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電子元器件失效分析，由于#近在做這方面的事情，所以想跟大家一起來學(xué)習(xí)下，電子元器件失效狀況的分析，其實我們在工作中都會遇到有元器件失效的情況，一般需要借助相關(guān)工具或者儀器設(shè)備來分析，很多時候，我們遇到類似的情況時，有可能就把不良元件扔到垃圾桶了，今天我就跟大家來一起學(xué)習(xí)下，為什么要做元件失效分析以及探討下大家一般遇到類似情況下會怎么做？
目錄
一.失效分析的目的和意義
二.失效分析的基本內(nèi)容 
三.失效分析要求
四.主要失效模式及其分布
五.主要的失效的原因和定義
六.失效分析的主要順序
七.實例
八.控制失效模式的措施
九 .一般塑封器件分層預(yù)防措施
十.工藝質(zhì)量的控制措施

一.失效分析的目的和意義

失效分析的目的是借助各種測試分析技術(shù)和分析程序確認電子元器件的失效現(xiàn)象，分辨其失效模式和失效機理，并#終確認其失效原因，并提出改善設(shè)計和制造工藝的建議，防止失效的重復(fù)出現(xiàn)，提高元器件的可靠性，失效分析是產(chǎn)品可靠性工程中一個重要組成部分。
一般電子產(chǎn)品在研發(fā)階段，失效分析可糾正設(shè)計和研發(fā)階段的錯誤，縮短研發(fā)周期，在產(chǎn)品生產(chǎn)、測試和使用時期，失效分析可找出元件的失效原因與引起元件失效的責(zé)任方，并根據(jù)失效分析結(jié)果，改進設(shè)計，并完善產(chǎn)品，提高整機的成品良率和可靠性有重要意義。

二.失效分析的基本內(nèi)容
對于電子元件失效原因過程的診斷過程叫做失效分析，但是我們在進行失效分析的過程中，往往需要借助儀器設(shè)備，以及化學(xué)類手段進行分析，失效分析的主要內(nèi)容包括：明確分析對象，確認失效模式，判斷失效原因，研究失效機理，提出改善預(yù)防措施。
1.明確分析對象
失效分析首先要確認分析對象及失效發(fā)生的背景，在對失效產(chǎn)品的分析前需先了解失效發(fā)生時的情況，并確定在那個環(huán)節(jié)發(fā)生失效，如可能的話，#好是能詳細描述失效時的現(xiàn)象以及失效發(fā)生前后的變化，并確認產(chǎn)品是否真的失效，就像我們的產(chǎn)品在實驗室做實驗時，總會有不良狀況存在，只是我們在分析之前需要先了解產(chǎn)品具體發(fā)生失效的測試項目，具體在那個測試項目中發(fā)生失效，失效現(xiàn)象是怎么樣的。
2.確認失效模式
失效的表面現(xiàn)象或失效的表現(xiàn)形式就是失效模式，失效模式的確定通常采用兩種方式（這里只講元件的）電氣測試和顯微鏡觀察，根據(jù)測試，觀察到的現(xiàn)象與效應(yīng)進行初步分析，確定出現(xiàn)這些現(xiàn)象的可能的原因，或者與失效樣品的那一部分有關(guān)聯(lián)，通過外觀檢查，觀察樣品外觀標志是否完整，是否存在機械損傷，是否有腐蝕痕跡等，通過電氣測試判斷其電氣參數(shù)是否與原數(shù)據(jù)是否相符，分析失效的現(xiàn)象可能與失效產(chǎn)品哪一部分有關(guān)。
3.判斷失效原因
根據(jù)失效模式、失效元件材料性質(zhì)、制造工藝和制造經(jīng)驗，結(jié)合觀察到的失效的位置的大小，顏色，化學(xué)組成，物理結(jié)構(gòu)，物理特性等因素，參照失效發(fā)生的階段，失效發(fā)生的應(yīng)力條件和環(huán)境條件，提出可能導(dǎo)致失效的原因。失效的原因可能由一系列的原因造成，如設(shè)計缺陷，材料質(zhì)量問題，制程問題，運輸和儲藏問題，以及操作過載等。
4.研究失效機理
在確認失效機理時，需要選用有關(guān)分析，試驗和對觀測設(shè)備對失效樣品進行分析，驗證失效原因的判斷是否屬實，并且能夠把整個失效的順序與癥狀對照起來，也可以使用合格元件進行類似模擬破壞性試驗，并看能不能產(chǎn)生相似的失效現(xiàn)象，通過反復(fù)驗證，確認失效的真實原因所在。
5.提出預(yù)防措施及設(shè)計改進方法
根據(jù)分析判斷，提出消除產(chǎn)生失效的辦法和建議，及時的反饋到設(shè)計，工藝，使用者等各方面，以便控制以及杜絕失效現(xiàn)象的再次出現(xiàn)，一般需要大家對元件的材料，工藝，電路設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計，篩選方法和條件，使用方法和條件，質(zhì)量控制等方面有相當(dāng)強的了解。

