭在萌牙状态对供应商提供的元器件，从工艺和 质量方面起到检验和监督作用，发挥其对供应商的 威慑作用2、失效分析的目的和意义（续）§ （2）对研发中失效的元器件开展分析，帮助 研发人员破解器件“黑匣子”，把分析结果 反馈给研发人员，协助研发人员解决系统设 计阶段存在的问题，将质量隐患消灭在产品 研发阶段。
2、失效分析的目的和意义（续）（3）对生产线上失效的元器件快速响应，迅速准确 的定位器件失效性质，为领导决策提供科学依据， 确保生产线的顺利运行，将损失降低到最低程度§ （4）对市场上失效的元器件进行分析总结，对发现 的共性问题、重点问题问题组织专题攻关或反馈相 关部门进行攻关将攻关成果反馈回用户及后续产 品设计中，以便达到提高产品可靠性的目的2、失效分析的目的和意义（续）购进器件 期间设备安装 期间系统调试 期间现场使用 期间民用25550工业应用42545215军事应用7501201,000航天应用15753002×106失效分析有很好的经济效益3、失效分析的基本内容§ 失效情况调查； § 失效模式鉴别； § 失效特征描述； § 假设失效机理； § 证实失效机理； § 提出纠正措施和新失效因素3、失效分析的基本内容（续）一、失效情况的调查1、制造厂、型号、名称、外壳类型、生产日期、批号2、用户、设备名称，台号、失效部位、累计运行时间3、失效的环境（调试、运行、高温、低温、振动、冲击、验收、现场使用等）、失效时间、判断人4、失效现象：无功能、参数变坏、开路、短路等3、失效分析的基本内容（续）§ 二、鉴别失效模式 § 1、电特性测试：判断失效现象是否与原始数 据相符，分析失效现象可能与哪些因素有关 。
§ 2、用立体显微镜检查外观：机械损伤、腐蚀 、标记完整性等 § 3、解剖后根据芯片失效特征进行判断3、失效分析的基本内容（续）§ 三、失效特征描述§ 利用高倍显微镜和扫描电子显微镜等设备观察失效部位的形状、大小、位置、颜色、机械和物理结构、物理特性等，科学地表征和阐明与上述失效模式有关的各种失效现象3、失效分析的基本内容（续）§ 四、失效机理假设§ 以半导体器件失效机理的有关理论为根据，对上述失效模式和现象进行理论推理并结合材料性质、有关设计和工艺的理论及经验，提出导致该失效模式产生的内在原因或具体的物理化学过程如有可能，更应以分子、原子学观点加以阐明或解释3、失效分析的基本内容（续）§ 五、失效机理证实 § 选择有关的分析、试验和观测设备对失效 样品进行分析，验证失效机理的假设是否正 确有时需要用良品进行类似的破坏性试验 ，观察是否产生相似的失效现象 § 这种试验分析方法有利于验证失效假设， 如果一次证实不了，则重复上述二、三、四 、五等步骤，直到证实为止3、失效分析的基本内容（续）§ 六、提出纠正措施 § 根据失效分析结果，提出防止产生失效的 设想和建议。
它包括工艺、设计、结构、线 路、材料、筛选方法和条件、使用和维护方 法，质量控制和管理等方面的问题3、失效分析的基本内容（续）§ 七、新失效因素的考虑经过失效分析和产品设计改进，器件原有 的问题得到解决，但一些新的失效因素又将 产生，对这些新因素要重新分析研究，并采 取新的措施加以控制和消除如此周而复始 ，不断发现问题和解决问题，从而使器件的 可靠性水平不断得到提高3、失效分析的基本内容（续）§ 失效分析是一门边缘科学，它跨越多种科 学技术领域并把各自独立的技术综合在一起 ，它也可以说是一门综合性科学所以进行 失效分析时要经常从器件设计、制造技术、 器件物理、器件使用、设备设计和制造以及 可靠性管理等方面进行调查和综合分析考虑 只有这样才能准确地找出失效的真正根源 4、主要失效模式和机理§ 一、常见的失效模式失效模式就是失效的表现形式它可以分为：漏电、开路、烧毁、光刻缺陷、扩散缺陷、铝条腐 蚀、铝缺口、铝划伤、内压焊点抬起、外压焊点 抬起、键合丝断裂、芯片脱落、静电放电损伤、闩 锁烧毁、电过应力损伤、钝化层开裂、MOS管栅穿、 多余物、漏气、白道击穿、引腿断裂、外引腿腐蚀 、封装标志不清、电参数超标。
