基于微电子器件的可靠性分析
微电子器件的可靠性优化研究 张馨予
微电子器件的可靠性优化研究张馨予摘要：电子产品的高技术性能和高可靠性是电子技术发展相互支撑的两个方向。
随着微电子器件的性能越来越优异，功能越来越齐全，结构越来越复杂，所用微电子器件越来越多，微电子器件已从过去的基础技术，跃升为现代的核心技术。
基于对大量的电子整机故障统计分析，微电子器件失效在整机故障分布中占很大比例。
所以，在不断提高电子产品技术性能指标的要求下，要保障微电子器件的可靠性。
文章将根据微电子器件可靠性影响因素，提出几点优化措施。
关键词：微电子器件；可靠性；优化1影响微电子器件可靠性的因素分析1.1电迁移现象在强大的直流电流激励下，微电子器件中的金属原子会发生移动迁移，这就是电迁移现象。
在电迁移过程中，金属原子的移动方向一般与电流的方向相同，这就会使金属原子向着阳极移动，造成阴极出现金属空洞，而阳极出现金属原子堆积，当阴阳极金属量出现差异时，即会造成阴极金属截面积减小的情况发生，造成线路阴极处的阻值增大，降低微电子器件的运行速度，同时在工作时，因内部线路电阻值上升，造成局部的放热量上升，易导致线路熔毁现象出现，最终造成电气失效。
1.2静电放电在微电子器件的使用实践中可以发现，约有三分之一的失效是由静电放电导致，对传统的放电器件的影响也很小。
但是，随着现代化化的电子产品不断发展，静电放电这一问题也受到了研究人员的广泛关注。
在高密度的现代化电子产品中，静电放电的磁场会对电子产品造成严重的影响，通常表现为产品的内存数据丢失或者是产品设定自动复原等，这就造成了电子器件很难进行使用。
根据相关数据统计，在现代电子产品的使用过程中，大约有四分之一的器件都受到了静电放电的影响，静电放电现象已然成为了电子器件损坏的最大“元凶”。
在静电放电的过程中，很容易会造成电器受到直接损伤的现象，电流会对电器中的某个部件进行影响从而使之失效。
另外，如果电子器件经常在静电放电的情况下进行运作，会造成内部的器件温度升高，甚至可能会出现金属融化的现象。
基于层次分析法的微电子产品封装可靠性能模糊综合评判
３ 微 电子封 装产 品可 靠性模 糊 评价
为了进一步 的对微 电子产 品进行优化开发 ，在产 品设计
阶段要考虑到封装可靠性 ，由此可 以利用模糊评价方法对封 装 可 靠 性进 行模 糊 评 价 。本 文选 用 微 软公 司开 发 的一 款
ｆ １ ３ １
１
料 间扩散和枝状 晶体生长 等化 学过程引起的气孔走线和互连 断裂 、 复合 膜 、 桥、 梁 等结 构失效等故障 ， 主要 包括腐蚀失效和
金属问扩散 。机械失效主要有疲劳损伤 、 机械磨损 、 机械蠕变
Ｊ
将ｕ ， 的两个子 因素 ｕ ｕ 进行 比较 ， 得到判断矩阵 ：
部热效应引起 的热应力 和应变 导致 的失效 ，主要包括热疲劳 断裂 、 热胞 陛断裂 、 热蠕变 、 热 塑形变形和热分层断裂 。 电失效 最主要 的有静电放电和电迁移。 化学失效是 由于化学反应 、 材
１ ／ ６ ｌ １ １ １ １ ／ ２ １ １
将Ｕ 的两个 子因素 ｕ ． 、 ｕ 进行 比较 ， 得到判断矩阵 ：
（ ２ ） 判断矩阵建立。 通过综合性 能评价指标体系每层因素 两两进行 比较 ， 建立判断矩阵 。 根据 １ ￣ ９标度法原则确定 判断 尺度 。例如 ，元素 ｉ 相对于元素 ｊ 的重要性 比例标度为 ａ 此 时， 元素 ｊ 相对于元素 ｉ 的重要性 比例标度 ａ ｉ ｉ ＝１ ／ ａ 。 。这样 ， 根
和界面分层等。因此 ， 文章将从热 、 机械 、 电气和化学 ４个方面 评 价电产品微系统封装 的可靠性 ， 评价体系如图 ３ 所示 。 电子 产品可靠性综 合性能评价指标体系分两个层 次，第一层 为总 目标 因素集 Ｕ＝｛ １ ５ 、 Ｕ ２ 、 Ｕ ３ 、 Ｕ ｝ ； 第二层为 子 目标 因素集 Ｕ， ＝