三.失效分析要求
現(xiàn)在科技發(fā)展迅速，電子產(chǎn)品越來越小型化，復(fù)雜化，系統(tǒng)化，其他的功能越來越強大，集成度越來越高，體積越來越小，所以對于失效元件分析的要求越來越高，用于分析的失效的新技術(shù)，新方法，新設(shè)備越來越多，在實際的失效分析過程中，遇到的失效情況各不相同，可以根據(jù)失效分析的目的與實際，選擇合適的分析技術(shù)與方法，要做到模式準確，原因明確，機理清楚，措施得力，模擬再現(xiàn)，舉一反三。
1.模式準確
失效模式指的是失效外在直觀失效變現(xiàn)形式和過程規(guī)律，通常指測試或觀察到失效現(xiàn)象，失效形式，如開路，短路，參數(shù)漂移，功能失效等，需要我們做到的是將失效類型與失效性質(zhì)判斷準確，失效模式判斷應(yīng)先從失效的環(huán)境入手，失效的環(huán)境反應(yīng)了失效的外部環(huán)境，對確定失效的責(zé)任方有重要意義，失效環(huán)境包括：溫度，濕度，電源環(huán)境，元器件在電路圖的位置，作用，工作條件和偏置狀況。失效應(yīng)力包括：電應(yīng)力，溫度應(yīng)力，機械應(yīng)力，氣候應(yīng)力和輻射應(yīng)力，如樣品經(jīng)可靠性試驗而失效，需要了解樣品經(jīng)受試驗應(yīng)力種類和時間。失效發(fā)生期包括，失效樣品的經(jīng)歷和失效時間，失效發(fā)生階段，如研發(fā)，生產(chǎn)，測試，試驗，儲存，使用等。通常情況下，失效分析前需要先做電測，并針對失效樣品與正常樣品進行數(shù)據(jù)比對，并查看同一測試條件的情況下，數(shù)據(jù)的不同之處。
2.失效原因明確
失效原因的判斷通常是整個失效分析的核心和關(guān)鍵，對于確定失效機理，提出預(yù)防措施等均具有重要意義，失效原因通常是指造成電子元件失效的直接關(guān)鍵性因素，其判斷建立在失效模式判斷的基礎(chǔ)上，通過失效原因的分析判斷，確定造成失效的直接關(guān)鍵因素處于設(shè)計，材料，制造工藝，使用環(huán)境，失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)為確定電子元件失效原因提供重要依據(jù)，失效可分為早期失效，隨機失效和磨損失效，早期失效是由工藝缺陷，原材料缺陷，篩選遺漏引起，隨機失效是由整機開關(guān)的浪涌電流，靜電放電，過電損傷等，磨損失效主要由電子元件的自然老化引起。
3.分析到位，措施得力，模擬再現(xiàn)
失效分析是一個復(fù)雜，綜合性強的過程，不僅僅是需要失效工程師的分析，而且需要設(shè)計工程師，制造工程師的密切配合，其實為了得到合適的失效分析結(jié)果，需要具備幾個基本知識，保護實物證據(jù)，避免過多的加電測試，保證失效元器件在到達失效分析工程師手中時不受損傷，制定分析方案，確定失效現(xiàn)象等。

