微電子器件可靠性習題

1、微電子器件可靠性習題第一、二章數(shù)學基礎1微電子器件的可靠性是指產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內；完成規(guī)定功能的能力。2產品的可靠度為R(t) 、失效概率為 F(t) ，則二者之間的關系式為 R(t)+F(t)=1 。3描述微電子器件失效率和時間之間關系的曲線通常為一“浴盆”，該曲線明顯分為三個區(qū)域，分別是早期失效期、 偶然失效期和 耗損失效期 。4表決系統(tǒng)實際上是并聯(lián)（串聯(lián)、并聯(lián)）系統(tǒng)的一種。5 設構成系統(tǒng)的單元的可靠度均為R，則由兩個單元構成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為R2；由兩個單元構成的并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為2R-R 2。6產品的可靠度為R(t) 、失效概率密度為f(t) ，則二者之間的關系式為。f(t

2、)=R (t)7微電子器件的可靠度是指產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內；完成 規(guī) 定 功能的 概率。8產品的可靠度為R(t) 、失效概率密度為f(t) ，失效率 (t) ，則三者之間的關系式為f(f)= (t)R(t)。29設構成系統(tǒng)的單元的可靠度均為R，則由兩個單元構成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為；R由兩個單元構成的并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為2R-R2；由三個單元構成的 2/3(G) 表決系統(tǒng)的可靠度為 3R 2-2R 3。10 100 塊 IC，在第 100 小時內失效數(shù)為6 塊，到第 101 小時失效11 塊，則該 IC 在 100小時的失效概率密度是6/100，失效率是5/94。（給出分數(shù)形式即可） 。（

3、2 分）11產品的可靠度降低到0.5 時，其工作時間稱為中位壽命 ，可靠度降低到1/e 時，其工作時間稱為特征壽命。12 (t)是一個比較常用的特征函數(shù)，它的單位用1/h，也常用 %/1000h 或 10-9/h，后者稱為菲特（ Fit）， 100 萬個器件工作1000h 后只有一個失效率，即1Fit 。13失效率單位有三種表示方法：1/h、 %/1000h 、（非特 Fit） 10-9/h。通?？捎妹啃r或每千小時的百分數(shù)作為產品失效的單位。對于可靠性要求特高的微電子器件產品，常用Fit作為基準單位， 1 個非特所表示的物理意義是指10億個產品，在1 小時內只允許有一個產品失效，或者說每千小

4、時內只允許有百萬分之一的失效概率。14在 t=0 時，有 N=100件產品開始工作，在t=100 小時前有兩個失效，而在100-105 小時內失效1 個，失效概率密度f （100） =1/5*100 ，失效率 (100)=1/5*98 ，假如到 t=1000小時前有51 個失效，而在 1000-1005 小時內失效1 個，此時 f（ 1000）=1/5*100 ， (1000)=1/5*49 。15一臺電視機有1000 個焊點， 工作 1000 小時后檢查100 臺電視機，發(fā)現(xiàn)有兩點脫焊，則焊點的失效率（ t=0 ）為 (0)=2/1000* （ 105-0） =2*10-8/ 小時 =20

5、非特一、簡答和證明（滿分14 分）1） 什么是失效概率密度f(t) ？（ 2 分）2） 什么是失效率 (t) ？（ 2 分）3） 已知失效概率密度f(t) 是失效概率 F(t) 的微商，證明f(t) 和 (t) 之間的關系式為(t)f (t )。（ 10 分）1F (t)專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。答題要點：1) 失效概率密度是指產品在 t 時刻的單位時間內發(fā)生失效的概率。2) 失效率是指在時刻 t 尚未失效的器件，在單位時間內失效的概率。3) 方法一：設 N 個產品從t=0 時刻開始工作，到t 時刻有 n(t) 個產品失效，到t+t 時刻有 n(t+t)個產品失效，則失效率可表示為：f(