微电子封装中的可靠性设计与优化研究
微电子封装中的可靠性设计与优化研究微电子封装是现代电子技术中重要的环节，可靠性是该领域研究的关键问题。
本文将从可靠性设计与优化的角度出发，探讨微电子封装中的可靠性问题，并提出相应的研究方向和优化策略。
一、微电子封装中的可靠性问题微电子封装是将微电子芯片、集成电路与外部介质进行物理连接和保护的过程。
在封装过程中，由于温度、湿度、机械应力等外部环境因素的影响，以及封装材料的特性限制，微电子封装可能存在以下可靠性问题：1. 焊接可靠性：封装过程中，焊接是连接芯片和外部引脚的重要方式。
焊点的质量直接影响到整个封装的可靠性。
焊点可能出现冷焊、开裂、疏松等问题，从而引起芯片与引脚的断裂，甚至导致器件失效。
2. 热传导问题：微电子封装中，芯片产生的大量热量需要通过封装材料传导和散热。
若散热不良，会导致芯片温度过高，降低器件的可靠性和寿命。
3. 封装材料的降解：封装材料因长期暴露在恶劣环境下，可能会出现老化、腐蚀、电学性能下降等问题，进而影响封装的可靠性和性能。
4. 微结构效应：微电子封装中，芯片和封装材料之间存在微结构效应，如针对封装材料的热膨胀系数不匹配，可能引起应力集中，导致微裂纹的产生和扩展，最终导致器件失效。
二、可靠性设计与优化的研究方向针对微电子封装中的可靠性问题，需要进行可靠性设计与优化的研究。
以下是几个研究方向的介绍：1. 封装材料的选择与设计：选择合适的封装材料对于提高微电子封装的可靠性至关重要。
研究人员需要综合考虑材料的热导率、机械强度、阻尼特性等因素，设计出能够满足封装要求并具备良好可靠性的材料。
2. 计算机辅助工程与模拟仿真：借助计算机辅助工程软件和模拟仿真技术，可以对微电子封装进行虚拟建模和仿真分析。
通过分析封装过程中的热传导、应力分布等问题，提前发现潜在的可靠性问题，并采取相应措施进行改进。
3. 焊接工艺的优化：焊接是微电子封装过程中容易产生可靠性问题的环节之一。
优化焊接工艺参数，控制熔化焊料的温度、时间、流动性等因素，能够降低焊接过程中的应力和热应变，提高焊接的可靠性。
电子产品可靠性设计分析方法
➢设计人员注重元器件旳功能与性能，不关心其“质量等级”；
➢元器件旳采购缺乏“质量等级”概念“，渠道不畅、不稳；
➢元器件旳使用：近二分之一旳元器件失效并非因为元器件本 身旳固有可靠性不高，而是因为使用者对元器件选择不当或使 用有误。航天部半导体器件失效分析中心旳统计数字：
年份
1989
比例（%） 61
使用失效的比例
ESS 旳应用 及效益
HEWLITT 台式计算机
现场维修次数 降低50%
电子燃料喷射系统
外场故障从23.5% 降到8%
A-A17惯导系统
内场故障 降低43%
元器件旳筛选
➢筛选旳原则与难点
–原则：既要剔除不合格旳产品、又不能将好旳产品弄坏 –难点：筛选时旳措施、应力大小和时间
➢筛选旳种类
–一次筛选（筛选）、二次筛选（目旳：筛选应力不够、针对性 差、检验） –器件筛选、电路板筛选设备级筛选
➢国内元器件旳质量等级
半导体集成电路质量系数等级
质量等级
质量要求说明
质量要求补充说明 πQ
执行 GJB597-88《微电路总规范》且经军 A1 用电子元器件质量认证合格的 S 级产品
执行 GJB597-88，且经军用电子元器件质
A2 量认证合格的 B 级产品
A
执行 GJB4589.1-84《半导体集成电路总
设计手册 ) ➢ 环境应力筛选(GJB1032-90，电子产品环境应力
筛选措施 )
电子元器件旳选择与使用
➢ 为何要控制选择与正确使用电子元器件
➢ 电子元器件旳质量等级
➢ 元器件旳选择控制 • 目旳 • 原则 • 管理
➢ 元器件旳正确使用
