【導讀】隨著(zhù)人們對電子產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的要求不斷增加，電子元器件的可靠性不斷引起人們的關(guān)注，如何提高可靠性成為電子元器件制造的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文將對其中很重要的部分電子元器件的失效分析進(jìn)行詳細的闡述，內容包括電子元器件失效分析的目的和意義、失效分析的目的和意義、失效分析的基本內容、失效分析要求、主要失效模式及其分布、主要失效機理及其定義。
1 失效分析的目的和意義
電子元件失效分折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象，分辨其失效模式和失效機理，確定其最終的失效原因，提出改進(jìn)設計和制造工藝的建議。防止失效的重復出現，提高元器件可靠性。失效分折是產(chǎn)品可靠性工程的一個(gè)重要組成部分，失效分析廣泛應用于確定研制生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生問(wèn)題的原因，鑒別測試過(guò)程中與可靠性相關(guān)的失效，確認使用過(guò)程中的現場(chǎng)失效機理。
在電子元器件的研制階段。失效分折可糾正設計和研制中的錯誤，縮短研制周期；在電子器件的生產(chǎn)，測試和試用階段，失效分析可找出電子元器件的失效原因和引起電子元件失效的責任方。根據失效分析結果，元器件生產(chǎn)廠(chǎng)改進(jìn)器件的設計和生產(chǎn)工藝，元器件使用方改進(jìn)電路板設計，改進(jìn)元器件和整機的測試，試驗條件及程序，甚至以此更換不合格的元器件供貨商。因而，失效分析對加快電子元器件的研制速度，提高器件和整機的成品率和可靠性有重要意義。
失效分折對元器件的生產(chǎn)和使用都有重要的意義，如圖所列。
元器件的失效可能發(fā)生在其生命周期的各個(gè)階段。通過(guò)分析工藝廢次品，早期失效，實(shí)驗失效及現場(chǎng)失效的失效產(chǎn)品明確失效模式、分析失效機理，最終找出失效原因。因此元器件的使用方在元器件的選擇、整機計劃等方面，元器件生產(chǎn)方在產(chǎn)品的可靠性方案設計過(guò)程，都必須參考失效分折的結果。通過(guò)失效分折，可鑒別失效模式，弄清失效機理，提出改進(jìn)措施，并反饋到使用、生產(chǎn)中，將提高元器件和設備的可靠性。
2 失效分析的基本步驟
對電子元器件失效機理及原因的診斷過(guò)程叫失效分析。進(jìn)行失效分析往往需要進(jìn)行電測量并采用先進(jìn)的物理、冶金及化學(xué)的分析手段。失效分析的任務(wù)是確定失效模式和失效機理，提出糾正措施，防止重復出現。因此，失效分析的主要內容包括：明確分析對象、確定失效模式、判斷失效原因、研究失效機理、提出預防措施（包括設計改進(jìn))。
2.1 明確分析對象
失效分析首先是要明確分析對象及失效發(fā)生的背景。失效分析人員應該了解失效發(fā)生時(shí)的狀況，確定失效發(fā)生在設計，生產(chǎn)，檢測，儲存，傳送或使用的哪個(gè)階段，了解失效發(fā)生時(shí)的現象及失效發(fā)生前后的操作過(guò)程。在條件許可的情況下，盡可能的復現失效。
2.2 確定失效模式
