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半导体器件失效分析

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，制订纠正和改进措施。加强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。

半导体器件与使用有关的失效十分突出，占全部失效器件的绝大部分。进口器件与国产

器件相比，器件固有缺陷引起器件失效的比例明显较低，说明进口器件工艺控制得较好，固

有可靠性水平较高。

1.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。

2.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，还可顺利通过老炼、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，导致芯片在合不好，焊料氧化发黑，导致芯片在磁成形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