6、t )F(t)F(tt) - F(t)tn(tt) - ( n(t) )NtNnNt(tn(tt) - n(t)(N - n(t)tn( N - n(t) t于是n(tt) - ( n(t) )f(t)NNtnnN - n(t)N t(N - n(t)t N(t)R(t)即方法二：在 t 時刻完f(t)f(t)(t)1- F(t)R(t)好的產品，在 t,t+t 時間內失效的概率為：P ttt |t在單位時間內失效的概率為：(t ,P ttt |t)t顯然事件 t包含事件 ttt ，即若事件 ttt 發(fā)生，則必導致事件發(fā)生。 t所以有 (ttt )(ttt ) (t)根絕概率的乘法公式P（ A

7、B ）=P(A)P(B|A)得：專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。Pttt |tP( ttt (t)P tttPtPt于是：(t ,P tttF (tt )F (t)t)t PttPtlim(t , t)limF (tt )F (t)1f (t)f (t )0tPtR(t )R(t)1F (t)t 0t二、（滿分 10 分）1) 設構成系統(tǒng)的單元的可靠度均為 R，其壽命相互獨立。分別推導出由兩個單元串聯(lián)和并聯(lián)構成的系統(tǒng)的可靠度； (6 分 )答題要點：1)設兩個單元的壽命分別為1 , 2 ，系統(tǒng)的壽命為S 。則串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為RS (t)PstP mint1inPP1t, 2t1t P2tR

8、1R2由于 R1=R 2=R所以 RS=R2設并聯(lián)系統(tǒng)的失效分布函數(shù)為FS（ t）FS (t) PstPmaxt1inP1t, 2tP1t P2t(1R 1)(1R2 )1 2R R 2于是，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為RS（t）=1-F(t)=R 2-2R第三章失效物理1 微電子器件中熱載流子的產生可以有3 種方式，它們產生的載流子分別稱為溝 道 熱 載 流子、 襯底熱載流子 和 雪崩熱載流子。（ 3 分）2電遷移的失效模式一般可以有3 種，分別為短路、斷路 和 參數(shù)退化。專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。3目前公認的在 Si-SiO 2 界面 SiO2 一側存在的四種電荷為：固定氧化層電荷、 可動電荷

9、、 界面陷阱電荷和 氧化層陷阱電荷。4 在外界熱、電、機械應力作用下，發(fā)生在微電子器件內部及界面處的物理和化學變化及效應會引起器件的失效，因此稱之為失效物理。5由于輻射使DRAM 存儲單元發(fā)生存儲信息錯誤，稱之為軟誤差。三、（滿分 20 分）1） 畫圖說明pnp 晶體管中Si-SiO 2 界面的 Na+對反偏 BC 結漏電流的影響； （10 分）2） 右圖是 Si-SiO 2 界面存在 Na+，且 BC 結反偏時，反向漏電流雖反向電壓的變化曲線，解釋圖中曲線 1、曲線 2 的形成原因？（ 10 分）答題要點：1) 如下圖所示， 當氧化層中的 Na+ 全部遷移到 Si-SiO 2 界面時， 可以

10、使 P 區(qū)表面反型，形成溝道漏電，引起器件擊穿。半導體表面反型以后，反型層和原襯底之間構成一個pn 結，叫場感應結（相對于摻雜過程所形成的冶金pn 結）。這樣 npn 晶體管 BC 結的有效面積增大，實際結面積除了原來的冶金結外，還應該加上因表面電場感應的場感應結面積。所以，pn 結總的反向漏電流增大。2) 當施加反向偏壓時， 場感應結將產生反向漏電， 但溝道的反向漏電是橫向通過溝道并流入地端的，如圖中箭頭所示。由于 n 溝道很薄，存在較大的橫向電阻，因此橫向電流必將在溝道中產生歐姆壓降，結果是溝道各處的壓降不一樣。顯然圖中B 點電壓等于外加反向偏壓，沿 y 軸的方向場感應結的壓降將逐漸減小，

11、直到 A 點電壓降為零，因為對溝道電流有用的溝道為BA 段。A 點會隨著反向電壓的增大而向右移動， 所以又向溝道長度變大， 樓電流變大， 途中 OC 段。隨著反向電壓的增加，場感應結空間電荷區(qū)寬度逐漸加寬，由于溝道很薄，所以當反向電壓增大到某一值V 夾斷 時，將會使B 點的空間電荷區(qū)直接與硅表面接觸，溝道被空間電荷區(qū)夾斷，發(fā)向漏電不再隨電壓增大而增加，曲線1 的 CD 段。反向電壓繼續(xù)增大結擊穿，電流猛增，曲線1 的 DE 段。專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。如果 Si-SiO 2 界面的 Na+很多，使得表面反型層的電導率很高，因此盡管偏壓很大，場感應結的空間電荷區(qū)也很難擴展到貴表面，不容易