失效的表面現象或失效的表現形式就是失效模式。失效模式的確定通賞采用兩種方法，即電學(xué)測試和顯微鏡現察。根據測試、觀(guān)察到的現象與效應進(jìn)行初步分析，確定出現這些現象的可能原因，或者與失效樣品的哪一部分有關(guān)；同時(shí)通過(guò)立體顯微鏡檢查失效樣品的外觀(guān)標志是否完整，是否存在機械損傷，是否有腐蝕痕跡等；通過(guò)電特性測試，判斷其電參數是否與原始數據相符，分析失效現象可能與失效樣品中的哪一部分有關(guān)；利用鏡像顯微鏡和掃描電子顯微鏡等設備觀(guān)察失效部位的形狀，大小，位置，顏色，機械和物理結構，物理特性等，準確的描述失效特征模式。失效模式可以定位到電（如直流特性、漏電）或物理（如裂紋、侵蝕）失效特征，根據失效發(fā)生時(shí)的條件（如老化、靜電放電、環(huán)境），結合經(jīng)驗知識，區分失效位置，減少診斷失效機理要求的工作量。
2.3 判斷失效原因
根據失效模式，失效元器件的材料性質(zhì)、制造工藝理論和經(jīng)驗，結合觀(guān)察到的相應失效部位的形狀、大小、位置、顏色以及化學(xué)組成、物理結構、物理特性等因素，參照失效發(fā)生的階段、失效發(fā)生時(shí)的應力條件和環(huán)境條件，提出可能的導致失效的原因。失效可能由一系列的原因造成，如設計缺陷，材料質(zhì)量問(wèn)題，制造過(guò)程問(wèn)題、運輸或儲藏條件不當，在操作時(shí)的過(guò)載等，而大多數的失效包括一系列串行發(fā)生的事件。對一個(gè)復雜的失效，需要根據失效元器件和失效模式列出所有可能導致失效的原因，確定正確的分析次序，并且指出哪里需要附加的數據來(lái)支撐某個(gè)潛在性因素。失效分析時(shí)根據不同的可能性，逐個(gè)分折，最終發(fā)現問(wèn)題的根源。
2.4 研究失效機理
對于失效機理的研究是非常重要的，需要更多的技術(shù)支撐。
在確定失效機理時(shí)，需要選用有關(guān)的分析、試驗和觀(guān)測設備對失效樣品進(jìn)行仔細分析，驗證失效原因的判斷是否屬實(shí)，并且能把整個(gè)失效的順序與原始的癥狀對照起來(lái)，有時(shí)需要用合格的同種元器件進(jìn)行類(lèi)似的破壞實(shí)驗，觀(guān)察是否產(chǎn)生相似的失效現象。通過(guò)反復驗證，確定真實(shí)的失效原因，以電子元器件失效機理的相關(guān)理論為指導。對失效模式、失效原因進(jìn)行理論推理，并結合材枓性質(zhì)、有關(guān)設計和工藝理論及經(jīng)驗，提出在可能的失效條件下導致該失效模式產(chǎn)生的內在原因或具體物理化學(xué)過(guò)程。如存可能,更應以分子、原了學(xué)觀(guān)點(diǎn)加以闡明或解釋。
2.5 提出預防措施及設計改進(jìn)方法
根據分析判斷。提出消除產(chǎn)生失效的辦法和建議，及時(shí)地反饋到設計、工藝、使用單位等各個(gè)方面，以便控制乃至完全消除失效的主要模式的出現。
3 失效分析要求
隨著(zhù)科技水平的發(fā)展和工藝的進(jìn)歩.電子產(chǎn)品越來(lái)越微型化、復雜化和系統化，而其功能卻越來(lái)越強大，集成度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小。隨著(zhù)科技的發(fā)展各種新材料、新器件也不斷出現，對失效分析的要求也越來(lái)越高；用于失效分析的新技術(shù)，新方法和新設備也越來(lái)越多。但在實(shí)際的失效分析過(guò)程中，遇到的樣品多種多樣，失效情況也各不相同。因此，根據失效分析的目的與實(shí)際，選擇合適的分析技術(shù)與方法，從大到小，從外到內，從非破壞到破壞，從定性到定量，使失效分析迅速、準確、可靠。
電子元器件失效分析的就是要做到模式準確、原因明確、機理清楚、措施得力、模擬再現、舉一反三。
3.1 模式準確