四.主要失效模式及其分布

五.主要的失效的原因和定義

主要的失效原因是物理與化學(xué)的過程，可能是設(shè)計上的弱點或者是制造工藝中形成的潛在缺陷，在某種應(yīng)力作用下發(fā)生失效。
1.機械損傷
機械損傷在電子元件制備電極及電極系統(tǒng)工藝中經(jīng)常出現(xiàn)，如果在成品中，存在金屬膜劃傷缺陷而未被剔除，則劃傷缺陷將是元器件潛在的失效因素，必將影響器件的長期可靠性。
2.結(jié)穿刺
結(jié)穿刺是指PN結(jié)界面處于一導(dǎo)電物所穿透，結(jié)穿刺通常導(dǎo)致PN結(jié)短路失效。
3.金屬化電遷移
當(dāng)元件在工作時，在電流的作用下，金屬離子沿導(dǎo)體移動，導(dǎo)體內(nèi)部某一部位出現(xiàn)空洞，這就是電遷移，產(chǎn)生電遷移的內(nèi)在因素為薄膜導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均勻化，外部因素為電流密度。
4.表面離子沾污
電子元件在制造過程和使用過程中，因芯片表面沾污了濕氣和導(dǎo)電物質(zhì)，或由于輻射電離，靜電荷積累等因素影響，在器件內(nèi)部氧化層表面產(chǎn)生正離子和負離子，在偏壓的作用下能沿表面移動，正離子聚集在負電極周圍，負離子聚集在正電極周圍，沾污嚴重時足以使芯片發(fā)生改變，引起表面漏電，擊穿，表面離子沾污還會引起金屬腐蝕，使的電極和封裝系統(tǒng)發(fā)生生銹、斷裂。
5.銀遷移
在電子元件儲存過程及使用中，空氣中存在濕氣，水分，導(dǎo)致其相對活潑的金屬銀離子發(fā)生遷移，導(dǎo)致短路，耐壓劣化，絕緣性能變差等失效。
6.過電應(yīng)力
電子元件在其參數(shù)指標中設(shè)定了使用時所承載的#大應(yīng)力，包括#高環(huán)境溫度，#大額定功率，#大工作電壓、電流、峰值電壓、#大輸入、輸出電流/電壓等，如果在使用過程中，所加的電應(yīng)力超過元件的#大應(yīng)力，即使是瞬間通過，也會對元件造成損傷，一般過電應(yīng)力分為過電壓和過電流兩種，在過電應(yīng)力作用下，電子元件局部形成熱點，當(dāng)溫度達到材料熔點時，會造成材料熔化，形成開路或者短路，導(dǎo)致元件失效。
7.靜電損傷
靜電失效分為兩種，潛在性失效和突發(fā)性失效，潛在性失效是指靜電的放電能量比較低，僅僅局限于元件內(nèi)部輕微損傷，放電后元件參數(shù)變化不大，但元件的抗過電壓能力已經(jīng)下降，使用壽命縮短，經(jīng)過一段工作時間后就會再次出現(xiàn)失效，而突發(fā)性失效是指元件在靜電放電損傷后，突然出現(xiàn)開路、短路或者參數(shù)漂移，這類表現(xiàn)明顯，也比較容易被發(fā)現(xiàn)。
對于電子材料來講，靜電分為過電壓場和過電流熱，過電壓場指的是高阻抗的靜電放電回路中，絕緣介質(zhì)兩端電極受到高靜電放電電荷而呈現(xiàn)高電壓，有可能使電極之間的電場超過其介質(zhì)臨界擊穿電場，使得電極之間介質(zhì)發(fā)生擊穿失效，過電壓場失效多發(fā)于MOS元器件以及雙極性電路和混合電路。過電流熱失效指的是在較低阻抗的放電回路中，由于靜電放電電流過大，使局部區(qū)域溫度溫升超過材料熔點溫度，導(dǎo)致材料發(fā)生局部熔融是元器件失效，過電流熱致失效多發(fā)生在雙極性元件，包括輸入用PN結(jié)保護的MOS電路，肖特基二極管以及含有雙極性元件的混合電路。