为何要控制电子元器件旳选 择与正确使用
半导体器件可靠性与失效分析微电子
半导体器件可靠性与失效分析微电子半导体器件可靠性与失效分析是微电子领域的重要课题。
半导体器件的可靠性是指在一定的使用环境和使用条件下，器件在规定时间内能够正常工作的概率。
而失效（Failure）是指器件不能在规定的时间内正常工作。
半导体器件的可靠性与失效分析旨在通过对器件的性能和可靠性进行评估和分析，找出器件失效的原因，并提出相应的改进措施，从而提高器件的可靠性。
1.可靠性评估：通过一系列实验和测试，评估器件在特定环境和使用条件下的可靠性。
常见的可靠性评估方法包括寿命测试、温度循环测试、湿度测试、可靠性建模等。
通过这些评估手段，可以得到器件的失效概率和失效的规律，进而为改进器件的设计和制造提供依据。
2.失效分析：失效分析是通过对失效的器件进行物理和电学特性分析，找出失效的原因和机制。
常见的失效分析方法包括显微镜观察、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱分析(EDX)、微动电压测量、故障注入方法等。
通过失效分析可以确定故障位置和失效原因，为改进器件的设计和制造提供指导。
3.失效模式与机制研究：失效模式与机制的研究是指通过理论和实验手段，研究器件失效的模式和机制。
通过对失效模式和机制的研究，可以了解器件失效的根本原因，并提出相应的改进措施。
例如，晶体管的漏电流增加、介质击穿等都是半导体器件失效的常见模式和机制。
4.退化机制分析：半导体器件的寿命会随着使用时间的增加而发生退化，导致器件性能下降甚至失效。
退化机制分析是指通过实验和测试，研究器件在使用过程中的退化机制。
常见的退化机制包括电子迁移、电子捕捉、热失效等。
通过退化机制分析可以确定退化的原因，为延长器件寿命提供参考。
半导体器件的可靠性与失效分析对于微电子行业具有重要的意义。
高可靠性的器件可以减少电子产品的故障率，提高产品的性能和稳定性。
同时，通过对失效原因和机制的研究，可以指导器件的设计和制造，提高器件的可靠性和寿命。
因此，半导体器件的可靠性与失效分析是微电子领域一个重要的研究方向，也是推动微电子技术发展的关键之一。
半导体器件可靠性与失效分析微电子
半导体器件可靠性与失效分析微电子
1.功能失效：指器件不能按照设计要求正常工作，如逻辑门无法实现
正确的逻辑功能。
2.电气失效：指器件发生电气故障，如短路、开路、漏电等。
3.热失效：由于器件内部寄生电阻、封装散热不良等原因，导致器件
温度升高，超过其承受范围，从而导致失效。
4.机械失效：指器件由于外力作用或压力过大等原因，发生物理损坏，如断裂、划伤等。
5.等离子体效应：在高电压或高频环境下，会产生等离子体，从而对
半导体器件产生有害影响。
为提高半导体器件的可靠性，需要进行失效分析，以了解器件失效的
原因
1.失效模式分析：对不同类型的失效进行分类和描述，以便查找相应
的失效原因。
2.加速寿命测试：通过在高温、高电压、高湿度等恶劣条件下进行长
时间测试，模拟器件在实际使用中的环境，加速失效过程，以便提前发现
问题。
3.失效分析方法：包括光学显微镜、电子显微镜、故障定位分析、X
射线衍射等多种方法，用于观察器件失效的具体细节，并找出失效的原因。
4.剖析和分析失效原因：通过对失效器件的分析和试验，找出失效的
原因和机理，如晶体缺陷、金属线断裂等。
5.提高设计和工艺：根据失效分析结果，改进器件的设计和工艺，以
提高器件的可靠性。
总之，半导体器件可靠性与失效分析在微电子领域中具有重要的意义，它不仅能提高半导体器件的可靠性，还能为微电子系统的设计和制造提供
理论指导和实践经验。
随着技术的进一步发展，可靠性和失效分析将继续
成为微电子行业的研究热点。
电子元器件可靠性测试