如前所述，失效模式是指失效的外在直觀(guān)失效表現形式和過(guò)程規律，通常指測試或觀(guān)察到的失效現象、失效形式。如開(kāi)路、短路、參數漂移、功能失效等。模式準確，就是要將失效的性質(zhì)和類(lèi)型判斷準確。
失效模式的判斷應首先從失效環(huán)境的分析入手，細心收集失效現場(chǎng)數據。失效現場(chǎng)數據反映了失效的外部環(huán)境，對確定失效的責任方有重要意義。有些看來(lái)與現場(chǎng)無(wú)直接關(guān)系的東西可能是決定性的。例如,失效現場(chǎng)數據表明，工作人操作無(wú)誤，供電系統正常，而整機上的器件出現了早期失效，說(shuō)明元器件生產(chǎn)廠(chǎng)應對元器件失效負責，應負責整改，排除工藝缺陷，提高產(chǎn)品可靠性。
收集失效現場(chǎng)數據主要包括：失效壞境、失效應力、失效發(fā)生期、失效現象及過(guò)程和失效樣品在失效前后的電測量結果。
失效環(huán)境包括：溫度、濕度、電源環(huán)境，元器件在電路圖上的位置、作用，工作條件和偏置狀況。
失效應力包括：電應力、溫度應力、機械應力、氣候應力和輻射應力。如樣品經(jīng)可靠性試驗而失效，需了解樣品經(jīng)受實(shí)驗的應力種類(lèi)和時(shí)間。
失效發(fā)生期包括：失效樣品的經(jīng)歷、失效時(shí)間、失效發(fā)生的階段，如研制、生產(chǎn)、測試、試驗、儲存、使用等。
3.2 原因明確
失效原因的判斷通常是整個(gè)失效分析的核心和關(guān)鍵，對于確''定失效機理，提出預防措施具有總要的意義。
失效原因通常是指造成電子元器件失效的直接關(guān)鍵性因素，其判斷建立在失效模式判斷的基礎上。通過(guò)失效原因的分析判斷，確定造成失效的直接關(guān)鍵因素處于設汁、材料、制造工藝、使用及環(huán)境的哪―環(huán)節。
失效現場(chǎng)數據為確定電子元器件的失效原因提供了重要線(xiàn)索。失效可分為早期失效、隨機尖效和磨損失效。而早期失效主要由工藝缺陷、原材料缺陷、篩選不充分引起。隨機失效主要由整機開(kāi)關(guān)時(shí)的浪涌電流、靜電放電、過(guò)電損傷引起。磨損失效主要由電子元器件自然老化引起。根據失效發(fā)生期，可估計失效原因，加快失效分析的進(jìn)度。此外，根據元器件失效前或失效時(shí)所受的應力種類(lèi)和強度，也可大致推測失效的原因，加快失效分析的進(jìn)程。如下圖：
然而失效原因的確定是相當復雜的,其復雜性表現為失效原因具有的一些特點(diǎn)。如原因的必要性、多樣性、相關(guān)性、可變性和偶然性，需要綜合多方面情況及元器件特點(diǎn)進(jìn)行。
3.3 機理清楚
失效機理是指失效的物理、化學(xué)變化過(guò)程。微觀(guān)過(guò)程可以追溯到原子、分子尺度和結構的變化，但與此相對的是它遲早也要表現出一系列宏現（外在的）性能，性質(zhì)變化，如疲勞、腐蝕和過(guò)應力等。失效機理是對失效的內在本質(zhì)、必然性和規律性的研究，是人們對失效內在本質(zhì)認識的理論提高和升華。
失效原因通?？梢苑譃閮纫蚝屯庖騼煞N.失效機理就是失效的內因。它是導致電子元器件發(fā)生失效的物理、化字或機械損傷過(guò)程。失效機理研是失效的深層次內因或內在本質(zhì).即釀成失效的必然性和規律性的研究。要清楚地判斷元器件失效機理就必須對其失效機理有所了解和掌握。如在集成電路中金屬化互連系統可能存在著(zhù)電遷移和應力遷移失效，這兩種失效的物理機制是不同的，產(chǎn)生的應力條件也是不同的。對于失效機理的研究和判斷需要可靠性物理方面的專(zhuān)業(yè)知識。
3.4 措施得力，模擬再現，舉一反三