12、出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，曲線2。五、（滿分 16 分）1) 什么是熱載流子效應？ (4 分 )2) 以 NMOS 管處于“開態(tài)” (V GS0,V DS 0) 為例，畫圖說明熱載流子對閾值電壓的影響；(8 分)3) 簡述避免熱載流子效應的措施。 (4 分 )答題要點：1） 能量比費米能級大幾個kT 以上的載流子成為熱載流子。熱載流子與晶格處于熱不平衡狀態(tài)，當其能量達到或超過Si-SiO 2 的界面勢壘時 （對電子注入為3.2eV ，對空學為4.5eV ）便會注入到氧化層中，產生界面態(tài)、氧化層陷阱或被陷阱俘獲，使氧化層電荷增加或者波動，成為熱載流子效應。2） NMOS 管處于“開態(tài)”時，熱載流子主要是溝道

13、熱載流子。來源于溝道中的熱載流子在高電場的影響下，熱電子將從源極向漏極運動，并受到加速，產生碰撞電離和散射。某些散射電子獲得足夠能量，超越Si-SiO 2 的界面勢壘，進入氧化層。從而對閾值電壓產生影響（使之變大） ，因為柵上所加的正電壓要有一部分用來抵銷電子。3） 采用 LDD （ Lightly Doped Drain-Source）結構；改善柵氧化層質量，降低熱載流子陷阱密度和俘獲界面。五、簡述題（ 10 分）4) 什么是熱載流子效應？ (4 分 )5) 除了溝道熱載流子外，還有哪兩種熱載流子？（2 分）6) 以 NMOS 管為例，簡述溝道熱載流子是如何產生的。(4 分 )答題要點：1）

14、 能量比費米能級大幾個kT 以上的載流子成為熱載流子。熱載流子與晶格處于熱不平衡狀態(tài)，當其能量達到或超過Si-SiO 2 的界面勢壘時（對電子注入為3.2eV ，對空學為4.5eV ）便會注入到氧化層中，產生界面態(tài)、 氧化層陷阱或被陷阱俘獲，使氧化層電荷增加或者波動，成為熱載流子效應。2） 襯底熱載流子，雪崩注入熱載流子。3） 溝道中的熱載流子在高電場的影響下，熱電子將從源極向漏極運動，并受到加速， 產生碰撞電離和散射。某些散射電子獲得足夠能量，超越Si-SiO 2 的界面勢壘，進入氧化層。從而對閾值電壓產生影響（使之變大），因為柵上所加的正電壓要有一部分用來抵銷電子。六、（滿分 20 分）C

15、MOS 工藝會存在閂鎖效應，設RS 和 RW 分別為 n 型襯底和p 阱寄生的電阻， pnp 和 pnp分別為寄生晶體管的共基極電流增益。1) 給出觸發(fā)閂鎖效應的條件； (6 分 )2) 至少給七種抑制閂鎖效應的措施，并給出每種措施所改變的參數(shù)。(14 分)專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。答題要點：1） a 兩個發(fā)射節(jié)正偏bnpnpnp1c IpowerI 維持2）(1)均勻其充分設計阱和襯底的接觸減小 RS,RW ；(2)采用保護環(huán)減小 RS,RW ；(3)埋層減小 Rw,npn；(4)采用外延層減小 RS；(5) 采用偽收集器收集由橫向 pnp 發(fā)射極注入的空穴， 阻止縱向 npn 的基極