六.失效分析的主要順序
失效分析原則是*行非破壞性分析，后進行破壞性分析，先外部分析，后解剖分析，先了解失效的有關(guān)情況，比如說設(shè)計線路，應(yīng)力條件，失效現(xiàn)象，后分析元器件。
1.失效環(huán)境的了解
①產(chǎn)品數(shù)據(jù)、存貨量和儲存條件。
②工藝過程、外場使用情況與失效日期。
③產(chǎn)品在制造和裝配工藝過程中的工藝條件、交貨日期、條件和可接受的檢查結(jié)果，裝配條件和相同失效的有關(guān)記錄。
④電路條件、熱/機械應(yīng)力、操作環(huán)境，溫/濕度，室內(nèi)/外，失效前發(fā)生的操作。
⑤失效類型，特性變化，*失效或間歇性失效，失效比例和批次情況，失效的處于何種現(xiàn)象，無功能、參數(shù)漂移、開路、短路。
2.失效樣品的保護
由于機械損傷和環(huán)境腐蝕引起失效的結(jié)果，必須對元器件進行拍照保存其原始形貌，必須保證樣品在傳遞和存放過程中，不受環(huán)境、電和機械應(yīng)力的再一次損傷。

3.失效分析方案設(shè)計
失效方案設(shè)計的目的是為了有順序的選擇試驗項目，避免盲目性，避免失誤和覆蓋有關(guān)痕跡，可以節(jié)省時間，以便快速準確的找到失效的原因。
4.外觀檢查
外觀檢查需要通過肉眼來對失效元件與正常元件的差異，需要看失效元件上是否由灰塵、水跡、油跡、焊料痕跡、或者其他液體沾污，引起互連劣化和漏電，管腳有沒有氧化、硫化和缺陷，或者由壓力引起的引線斷開、機械引線損壞、封裝裂縫等。
5.電氣檢測
1.電特性測試，通過對失效元件電特性測試后，用來確定失效模式。
2.直流特性測試，通過儀器設(shè)備來測試樣品的直流特性，大規(guī)模集成電路中，寄生二極管的存在使電流的漂移跟不上等效電路的變化，測試需要參照合格品來測試。
3.失效模擬測試，如果在電特性與直流特性檢測不出來的情況下，需要進行使用條件的失效模擬測試。
6.應(yīng)力試驗分析
元件失效一般與應(yīng)力有關(guān)，包括溫度，電壓、電流、功率、濕度、機械振動、沖擊、熱沖擊、溫度循環(huán)等，可以通過應(yīng)力試驗評估產(chǎn)品的失效應(yīng)力分布，確定產(chǎn)品的失效應(yīng)力范圍。
7.故障模擬分析
一般模擬分析包含 模擬應(yīng)用分析，全溫度參數(shù)測試，瞬時短路、斷路的試驗分析，高溫和高濕電偏置試驗。
8.內(nèi)部分析
分為非破壞性的內(nèi)部分析和破壞性分析，內(nèi)部分析包含X射線檢查，聲學(xué)掃描檢查，殘留氣體檢查，密封性檢查，破壞性檢查包含開封，失效點定位，芯片鈍化層去除，物理分析，雜質(zhì)和合成物分析。
9.糾正措施
根據(jù)失效分析結(jié)果，提出防止再次發(fā)生失效的措施與建議。
10.結(jié)果驗證
失效結(jié)果正確與否，在實際應(yīng)用中會得到驗證，有利于采取有效措施防止類似失效再次發(fā)生，提高元件可靠性。

七.實例
一般集成封裝器件，主要的失效模式和相關(guān)的失效機理如下：
1.開路 (EOS、ESD、電遷移、應(yīng)力遷移、腐蝕、鍵合點脫落、機械應(yīng)力、熱變應(yīng)力)
2.短路（PN結(jié)缺陷、PN結(jié)穿釘、EOS、介質(zhì)擊穿、金屬遷移）
3.參漂（氧化層電荷、表面離子、芯片裂紋、熱載流子、輻射損傷）
4.功能失效（EOS、ESD）
實例一  浪涌損壞
樣品為整流橋，在實驗室做實驗過程中，突然失效，有輸入沒輸出，屬于功能失效，主要原因是，浪涌損壞，主要是過大的電源電壓使器件發(fā)生擊穿，形成短路，造成大電流，導(dǎo)致整流橋內(nèi)部電流過大，導(dǎo)致整流橋損壞。
樣品圖如下：