电子元器件可靠性测试电子元器件是现代科技中不可或缺的重要组成部分。
为了确保电子设备的良好运行，可靠性测试是非常重要的。
本文将从可靠性测试的定义、意义、测试方法以及测试标准等方面展开论述。
一、可靠性测试的定义与意义可靠性测试是指对电子元器件进行长期运行测试，以验证其在规定的工作环境下能够稳定、可靠地工作的能力。
通过可靠性测试，可以提前发现元器件的故障情况，确保产品的质量和可靠性，减少由于元器件故障带来的损失和安全隐患。
可靠性测试的意义在于提供了对电子元器件质量的判断依据，为产品的设计和改进提供参考。
只有通过可靠性测试，才能全面了解元器件的性能稳定性和耐久性，为产品的研发和生产提供技术支持。
二、可靠性测试的方法1. 加速寿命测试：在实验室中，通过模拟产品在实际使用条件下的工作环境，进行长时间的运行测试，以加速元器件的老化过程，从而评估其寿命和可靠性。
2. 温度循环测试：通过将元器件在高温和低温之间进行循环变化，模拟元器件在极端温度环境下的工作情况，评估其在温度变化下的性能稳定性和可靠性。
3. 湿热循环测试：将元器件暴露在高温高湿的环境中，模拟产品在高湿环境下的使用情况，测试元器件的耐湿热性能。
4. 机械振动测试：通过模拟产品在运输和使用中的震动环境，测试元器件在振动条件下的可靠性和稳定性。
5. 冲击测试：在实验室中模拟产品受到的各种冲击条件，如机械冲击、电击等，测试元器件的抗冲击性能。
三、可靠性测试的标准为了保证可靠性测试的准确性和可比性，需要依据一定的标准进行测试。
下面介绍几种常用的可靠性测试标准：1. MIL-STD-883：美国军用标准，在军事领域广泛应用，用于评估电子元器件的可靠性和耐久性。
2. JEDEC标准：电子行业标准组织，制定了一系列关于电子元器件可靠性测试的标准，涵盖了不同类型和用途的元器件。
3. IPC标准：国际电子组装行业协会，制定了一系列关于电子组装和连接技术的标准，其中包括了可靠性测试的相关内容。
集成电路的工作原理及可靠性分析
电子技术 • Electronic Technology86 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering 【关键词】集成电路 半导体集成电路 静电放电 可靠性1 集成电路的工作原理及组成结构集成电路，一般简称IC ，英文名为integrated circuit ，它是一种新型、微型的电子元件或者零部件。
通常情况下集成电路采用一种特定的工艺方法，把很多的微电子元件集成到一个硅片上，一般这些电子元件包括晶体管、二极管、电容电阻、电感等，现如今基本所有集成电路的都是以硅作为基础材料，再在其基础上通过扩散或者渗透的工艺方法让其形成N 型、P 型的半导体或者P-N 结。
让其在电路板上结合其他元器件一起来完成一些特定功能的电路模块，比如说一些我们平时生活中常见的一些承担运算、导电、存储功能的电子设备。
人们把集成电路也称作半导体集成电路，因为一般的集成电路的基板都是半导体材料，然后再在基板上把把至少一个有源元件或者更多的元件相互之间连接到一起，让其完成一些特定功能的元器件。
它们一般通过半导体材料所特有的电子空穴导电能了来进行通电，让电流通过半导体上的引线和引脚来进行输入或者输出电流信号，完成半导体集成电路的索要完成的特定功能。
人们一般认为集成电路是罗伯特•诺伊思（在硅（Si ）的基础上发明的集成电路）和杰克•基尔比（在锗（Ge ）的基础上发明的集成电路）发明的。
而后随着集成电路的一步步持续改进，现如今市面上大多数的的半导体集成电路都是在硅的基础上进行生产的，一般集成电路的工作原理及可靠性分析文/陈海彬情况下半导体的工艺过程是氧化→光刻→扩散→外延→蒸铝，然后形成集成电路所需要的半导体材料，把另外一些所需要的二极管、电容、电阻等元器件再焊接到加工好的特定的半导体材料上，就加工成了我们所需要的一些半导体集成电路。