16、注入， 從而有效地減小 ；npn(6)PMOS 管盡可能離 P 阱遠些減小 pnp；(7)增加阱深減小 pnp；(8)采用 SOS 工藝。二、（滿分 14 分）4） 半導體集成電路一般為什么采用金屬鋁所謂互連線？（4 分）5） 金屬鋁作為互連線有何缺點？（3 分）6） 以金屬鋁為例說明什么是電遷移？（3分）7） 說明電遷移產生的原因。 （ 4 分）答題要點：a) 導電率高；可與貴材料形成低阻值的歐姆接觸；與 SiO2 等介質具有良好的粘附性；便于加工。b) 性軟，機械強度低，易于劃傷；化學性能活躍，易受腐蝕；高電流密度下抗電遷移能力差。c) 鋁條內有一定電流通過時，金屬離子會沿導體會產生質量的

17、運輸，其結果會是導體的某些部位產生空洞或者晶須（小丘） ，這就是電遷移現(xiàn)象。d) 外因：溫度高，電流密度大；內因：金屬薄膜導體因結構的非均勻性，存在一定的空位濃度，金屬離子通過空位而動，但是是隨機的，當有外力作用時會產生定向運動。六、簡答及分析題（20 分）1）簡述集成電路采用金屬鋁作為互連線的優(yōu)缺點；（ 7 分）2）以鋁為例，說明什么是電遷移現(xiàn)象？（3 分）3）簡述點遷移的產生原因（內因、外因）；（ 4 分）4）影響電遷移的因素之一是布線的幾何尺寸，簡要說明鋁線的長度，寬度和由電遷移決定的壽命之間的關系？（6 分）答題要點：1） 優(yōu)點： a 導電率高； b 可以硅材料形成低阻值的歐姆接觸；c

18、 與 SiO 2 等介質具有良好的粘附性； d 便于加工。專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。缺點： a 性軟，機械強度低，容易劃傷；b 化學性能活躍，易受腐蝕；c 抗電遷移能力差。2 ） 當鋁條內有一定電流通過時，金屬離子會沿導體產生質量的輸運，其結果會使導體的某些部位產生空洞或晶須（小丘） 。3） 外因：高溫或者即使在低溫如果電流密度較大時，都會發(fā)生電遷移。內因：金屬薄膜導體結構的非均勻形式的導體內從在一定的空位濃度，金屬離子通過空位而動，但是隨機的，當存在外力時會發(fā)生定向運動。4） a 鋁線的長度增加，壽命變短；b 線寬比材料晶粒直徑大時，線寬愈大，壽命愈長；c 線寬和金屬晶粒直徑相近時，線

19、寬變窄，壽命變長。五、（滿分 16 分）下圖為一CMOS DRAM存儲單元的剖面圖。3） 畫出其對應電路圖，并說明其工作原理；（ 7 分）4） 利用該圖說明什么是軟誤差以及其對DRAM單元的影響機理； （6 分）5） 如何減小或避免軟誤差的影響？（3 分）答題要點：1）多晶硅 2 為門控 MOS 的柵，即字線，多晶硅1 接固定正電位，使其下形成反型層，同時形成 PN 結，結電容即為存儲單元的電容。當字線接“1”時，多晶硅2 下面的硅也反型，是多晶硅1 下面的反型層和漏相連。如果漏（位線接“1”，則反型層電位上升，電容上的存儲電荷增加，即表示存入“ 1”，相反，則反型層電位下降，電容存儲電荷減小

20、，即表示存入的是“ 0”。2） 射線等高能粒子束使DRAM 的存儲單元產生錯誤，稱為軟誤差。器件封裝材料中含有微量元素鈾等放射性物質，它們衰變時會產生高能射線，自然界輻射中也存在的射線， 具有較強的穿透能力，可以進入硅中，產生電子-空穴對，空穴會經襯底溜走， 而電子流向硅內， 當 DRAM 存“ 1”時， 其高電位的勢阱俘獲電子， 使存儲的 “ 1” 變?yōu)椤?0”，3）提高封裝材料的純度；芯片表面涂阻擋層；增加存儲單元單位面積的電荷存儲量。七、（滿分 14 分）1） 在 CMOS 電路中為什么要考慮柵氧擊穿？(4 分)2） 說明柵氧擊穿的分類；(6 分 )3） 簡述柵氧擊穿的機理。(4 分專業(yè)