措施得力，模擬再現，舉一反三是建立在前面對失效模式、失效原因和失效機理深入分折和準確把握的基礎上。當然制定預防措施也應考慮長(cháng)遠的手段和產(chǎn)品使用問(wèn)題。以及工程上的可行性、經(jīng)濟性等方面。模擬再現則要分折模擬的可能性和必要性，同時(shí)， 隨著(zhù)計算機技術(shù)的高速發(fā)展，計算機模擬仿真也成為模擬再現的一個(gè)重要手段。
失效分析是一個(gè)復雜的、綜合性的過(guò)程.它不僅僅只是失效分析工程師的工作.而且需要設計工程師、制造工程師、使用工程師的密切配合。只有在各個(gè)方面的團結協(xié)作下，才能找到產(chǎn)品失效的真實(shí)原因，準確判斷其失效機理，揭示引起產(chǎn)品失效的過(guò)程，起到改進(jìn)產(chǎn)品設計，提高產(chǎn)品固有可靠性和使用可靠性目的。
另外，為了得到一個(gè)成功的失效分析結果，避免犯一些常見(jiàn)的錯誤，所有可能涉及失效現象處理的人，都應該具備—些處理故障現象的基本知識。
1、保護實(shí)物證據
2、避免過(guò)多的加電測試
3、保證失效元器件在到達失效分析工程師之前不再受到損傷
4、制定失效分析方案
5、確定失效現象
6、失效分析的基本
失效分析應遵循先光學(xué)后電學(xué)、先面后點(diǎn)、先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)、先非破壞后破壞、先一般后特殊、先公用后專(zhuān)用、先簡(jiǎn)單后復雜、先主要后次要的基本原則，反復測試、認真比較。同時(shí)結合電子元器件結構、工藝特點(diǎn)進(jìn)行分析，避免產(chǎn)生錯判、誤判。
4 主要失效模式及其分布
電子元器件的種類(lèi)很多，相應的失效模式和失效機理也很多?？傮w來(lái)說(shuō)，電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造，試驗，運輸，儲存和使用等過(guò)程中發(fā)生的。與原材料、設計、制造、使用密切相關(guān)。
5 失效的主要機理及其定義
失效機理是指引起電子元器件失效的實(shí)質(zhì)原因，即引起電子元器件失效的物理或化學(xué)過(guò)程.通常是指由于設計上的弱點(diǎn)（容易變化和劣化的材料的組合）或制造工藝中形成的潛在缺陷，在某種應力作用下發(fā)生的失效及其機理。
為了通過(guò)物理、化學(xué)的方法分析失效發(fā)生的現象，理解和解釋失效機理，需要提供模型或分析問(wèn)題的思維方法，這就是失效物理模型。元器件的失效物理模型大致分為反應論模型、應力強度模型、界限模型、耐久模型、積累損傷（疲勞損傷）模型等.如下表所列。對于半導體元器件來(lái)說(shuō).失效機理通常有兩種失效物理模型：反應論模型和應力強度模型。
失效機理是電子元器件失效的物理或化學(xué)本質(zhì)，從研究原始缺陷或退化進(jìn)入失效點(diǎn)的物理過(guò)程。進(jìn)一步確定導致失效的表面缺陷、體缺陷、結構缺陷。確定電學(xué)、金屬學(xué)、化學(xué)及電磁學(xué)方面的機理。電子元器件種類(lèi)繁多，導致失效的機理也很多，不同失效機理對應的失效摸式不一樣。甚至相問(wèn)的失效機在不同電子元器件導致的失效模式都不一樣，因此需要在失效分析時(shí)認真對待,嚴格區分。
5.1 機械損傷
機械損傷在電子元器件制備電極及電機系統工藝中經(jīng)常出現，如果在元器件的成品中，存在金屬膜的劃傷缺陷而末被剔除，則劃傷缺陷將是元器件失效的因素，必將影響元器件的長(cháng)期可靠性。
5 .2 結穿刺（結尖峰）