4、主要失效模式和机理（续）§ 如果将失效模式分别按时间、机器台号、 器件品种或生产厂家、设备研制的不同阶段 等进行统计，并画出百分比分布图就是所谓 失效模式模型根据失效模式模型的区别或 变化过程就可以判断可靠性的现状以及变化 过程，并能准确地找出主要问题和提出有效 改进措施4、主要失效模式和机理（续）§ 二、主要失效机理 § 失效机理是器件失效的实质原因即引起器件 失效的物理或化学过程它们包括以下几方面： § 1、设计问题引起的劣化：版图、工艺方案、电路和 结构等方面的设计缺陷 § 2、体内劣化机理：二次击穿、CMOS闩锁效应、中子 辐射损伤、重金属沾污和材料缺陷引起的结特性退 化、瞬间功率过载等4、主要失效模式和机理（续）§ 3、表面劣化机理：钠离子沾污引起沟道漏电 、辐照损伤，表面击穿（蠕变）、表面复合 引起小电流增益减小等 § 4、金属化系统劣化机理：金铝合金、铝电迁 移、铝应力迁移、铝腐蚀、台阶断铝、电过 应力烧毁等 § 5、氧化层缺陷引起的失效：针孔、氧化层厚 度不均匀、接触孔钻蚀、介质击穿等4、主要失效模式和机理（续）§ 6、键合缺陷引起的失效：键合点颈部损伤、键合强 度不够，键合区沾污、金铝合金、键合位置不当、 键合丝损伤、键合丝长尾、键合应力过大损伤硅片 。
§ 7、封装劣化机理：管腿腐蚀、管腿损伤、漏气、壳 内有外来物引起漏电或短路、壳内水汽含量高、绝 缘珠裂缝、标志不清 § 8、使用问题引起的损坏：静电放电损伤、电浪涌损 伤、雷击、塑封器件潮敏失效、机械损伤，高温引 起的损伤、有害气体造成元器件腐蚀、沾污腐蚀、 干扰信号引起的故障等5、失效分析程序 一、解剖前1、失效情况调查，总结失效数据2、测试功能测试，验证失效数据；非功能测试（I-V曲线测试）： • 输入端－输入端 输入端－VCC • 输入端－GND 输出端－GND • 输出端－VCC 输出端－输出端 • 输入端－输出端 VCC－GND5、失效分析程序（续）3、外观镜检• 镀层质量、引脚的锈蚀情况； • 引脚根部和密封处的机械损伤； • 污染或粘附物； • 引脚与玻璃的粘附、密封缝的质量； • 外观标志5、失效分析程序（续）4、检漏5、失效模式分类6、模拟实验7、现场调查5、失效分析程序（续）二、电路和元器件解剖• 不同电路和元件有不同的解剖方法解剖时不能引 入新的失效模式• 大规模、超大规模塑封集成电路的解剖• 超小型塑封器件的解剖• TO型金属管壳• 陶瓷扁平封装和陶瓷双列直插式封装• G型管壳封装• 金属双列直插式封装• 5、失效分析程序（续）• 采用的解剖手段： • 化学方法 • 物理方法 • 机械方法 • 热分离方法• 如：集成电路溅射解剖方法、集成电路分层剥离技术、砷化镓器件解剖技术、光器件解剖技术、金属和陶瓷 封装电路解剖技术、BGA封装电路解剖技术、大体积封装 IC的物理解剖方法等等。
5、失效分析程序（续）三、解剖后的分析工作1、高倍显微镜检查工艺缺陷，必要时拍照2、低倍立体显微镜检查组装工艺缺陷，必要 时拍照3、电分析：变化试验条件进行参数测试，I- V特性曲线、内部元件的电性能测试4、机械探针台测试（必要时）5、失效分析程序（续）§ 5、扫描电镜分析（必要时） § 6、试验分析（根据需要选择） § 7、去除铝金属化或SiO2膜 § 8、芯片剖面分析（磨角染色） § 9、材料成份分析5、失效分析程序（续）四、总结整理分析数据和收集到的信息，写出完整 的失效分析报告提出改进措施5、失效分析程序（续）• 五、常规的失效分析程序• 1、电参数和功能测试 • 2、模拟实验 • 3、I-V曲线测试5、失效分析程序（续。