21、文檔供參考，如有幫助請下載。答題要點：1) a 器件特征尺寸不斷縮小，柵氧化層不斷減薄，要求介質承受電場強度不斷增加；b IC 集成度不斷提高， 芯片上的器件增多， 柵氧化層總面接增大， 存在缺陷的概率增加。2) （1）瞬時擊穿a 本征擊穿：芯片一加電壓，電場強度超過介質材料所能承受的臨界電場，介質因電流很大，馬上擊穿。b 非本征擊穿：局部氧化層厚度較薄，或存在空洞、裂縫、雜質等造成介質擊穿。（ 2）與時間有關的介質擊穿（TDDB ）：施加電場低于柵氧本征擊穿場強，未引起本征擊穿，但經歷一定時間后發(fā)生了擊穿，原因是氧化層內產生并積累缺陷/陷阱。3) 分為兩個階段第一階段為積累 /建立階段： 在

22、電應力作用下， 氧化層內部及 Si-SiO 2 界面處發(fā)生缺陷 （陷阱、電荷）的積累，使局部電場增強第二階段為快速逸潰階段：當?shù)谝浑A段的缺陷積累達到某一程度，使局部電場達到某一臨界值，便轉入第二階段，氧化層迅速擊穿。第四章失效分析1電子產品在以應用時，往往會因為各種偶然因素而失去規(guī)定的功能，即所謂失效。（2 分）6失效 喪失功能或降低到不能滿足規(guī)定的要求。7失效模式 失效現(xiàn)象的表現(xiàn)形式，與產生原因無關。如開路、短路、參數(shù)漂移、不穩(wěn)定等8失效機理 失效模式的物理化學變化過程，并對導致失效的物理化學變化提供了解釋。如電遷移開路，銀電化學遷移短路9應力 驅動產品完成功能所需的動力和加在產品上的環(huán)境條

23、件。是產品退化的誘因。一失效機理概念及定義：過電應力 (EOS) 元器件承受的電流、 電壓應力或功率超過其允許的最大范圍。靜電放電 (ESD) 處于不同靜電電位兩個物體間的靜電電荷的轉移就是靜電放電。這種靜電電荷的轉移方式有多種，如接觸放電、空氣放電，靜電放電一般是指靜電的快速轉移或泄放。閂鎖效應 (Latch-up) IC由于過電應力觸發(fā)內部寄生晶體管結構而呈現(xiàn)的一種低阻狀態(tài)，這種狀態(tài)在觸發(fā)條件去除或中止后仍會存在。輻射損傷 在自然界和人造輻射環(huán)境中，各種帶電或不帶電的高能粒子（如質子、電子、中子）以及各種高能射線（X 射線、 射線）對IC 造成的損傷。氧化層電荷 IC 中存在與氧化層有關的

24、電荷，包括固定氧化層電荷Qf 、可動電荷Qm 、界面陷阱電荷和Qit 氧化層陷阱電荷Qot 。熱載流子 (HC) 指其能量比費米能級大幾個kT 以上的載流子，這些載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài)，當其能量達到或超過Si-SiO2 界面勢壘時便會注入到氧化層中，產生界面態(tài)， 氧化層陷阱或被陷阱所俘獲，使氧化層電荷增加或波動不穩(wěn)，這就是載流子效應。由于電子注入時所需要能量比空穴低，所以一般不特別說明的熱載流子多指熱電子。雙極器件與MOS 器件中均存在熱載流子注入效應。專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。柵氧擊穿 在 MOS 器件及其 IC 電路中，柵極下面存在一薄層SiO2 ，此即統(tǒng)稱的柵氧（化層） 。柵

25、氧的漏電與柵氧質量關系極大，漏電增加到一定程度即構成擊穿，導致器件失效。與時間有關的介質擊穿 (TDDB) 是指施加的電場低于柵氧的本征擊穿場強，并未引起本征擊穿， 但經歷一定時間后仍發(fā)生擊穿現(xiàn)象。這是由于施加應力過程中，氧化層內產生并聚集了缺陷（陷阱）的原因。電遷移 (EM) 當器件工作時，金屬互連線的鋁條內有一定電流通過，金屬離子會沿導體產生質量的運輸， 其結果會使導體的某些部位出現(xiàn)空洞或晶須（小丘），這即電遷移現(xiàn)象。應力遷移 (SM) 鋁條經過溫度循環(huán)或高溫處理，由于應力的作用也會發(fā)生鋁條開路斷裂的失效。 這時空洞多發(fā)生在晶粒邊界處，這種現(xiàn)象叫應力遷移，以與通電后鋁條產生電遷移的失效區(qū)別