結穿刺即指PN結界面處為一導電物所穿透。在硅上制作歐姆接觸時(shí)，鋁-硅接觸系統為形成良好的歐姆接觸必須進(jìn)行熱處理，這時(shí)鋁與硅相連接是通過(guò)450-550攝氏度熱處理后在分立的點(diǎn)上合金化形成的。在該合金化溫度范圍內，硅在鋁的固溶度很大，但鋁在硅中的固溶度要低很多，固溶度之差導致界面上的硅原子凈溶解在鋁中，同時(shí)界面上的鋁也擴散到硅中填充硅中的空位。這就是在鋁膜加工過(guò)程中，發(fā)生由于硅的局部溶解而產(chǎn)生的鋁“穿刺”透入硅襯底問(wèn)題的問(wèn)題。結穿刺經(jīng)常導致PN結短路失效。
5.3 鋁金屬化再結構
由于鋁與二氧化硅或硅的熱膨脹系數不匹配，鋁膜的熱膨脹系數比二氧化硅或者硅大，黨元器件在間歇工作過(guò)程中，溫度變化或者高低溫循環(huán)試驗時(shí)，鋁膜要受到張應力和壓應力的影響，會(huì )導致鋁金屬化層的再結構。鋁金屬化層再結構經(jīng)常表現為鋁金屬化層表面粗糙甚至表面發(fā)黑，顯微鏡下可見(jiàn)到表面小丘、晶須或皺紋等。
5.4 金屬化電遷移
當元器件工作時(shí)，金屬互連線(xiàn)的鋁條內有一定強度的電流流過(guò)，在電流作用下，金屬離子沿導體移動(dòng)，產(chǎn)生質(zhì)量的傳輸，導致導體內某些部位產(chǎn)生空洞或晶須（小丘）這就是電遷移現象。在一定溫度下，金屬薄膜中存在一定的空位濃度，金屬離子熱振動(dòng)下激發(fā)到相鄰的空位，形成自擴散。在外電場(chǎng)作用下.金屬離子受到兩種力的作用，一種是電場(chǎng)使金屬離子由正極向負扱移動(dòng)，一種是導電電子和金屬離子間互相碰撞發(fā)生動(dòng)量交換而使金屬離子受到與電子流方向一致的作用力，金屬離子由負極向正極移動(dòng)，
這種作用力俗稱(chēng)“電子風(fēng)”。對鋁、金等金屬膜，電場(chǎng)力很小，金屬離子主要受電子風(fēng)的影響，結果使金屬離子與電子流一樣朝正極移動(dòng)，在正極端形成金屬離子的堆積，形成晶須，而在負極端產(chǎn)生空洞，使金屬條斷開(kāi)。
產(chǎn)生電遷移失效的內因是薄膜導體內結構的非均勻性，外因是電流密度。
5.5 表面離子沾污
在電子元器件的制造和使用過(guò)程中，因芯片表面沾污了濕氣和導電物質(zhì)或由于輻射電離、靜電電荷積累等因素的影響，將會(huì )在二氧化硅氧化層表面產(chǎn)生正離子和負離子，這些離子在偏壓作用下能沿表面移動(dòng)。正離子聚積在負電極周?chē)?，負離子聚積在正電極周?chē)?，沾污嚴重時(shí)足以使硅表面勢壘發(fā)生相''當程度的改變。這些外表面可動(dòng)電荷的積累降低了表面電導，引起表面漏電和擊穿蠕變等；表面離子沾污還會(huì )造成金屬的腐濁，使電子元器件的電極和封裝系統生銹、斷裂。
5.6 金屬的腐蝕
當金屬與周?chē)慕橘|(zhì)接觸時(shí)，由于發(fā)生化學(xué)反應或電化學(xué)作用而引起金屬的破壞叫做金屬的腐蝕。在電子元器件中，外引線(xiàn)及封裝殼內的金屬因化學(xué)反應或電化學(xué)作用引起電性能惡化直至失效，也是主要的失效機理。
根據金屬腐蝕過(guò)程的不同特點(diǎn)，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。金屬在干燥氣體或無(wú)導電性的非水溶液中，單純由化學(xué)作用而引起的腐蝕就叫做化學(xué)腐蝕，溫度對化學(xué)腐蝕的影響很大。當金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，由電化學(xué)作用而引起的腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕，其特點(diǎn)是形成腐蝕電池，電化學(xué)腐蝕過(guò)程的本質(zhì)是腐蝕電池放電的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，金屬通常作為陽(yáng)極，被氧化而腐蝕，形成金屬氧化物，而陰極反應則跟據腐蝕類(lèi)型而異，可發(fā)生氫離子或氧氣的還原，析出氫氣或吸附氧氣。