八.控制失效模式的措施

一般造成失效#常見的原因是過電應(yīng)力失效，具體包括過電壓，過電流，浪涌及靜電損傷，要避免與控制過電應(yīng)力失效，需要從以下幾個方面改進：

①.盡可能的了解器件的抗過電應(yīng)力，如抗過靜電損傷能力，工作極限電壓，工作極限電流，#高工作溫度等，可以從規(guī)格書或者供應(yīng)商處得到相關(guān)技術(shù)指標，也可抽樣按照相關(guān)標準檢測，例如抗靜電能力的評價試驗，只有知道相關(guān)的能力參數(shù)才能在使用過程中，采取針對性設(shè)計和防護措施，在條件允許的情況下，盡可能選擇抗過電應(yīng)力強的器件。
②.電路設(shè)計時，在滿足功能要求外，還須針對抗過電應(yīng)力進行相關(guān)的可靠性設(shè)計，滿足一定的可靠性設(shè)計，如在接口處設(shè)計靜電保護設(shè)計，電源端的抗過壓設(shè)計，以及抗浪涌設(shè)計，設(shè)計完成的電路應(yīng)進行相關(guān)的抗過電能力評價試驗，以便及時的修改設(shè)計，提高#終電路的抗過電應(yīng)力的能力。
③.浪涌，浪涌指的是電瞬變的過電應(yīng)力的一種，雖平均功率小，但瞬時功率很大，并且電浪涌的出現(xiàn)時隨機的，對電路中元件危害很大，所以在電路中，需要使用過流保護和過壓保護器件，提供過壓過流保護，防止電浪涌損傷元件。
④.器件的降額使用，在我們選取設(shè)計中，首先應(yīng)考慮元件的降額使用，并考慮到相關(guān)器件的散熱問題，同時在功能允許條件下，減少電路的輸入和輸出負荷，降低其工作頻率以減少功耗。
⑤.所有器件及線路板禁止帶電插拔，對使用人員進行靜電知識有關(guān)培訓(xùn)與考核，建立完整的防靜電控制程序，從包裝、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，消除一切可能產(chǎn)生靜電的事物，地板，測試儀器，PCB周轉(zhuǎn)箱，庫房等均為防靜電設(shè)計，保持室內(nèi)空氣的一定濕度，防止靜電在設(shè)備和身體上的大量累積，各種塑料和橡膠制品容易產(chǎn)生靜電，要避免使用，不能用尼龍的化纖制品，防止摩擦帶電。
⑥.遵守使用規(guī)程，確保使用可靠性，如加電次序，不應(yīng)帶電操作等。

九 一般塑封器件分層預(yù)防措施
塑封料和芯片及基板的分層也是導(dǎo)致塑封器件，尤其是表面貼片元件失效的常見原因，具體措施如下：
①.先了解塑封器件的回流焊耐濕敏等級，可以從廠商處處于相關(guān)的技術(shù)指標，也可按照相關(guān)標準進行試驗評定。
②.根據(jù)濕敏等級，對塑封器件存放的環(huán)境溫濕度進行相應(yīng)控制，并在回流焊過程中選擇適當(dāng)?shù)臏刈兯俾屎蜏刈兎秶?，避免和控制塑封器件可能發(fā)生的分層現(xiàn)象。
③.對存放時間和溫濕度環(huán)境超過敏感度等級標準的塑封集成電路，在回流焊工藝之前應(yīng)進行適當(dāng)?shù)母邷睾婵?，以排除可能吸附濕氣，防止或控制回流焊過程中塑封料和芯片及基板之間有分層現(xiàn)象。

十.工藝質(zhì)量的控制措施
①.首先要選擇合格的供應(yīng)商，要求供應(yīng)商的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量水平要達到一定的要求，并要求提供相關(guān)的工藝控制與產(chǎn)品質(zhì)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
②.對每種型號批次都應(yīng)進行質(zhì)量檢驗或者甄別，需要做一些相關(guān)的測試，常溫性能測試，高溫儲存，溫度循環(huán)，功率老化等。
③.對于每種型號批次應(yīng)抽樣進行破壞性試驗，通過簡便的技術(shù)手段快速有效的發(fā)現(xiàn)批次性工藝缺陷。

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