26、。鋁條愈細， 應力遷移失效愈嚴重。鍵合失效 是指金絲和鋁互連之間的鍵合失效。由于金-鋁之間的化學勢不同，經長期使用或 200以上高溫儲存后，會產生多種金屬間化合物，如紫斑、白斑等。結果使鋁層變薄，粘附性下降，造成半斷線狀態(tài)，接觸電阻增加，最后導致開路失效。在 300高溫下還會產生空洞，即柯肯德爾效應，這種效應是在高溫下金向鋁中迅速擴散并形成化合物，在鍵合點四周出現(xiàn)環(huán)形空洞，使鋁膜部分或全部脫離，形成高阻或開路。PN 結穿釘 是指在長期電應力或突發(fā)的強電流的作用下，在 PN 結處局部鋁 -硅熔融生成合金釘，穿透PN 結，造成 PN 結短路的現(xiàn)象。腐蝕失效 許多 IC 是用樹脂包封的，然而水汽可以

27、穿過樹脂體和引腳-樹脂界面到達鋁互連處， 由水汽帶入的外部雜質或從樹脂中溶解的雜質與金屬鋁作用，使鋁互連線發(fā)生化學腐蝕或電化學腐蝕。二金屬化電遷移解釋在外電場作用下，金屬離子受到兩種力的作用:一種是電場力，使金屬離子由正極向負極移動；另一種是導電電子和金屬離子間相互碰撞發(fā)生動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，這種作用力俗稱“電子風 ”。對鋁、金等金屬膜，電場力很小，金屬離子主要受電子風的影響，結果使金屬離子與電子流一樣朝正極移動，在正極端形成金屬離子的堆積，形成小丘，而在負極端產生空洞，使金屬條斷開。金屬的腐蝕解釋當金屬與周圍介質接觸時，由于發(fā)生化學反應

28、或電化學作用而引起金屬的破壞叫做金屬的腐蝕。金屬的腐蝕現(xiàn)象十分普遍，在電子元器件中，外引線及封裝殼內的金屬因化學反應或電化學作用引起電性能惡化直至失效。銀離子遷移銀的遷移是一種電化學現(xiàn)象，在具備水份和電場的條件時發(fā)生。過應力電應力 -電源輸出輸入的電流、電壓超過規(guī)定的最大額定值熱應力 -環(huán)境溫度、殼溫、結溫超過規(guī)定的最大額定值機械應力 -振動、沖擊、離心力超過規(guī)定的最大額定值專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。CMOS 電路閂鎖失效閂鎖（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(xiàn)象。MOS 集成電路使用的主要失效機理條件 -在使

29、用上VDD(VI;VO) VSS；或電源端到地發(fā)生二次擊穿。危害 -一旦導通電源端產生很大電流，破壞性和非破壞性失效特點 -電現(xiàn)象內部失效判別。ESD 失效機理解釋處于不同靜電電位的兩個物體間發(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損傷，引起產品失效。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(guī)定的功能，主要表現(xiàn)為開路、短路或參數(shù)嚴重漂移。潛在性失效是指靜電放電能量較低，僅在元器件內部造成輕微損傷，放電后器件電參數(shù)仍然合格或略有變化。但器件的抗過電應力能力已經明顯削弱，再受到工作應力后將進

30、一步退化，使用壽命將明顯縮短。過電壓場致失效發(fā)生于 M0S 器件，包括含有MOS 電容或鉭電容的雙極型電路和混合電路；過電流熱致失效多發(fā)生于雙極器件，包括輸入用pn 結二極管保護的MOS 電路、肖特基二極管以及含有雙極器件的混合電路。實際發(fā)生哪種失效，取決于靜電放電回路的絕緣程度。如果放電回路阻抗較低，絕緣性差，元器件往往會因放電期間產生強電流脈沖導致高溫損傷，這屬于過電流損傷如果放電回路阻抗較高，絕緣性好，則元器件會因接受了高電荷而產生高電壓，導致強電場損傷，這屬于過電壓損傷塑封器件 “爆米花效應 ”（分層效應）“爆米花效應 ”是指塑封器件塑封材料內的水份在高溫下受熱發(fā)生膨脹， 使塑封料與金