5.7 金鋁化合物失效
金和鋁兩種金屬，在長(cháng)期儲存和使用后，因它們的化學(xué)勢不同，它們之間能產(chǎn)生金屬間化合物，如生成AuAl2，AuAl，Au2Al等金屬間化合物。這幾種金屬間化合物的晶格常數、膨脹系數、形成過(guò)程中體積的變化、顏色和物理性質(zhì)是不同的，且電導率較低。AuAl3淺金黃色，AuAl2呈紫色，俗稱(chēng)紫斑， Au2Al呈白色.稱(chēng)白斑，是一種脆性的金屬間化合物，導電率低，所以在鍵合點(diǎn)處生成了Au-Al間化合物之后，嚴重影響相惡化鍵合界面狀態(tài)，使鍵合強度降低，變脆開(kāi)裂，接觸電阻增大等，因而使元器件出現時(shí)好時(shí)壞不穩定現象，最后表現為性能退化或引線(xiàn)從鍵合界面處脫落導致開(kāi)路。
5.8 柯肯德?tīng)栃?/div>
在A(yíng)u-Al鍵合系統中，若采用金絲熱壓焊工藝，由于在高溫（300攝氏度以上）下，金向鋁中迅速擴散。金的擴散速度大于鋁的擴散速度，結果出現了在金層—側留下部分原子空隙，這些原子空隙自發(fā)聚積，在金屬間化合物與金屬交界面上形成了空洞，這就是可肯德?tīng)栃?，?jiǎn)稱(chēng)柯氏效應。當可肯德?tīng)柨斩丛龃蟮揭欢ǔ潭群?，將使鍵合界面強度急劇下降，接觸電阻增大，最終導致開(kāi)路?？率峡斩葱纬蓷l件首先是Au-Al系統，其次是溫度和時(shí)間。
5.9 銀遷移
在電子元器件的貯存及使用中，由于存在濕氣、水分，導致其中相對活潑的金屬銀離子發(fā)生遷移，導致電子設備中出現短路，耐壓劣化及絕緣性能變壞等失效。銀遷移基本上市一種電化學(xué)現象，當具備水分和電壓的條件時(shí)，必定會(huì )發(fā)生銀遷移現象?？諝庵械乃指皆陔姌O的表面，如果加上電壓，銀就會(huì )在陽(yáng)極處氧化成為帶有正電荷的銀離子，這些離子在電場(chǎng)作用下向陰極移動(dòng)。在銀離子穿過(guò)介質(zhì)的途中，銀離子被存在的濕氣和離子沾污加速，通常在離子和水中的氫氧離子間發(fā)生化學(xué)反應，形成氫氧化銀，在導體之間出現乳白色的污跡，最后在陰極銀離子還原析出，形成指向陽(yáng)極的細絲。
5.10 過(guò)電應力
電子元器件都在其參數指標中設定了使用時(shí)所能承受的最大應力，包括最高工作環(huán)境溫度或殼溫，最大額定功率，最大工作電壓、電流，峰值電壓，最大輸入、輸出電流、電壓等。如果在使用時(shí)所加的電應力超過(guò)了元器件規定的最大應力.即使是瞬間超過(guò)，也將造成電子元器件的損傷，這種電應力就稱(chēng)為過(guò)電應力，其造成的損傷主要表現為元器件性能?chē)乐亓踊蚴スδ?。過(guò)電應力通常分為過(guò)壓應力和過(guò)流應力。在過(guò)電應力作用下，電子元器件局部形成熱點(diǎn)，當局部熱點(diǎn)溫度達到材料熔點(diǎn)時(shí)使材料熔化，形成開(kāi)路或短路，導致元器件燒毀。
5.11 二次擊穿