它们会有各种各样的样式，比如有扁平式的、圆壳式的、双列直插式的等等，而且它们所实现的功能也是各种各样。
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基于微电子器件的可靠性分析
发表时间：2016-11-08T10:25:33.353Z 来源：《电力设备》2016年第16期作者：宋健
[导读] 若夹断层的热载流子与声子碰撞，热载流子会进入到栅氧化层，引起阀值电压飘逸，造成整个电路性能的缺失或不灵敏。
（潍坊科技学院）
摘要：近年来人们对于电子器件的要求越来越高，集成度要求高，造成电流密度的增加，对电子元件的耐压和公路容量的要求也在提高。
集成度高，电流密度增加，最频繁的工作量下，其器件的热分布也会有很大的变化，会造成电子元件的失效甚至损坏。
加强电子元件的可靠性，成为越来越重要的命题。
本文针对微电子器件的可靠性进行了分析。
关键词：基于微电子器件的可靠性分析
随着电子信息产业的发展越来越快，微电子技术水平不断提高，对于微电子技术来说，电子产品的微型化，需要材料的支持，随着电子产品的缩小，相关物件想要达到一定的性能，会受到物理条件的制约，但微电子器件又需要朝着高集成度、高速度、高可性等方向发展，功能要求也需要日益强大。
这就需要提高微电子器件的可靠性，保证电子产品的正常运行。
1影响微电子器件可靠性的主要因素
1.1热载流子效应，影响微电子器件的可靠性
热载流子效应是影响微电子电路失效的重要因素之一。
集中度过高，造成电流密度的增加，器件中电荷的分布被改变，导致器件性能灵敏度下降甚至失效。
与此同时，热载流子效应会对集成电路的集成度及电路和器件的可靠性造成影响。
产生雪崩倍增效应、阀值电压飘逸、MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)性能退化、寄生晶体管效应。
雪崩倍增效应产生于热载流子与价电子之间的碰撞，一般在小尺寸的MOSFET中，因为源一漏电压的升高以及沟道长度的变化，夹断层会相应的产生变化。
若夹断层的热载流子与声子碰撞，热载流子会进入到栅氧化层，引起阀值电压飘逸，造成整个电路性能的缺失或不灵敏。
1.2金属化和点的迁移，也会影响微电子器件的可靠性
金属原子发生扩散和迁移的物理现象是电迁移。
电迁移使得原子不断的聚集，另一侧则形成空洞，原子的聚集造成导电截面的缩小，于此同时导电截面的缩小又造成原子的聚集，最终导致器件完全的失效。
直流电在电子器件中作用于金属，会引起金属中离子位置的变动，这种电迁移现象，首先表现的是电阻的变化，进而影响金属膜局部出现破洞，或者是局部金属膜的堆积，造成电路的连线或者完全失效，影响器件的使用时间。
在我们日常生活中会碰到的静电，在电子器件中也存在，并会对器件可靠性造成影响。
静电放电在传统的微电子器件中相对能量较小，可能造成的后果和影响并不明显，一般不被人觉察，但是在高密度的微电子器件中，因为电流密度的倍增，可能造成的静电远远超过了传统的微电子器件，在高密度的微电子器件中，因为静电电场变化和静电放电电流会引起微电子器件内部各个部分失衡，导致设备无法正常运转。
静电放电直接或者间接地都会对电子器件本身造成伤害。
直接损伤由电流产生的功耗引起，它会熔化器件的一部分造成故障，电子器件无法正常运转，影响设备的部分功能，或使设备无法正常工作。
温度是造成电子器件出现问题的直接原因，但是造成其温度变化的正是静电放电，造成器件内部原子分布问题，电离子移动、聚集，同时静电放电本身也会产生散热对器件造成永久性的伤害。
