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电子元器件失效分析技术电子元器件失效分析技术JankyWolfJankyWolf2007/11/72007/11/7整理整理PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com第一讲第一讲失效物理的概念失效物理的概念PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com失效的概念失效的概念ll失效定义失效定义11特性剧烈或缓慢变化特性剧烈或缓慢变化22不能正常工作不能正常工作ll失效种类失效种类11致命性失效：如过电应力损伤致命性失效：如过电应力损伤22缓慢退化：如缓慢退化：如MESFETMESFET的的IDSSIDSS下降下降33间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com失效物理的概念失效物理的概念ll定义：研究电子元器件失效机理的学科定义：研究电子元器件失效机理的学科ll失效物理与器件物理的区别失效物理与器件物理的区别ll失效物理的用途失效物理的用途PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com失效物理的定义失效物理的定义ll定义：研究电子元器件失效机理的学科定义：研究电子元器件失效机理的学科ll失效机理：失效的物理化学根源失效机理：失效的物理化学根源ll举例：金属电迁移举例：金属电迁移PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com金属电迁移金属电迁移ll失效模式：金属互连线电阻值增大或开路失效模式：金属互连线电阻值增大或开路ll失效机理：电子风效应失效机理：电子风效应ll产生条件：电流密度大于产生条件：电流密度大于10E5A/cm210E5A/cm2高温高温ll纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，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、平面化工艺降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com失效物理与器件物理的区别失效物理与器件物理的区别ll撤销应力后电特性的可恢复性撤销应力后电特性的可恢复性ll时间性时间性PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com失效物理的用途失效物理的用途11失效分析：确定产品的失效模式、失效机失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现理，提出纠正措施，防止失效重复出现22可靠性评价：根据失效物理模型，确定模可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性拟试验方法，评价产品的可靠性PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com可靠性评价的主要内容可靠性评价的主要内容ll产品抗各种应力的能力产品抗各种应力的能力ll产品平均寿命产品平均寿命PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com失效物理模型失效物理模型ll应力－强度模型应力－强度模型失效原因：失效原因：应力应力强度强度强度随时间缓慢减小强度随时间缓慢减小如如::过电应力（过电应力（EOSEOS）、）、静电放电（静电放电（ESDESD）、）、闩锁闩锁（（latchup)latchup)ll应力－时间模型（反应论模型）应力－时间模型（反应论模型）失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超差。失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳如金属电迁移、腐蚀、热疲劳PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com应力－强度模型的应用应力－强度模型的应用ll器件抗静电放电（器件抗静电放电（ESDESD））能力的测试能力的测试PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com温度应力－时间模型温度应力－时间模型kTEAedtdM-=T高，反应速率大，寿命短E大，反应速率小，寿命长PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com温度应力的时间累积效应温度应力的时间累积效应)(00ttAeMMkTEt-=--失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com与力学公式类比与力学公式类比mFdtdv=kTEAedtdM-=)(00ttAeMMkTEt-=--)(00ttFmvmvt-=-PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com失效物理模型小结失效物理模型小结ll应力－强度模型与断裂力学模型相似，不应力－强度模型与断裂力学模型相似，不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效和致命性失效，失效过程短，特性变化快和致命性失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显，属剧烈变化，失效现象明显ll应力－时间模型（反应论模型）与牛顿力应力－时间模型（反应论模型）与牛顿力学模型相似，考虑激活能和时间效应，适学模型相似，考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显用于缓慢退化，失效现象不明显PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com应力－时间模型的应用：预计元器应力－时间模型的应用：预计元器件平均寿命件平均寿命ll11求求激活能激活能EE2211lnlnln)exp(kTEBLkTEBLkTEBLkTEAL+=+=+==LnL1LnL21/T21/T1BPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com预计平均寿命的方法预计平均寿命的方法ll22求加速系数求加速系数FF))11(exp()exp()exp(12121122TTkELLFkTEALkTEAL-====))11(exp()exp()exp(12121122TTkELLFkTEALkTEAL-====设定高温为T1,低温为T2,可求出FPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com预计平均寿命的方法预计平均寿命的方法ll由由高温寿命高温寿命L1L1推算常温寿命推算常温寿命L2L2llF=L2/L1F=L2/L1ll对指数分布对指数分布llL1=MTTF=1/L1=MTTF=1/λλllλλ失效率失效率试验时间初始时间未失效元件数数试验时间内失效的元件失效率＝×PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com温度应力－时间模型的简化：十度温度应力－时间模型的简化：十度法则法则ll内容：从室温算起，温度每升高内容：从室温算起，温度每升高1010度，寿度，寿命减半。命减半。ll应用举例：推算铝电解电容寿命应用举例：推算铝电解电容寿命105C105C，，寿命寿命1000h1000h（（标称值）标称值）55C,55C,寿命寿命1000X2E5=32000h1000X2E5=32000h35C35C，，寿命寿命1000X2E7=128000h1000X2E7=128000h=128000/365/24=14.81=128000/365/24=14.81年年PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com小结小结失效物理的定义：研究电子元器件失效机理失效物理的定义：研究电子元器件失效机理的学科的学科失效物理的用途：失效物理的用途：11失效分析：确定产品的失效模式、失效机失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现理，提出纠正措施，防止失效重复出现22可靠性评价：根据失效物理模型，确定模可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性拟试验方法，评价产品的可靠性PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com第二讲第二讲阻容元件失效机理阻容元件失效机理PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电容器的失效机理电容器的失效机理ll电解电容电解电容ll钽电容钽电容ll陶瓷电容陶瓷电容ll薄膜电容薄膜电容PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电解电容的概况电解电容的概况ll重要性：多用于电源滤波，一旦短路，后重要性：多用于电源滤波，一旦短路，后果严重果严重ll优点：电容量大，价格低优点：电容量大，价格低ll缺点：寿命短，漏电流大，易燃缺点：寿命短，漏电流大，易燃ll延长寿命的方法：降温使用，选用标称温延长寿命的方法：降温使用，选用标称温度高的产品度高的产品PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电解电容的标称温度与寿命的关系电解电容的标称温度与寿命的关系标称温度（℃）85105125标称温度寿命（h)100010001000工作温度（℃）353535工作温度寿命(h)1000X2E51000X2E71000X2E9320001280009120003.65年14.6年59.26年PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电解电容的失效机理和改进措施电解电容的失效机理和改进措施ll漏漏液：电容减小液：电容减小阳极氧化膜损伤难以修补，漏电阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。流增大。ll短路放电：大电流烧坏电极短路放电：大电流烧坏电极ll电源反接：大电流烧坏电极，阴极氧化，电源反接：大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜增厚，电容量下降绝缘膜增厚，电容量下降ll长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。修补，漏电流增大。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电解电容的阳极修复功能电解电容的阳极修复功能Al＋OH－PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com改进措施改进措施降温使用，不做短路放电，电源不反接，经常通电PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com固体钽电容固体钽电容ll过流过流烧毁烧毁ll正负极反接正负极反接PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com陶瓷电容陶瓷电容电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增大PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com陶瓷电容陶瓷电容ll银银迁移引起边缘漏电和介质内部漏电迁移引起边缘漏电和介质内部漏电PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com第三讲第三讲微电子器件失