二次擊穿是指當元器件被偏置在某一特殊工作點(diǎn)時(shí)（對于雙極型晶體管，是指V平面上的一點(diǎn)），電壓突然跌落，電流突然上升的物理現象，這時(shí)若無(wú)限流裝置及其它保護措施，元器件將被燒毀。凡是有雜質(zhì)濃度突變的元器件（如PN結等）都具有二次擊穿的現象，二次擊穿是一種體內現象，對于雙極型器件，主要有熱不穩定理論（熱模式）和雪崩注入理論（電流模式）兩種導致二次擊穿的機理。對于MOS元器件，誘發(fā)二次擊穿的機理是寄生的雙極晶體管作用。
5.12 閂鎖效應
閂鎖效應是CMOS電路中存在的一種特殊的失效機理。所謂閂鎖（latch-up）是指CMOS電路中固有的寄生可控硅結構被觸發(fā)導通，在電源和地之間形成低阻大電流通路的現象CMOS電路的基本邏輯單元是由一個(gè)P溝道MOS場(chǎng)效應管和一個(gè)N溝道MOS場(chǎng)效應管以互補形式連接構成，為了實(shí)現N溝道MOS管與P溝道MOS管的隔離,必須在N型襯底內加進(jìn)一個(gè)P型區（P阱）或在P型襯底內加進(jìn)一個(gè)N型區（N阱），這樣構成了CMOS電路內與晶閘管類(lèi)似的PNPN四層結構，形成了兩個(gè)寄生的NPN和PNP雙極晶體管。在CMOS電路正常工作狀態(tài)時(shí)，寄生晶體管處于截止狀態(tài)。對CMOS電路的工作沒(méi)有影響，如CMOS電路的輸入端、輸出瑞、電源端或者地端受到外來(lái)的浪涌電壓或電流，就有可能使兩只寄生晶體管都正向導通，使得電源和地之間出現強電流。這種強電流一開(kāi)始流動(dòng)，即使除去外來(lái)觸發(fā)信號也不會(huì )中斷，只有關(guān)斷電源或將電源電壓降到某個(gè)值以下才能解除，這種現象就是CMOS電路的閂鎖效應。
5.13 靜電損傷
處于不同靜電電位的兩個(gè)物體間發(fā)生的靜電電荷轉移就形成了靜電放電，這種靜電放電將給電子元器件帶來(lái)?yè)p傷，引起產(chǎn)品失效。電子元器件由靜電放電引發(fā)的失效可分為突發(fā)性失效和潛在性失效兩種模式，突發(fā)性失效是指元器件受到靜電放電損傷后，突然完全喪失其規定的功能，主要表現為開(kāi)路、短路或參數嚴重漂移；潛在性失效是指靜電放電電能量較低，僅在元器件內部造成輕微損傷，放電后元器件的電參數仍然合格或略有變化，但元器件的抗過(guò)電應力能力已明顯削弱，或者使用壽命已明顯縮短，再受到工作應力或經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作后將進(jìn)一步退化，直至造成徹底失效。
靜電放電失效機理可分為過(guò)電壓場(chǎng)致失效和過(guò)電流熱致失效。過(guò)電壓場(chǎng)致失效是指高阻抗的靜電放電回路中，絕緣介質(zhì)兩端的電極因接受了高靜電放電電荷而呈現高電壓，有可能使電極之間的電場(chǎng)超過(guò)其介質(zhì)臨界擊穿電場(chǎng)，使電極之間的介質(zhì)發(fā)生擊穿失效，過(guò)電壓場(chǎng)致失效多發(fā)生于MOS元器件，包括含有MOS電容的雙極型電路和混合電路；過(guò)電流熱致失效是由于較低阻抗的放電回路中，由于靜電放電電流過(guò)大使局部區域溫升超過(guò)材料的熔點(diǎn)，導致材料發(fā)生局部熔融使元器件失效，過(guò)電流熱致失效多發(fā)生于雙極元器件，包括輸人用PN結二極管保護的MOS電路、肖特基二極管以及含有雙極元器件的混合電路。
5.14 介質(zhì)的擊穿機理