焦耳热是因为静电放电造成的后果，焦耳热产生的温度上升会使金属膜融化，当到达一定熔点，精密的电子器件中的长丝可能会被击断，导致开路，更为严重的情况是，结漏电流会同时使得结细丝、结尖刺及其金属都被融化。
与此同时，静电放电还可能在绝缘层发生作用，发生绝缘层的击穿。
潜在损伤因为电荷的变化导致器件晶体管电流电压的变化，使电路出现退化，但是整个器件并不会出现功能的失效，只是器件内部电路的退化，但是潜在的损害，在我们发现问题时，更加的难以处理，因为我们并不能确定到底是哪个部分出现的问题。
2栅氧化层及栅氧击穿
因为微电子技术向微型化发展造成基层电路细微化，栅氧化层越来越薄，而电源电压却保持定值，这就对栅氧化层提出了新的要求。
如果栅氧化层的导电性能和抗电性能出现问题，那么整个电子器件的安全性都将成为突出问题。
这个模型图可以看出有关氧化层TDDB的问题，正确的认识氧化层的寿命。
3微电子器件可靠性的提升措施
3.1抑制热载流子效应，由上文所述我们已经知道热载流子产生的原因及如何对电子器件造成损害。
针对其原因，①要对电子器件的制作和设计提高要求。
减少漏结附近的电场，可使热载流子发射的可能性降低。
要改善栅氧化层的质量，②采用更加先进的技术，有效的降低热载流子的陷进密度及俘获截面，减少原子被截留的数量，进而减少由于热载流子进入到栅氧化层而对器件性能的影响。
③采用新的结构模式，如低掺杂漏结构等，可提高击穿电压，减少可能会发生碰撞的电离。
④可在电路和版画设计上采取如采用钳位器件或适当增大宽长比等措施。
3.2改善金属化问题，首先要解决界面效应，因为器件性能的提高，热电应力在器件金属化单位面积上不断增大，导致金属与金属、金属与半导体之间的界面扩散及反应的几率增大或许会形成金属与金属的高阻化合物，上层金属穿过阻挡层进人半导体中也可能使器件漏电增大或结短路。
因此，界面效应成为目前急需解决的问题。
解决界面效应最有效的方法是选择一个合适的阻挡层。
事实上，为了防止金属与金属以及金属与半导体的反应及扩散，引人了金属阻挡层。
TiN熔点高，热稳定性和化学稳定性好，有极高的硬度和较低的电阻率，干法
和湿法刻蚀工艺成熟，与硅的粘附性较好，因此是一种高性能的阻挡层材料。
其次要利用其合金效应、覆盖效应和回流效应，有效的增强电子器件的可靠性。
处理合金效应可以在Al中加入少量的铜改进电迁移寿命，另外，事先在AL中加人少量Si可以减小互溶，这样不仅提高了Al的电迁移寿命，还解决了Al-Si由于界面互溶而引起的短路失效问题。
所以人们将两者结合，采用Al-Si-Cu合金，发现Al的电迁移寿命显著增加，并且限制了Al、Si的互溶。
在金属膜上加上覆盖介质，可以增强薄膜的抗电迁徙能力，提高调制传递函数。
结语
总之，电子信息产业的发展越来越快，成为世界第一大产业。
微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，其体积小、重量轻、工作速度快、可靠性高，作为电子信息产业的重要基础，其重要性越来越突出。
与此同时，保障微电子器件的可靠性的重要性也就越来越突出。
微电子电子器件的可靠性受到热载流子效应、金属化和点的迁移、静电放电、栅氧化层及栅氧击穿等方面的影响，针对这些问题需要不断的发现新材料，发展新技术，不断创新思维，真正切实的保障电子器件的可靠性，提高相关设备工作效率。
参考文献
[1]史保华.微电子器件可靠性[M].西安电子科技大学出版社，1999.
[2]江清明,何小琦,杨春晖,周继承.集成电路可靠性电迁移评估技术[J].电子质量.2006(08)
[3]陈荣枝.微电子器件的可靠性研究[J].能源研究与信息，2014，30（1）.
[4]周小刚.浅谈微电子器件静电损伤的测试[J].山东工业技术.2013(11)
作者简介：
宋健，19861103，男，汉族，山东省潍坊市，助教，单位：潍坊科技学院.。