介質(zhì)擊穿，從應用角度可分為自愈式擊穿和毀壞性擊穿。自愈式擊穿是局部點(diǎn)擊穿后，所產(chǎn)生的熱量將擊穿點(diǎn)處的金屬蒸發(fā)掉，使擊穿點(diǎn)自行與其他完好的介質(zhì)隔離；毀壞性擊穿是金屬原子徹底侵入介質(zhì)層，使其絕緣作用完全喪失。根據引起擊穿的原因之可將介質(zhì)擊穿分為非本征擊穿和本征擊穿兩種：前者是在介質(zhì)中的氣孔、微裂縫、灰塵、纖維絲等疵點(diǎn)附近，因氣體放電、等離子體、電孤、電熱分解等引起的擊穿；后者是外加電場(chǎng)超過(guò)了介質(zhì)材料的介電強度引起的擊穿。無(wú)論是非本征擊穿還圮本征擊穿，按其本質(zhì)來(lái)看，則均可能歸結于電擊穿、熱擊穿或熱點(diǎn)反饋造成的熱電擊穿。
5.15 與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB)
TDDB是影響MOS元器件長(cháng)期可靠性的一種重要的失效機理，當對二氧化硅薄膜施加低于本征擊穿場(chǎng)強的電場(chǎng)強度后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì )發(fā)生介質(zhì)擊穿現象，這就是與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿。它的擊穿機理，可以分為兩個(gè)階段：第一階段是建立階段，在高電場(chǎng)、高電流密度應力的作用下，氧化層內部發(fā)生電荷的積聚，積累的電荷達到某一程度后，使局部電場(chǎng)增高到某一臨界值；第二階段實(shí)在熱或電的正反饋作用下，迅速使氧化層擊穿，氧化層的壽命由第一階段中電荷的累計時(shí)間確定。
5.16 熱栽流子效應
所謂熱載流子，是指其能量比費米能寄大幾個(gè)KT以上的載流子，這些載流子與晶格處于熱不平衡狀態(tài)，載流子的溫度超過(guò)了晶格溫度。 熱載流子的能量達到或超過(guò)Si-SiO2界面勢壘的能量時(shí)，便會(huì )注入到SiO2中去，產(chǎn)生界面態(tài)、氧化層陷阱或被氧化層中陷阱所俘獲，由此產(chǎn)生的電荷積累引起元器件電參數不穩定。表現為MOS元器件的閾值電壓漂移或跨導值降低，雙極元器件的電流增益下降，PN結擊穿電壓蠕變，使元器件性能受到影響，這就是熱載流子效應。
5.17“爆米花效應”
“爆米花效應”是指塑封元器件塑封材料內的水汽在高溫下受熱膨脹，是塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應，拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開(kāi)路失效。塑封元器件是以樹(shù)脂類(lèi)聚合物材料封裝的，其中的水汽包括封裝時(shí)殘留于元器件內部、表面吸附，經(jīng)材料間的縫隙滲入及外界通過(guò)塑料本身擴散進(jìn)入。
5.18 軟誤差
電子元器件的封裝材料（如陶瓷管殼，作樹(shù)脂填充劑的石英粉等）中含有微量元素鈾等放射性物質(zhì)，它們衰變時(shí)會(huì )放出高能射線(xiàn)。當這些射線(xiàn)或宇宙射線(xiàn)照射到半導體存儲器上時(shí)，引起存儲數據位的丟失或變化，在下次寫(xiě)入時(shí)存儲器又能正常工作，它完全是隨機的發(fā)生，隨意把這種數據位丟失叫軟誤差。引起軟誤差的根本原因是射線(xiàn)的電離效應。
總結
失效分析的過(guò)程由分析者的主觀(guān)能動(dòng)性開(kāi)始，首先充分了解失效分析現場(chǎng)，搜集失效經(jīng)過(guò)的信息，判斷失效的可能原因與機理，并選擇以上描述的失效分析技術(shù)中的一項或者多項對猜想給與驗證或否定，并實(shí)時(shí)修改猜想的失效原因與機理，重復驗證與否定過(guò)程，直至得出結論。
失效分析全過(guò)程以分析者的主觀(guān)判斷為基礎，輔以各種實(shí)驗手段，給出所做猜想肯定或否定的證據，并最終得到結論。