31、屬框架和芯片間發(fā)生分層，拉斷鍵合絲，發(fā)生開路失效或間歇失效。芯片焊接缺陷導致熱燒毀的主要原因? 界面空洞? 熱疲勞鍵合失效機理金鋁化合物失效解釋金和鋁鍵合， 在長期貯存和使用后， 因化學勢不同， 它們之間能生成 AuAl2 ，AuAl ， Au2Al ，Au5Al2 ， Au4Al等金屬間化合物（IMC ）。這幾種IMC 的晶格常數(shù)、膨脹系數(shù)、形成過程中體積的變化、顏色和物理性質是不同的，且電導率較低。AuAl2 、 Au5Al2 、 Au4Al呈淺金黃色，AuAl2 呈紫色，俗稱紫斑，Au2Al 呈白色，稱白斑。在鍵合點處生成了 Au Al 間 IMC 之后，鍵合強度降低、變脆開裂、接觸電阻

32、增大，器件出現(xiàn)性能退化或引線從鍵合界面處脫落導致開路?？驴系聽栃↘irkendall ）在 AuAL 鍵合系統(tǒng)中，若采用 Au 絲熱壓焊工藝，由于高溫（ 300以上），金向鋁中迅速擴散，金的擴散速度大于鋁擴散速度，結果出現(xiàn)了在金層一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，這稱專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。為柯肯德爾效應。當柯氏效應空洞增大到一定程度后， 將使鍵合界面強度急劇下降， 接觸電阻增大，最終導致開路。金屬半導體接觸失效解釋歐姆接觸，肖特基接觸鋁硅接觸尖峰或溶坑? 在高溫加電時擴散和遷移同時存在? 鋁在硅中擴散 , 形成尖峰，發(fā)射極 PN

33、結短路? 硅在鋁中擴散，接觸面空洞 開路GaAs 器件的主要失效原因措施 :難熔多層金屬化如PtSiTi/W-Al氧化層擊穿? 離子感應? 隧道效應? 與時間有關的介質擊穿? 氧化層缺陷擊穿 -早期失效氧化層電荷? 固定氧化層電荷 -不影響穩(wěn)定性? 可動離子電荷 -影響 (主要 Na+ 離子沾污 )? 介面陷阱電荷 -影響 (主要是電離輻射 )? 氧化層陷阱電荷 -參數(shù)漂移 (熱電子注入是其形式之一 )1失效分析的目的找出失效原因追溯產品的設計（含選型）制造使用、管理存在的不良因素提出糾正措施，預防失效的再發(fā)生，改進管理提高產品可靠性，降低全壽命周期成本3高溫和高溫電偏置試驗。被分析的元器件如

34、果屬于漏電流大或不穩(wěn)定、增益低的情況，為了證實芯片表面是否被污染， 一般將元器件進行高溫烘烤， 并對比烘烤前后的有關性能。 講述其體做法。4 以失效分析為目的的電測技術連接性測試待機電流測試正常電源電壓作用下， 無信號輸入時的集成電路的電源電流叫待機電流。 好壞電路的待機電流的比較是確定失效原因和確定失效分析后續(xù)步驟的重要依據(jù)。如待機電流偏大，則說明芯片內部有局部漏電區(qū)域，應采用光輻射顯微鏡（ EMM ）做漏電區(qū)失效定位；如電流偏小，則說明芯片內部電源端或地端相連的部分金屬化互連線或引線有開路；如電流為0，說明芯片與電源端或地端相連的金屬化互連線或引線有開路。開路失效可試用 X 射線透視和開封

35、鏡檢進行分析。端口測試由于 ESD 保護電路廣泛用于CMOS 電路，電源端對輸入/輸出端以及輸入 /輸出端對地端可等效為兩個串聯(lián)的二極管圖，而 CMOS 電路的內電路的輸入端為 MOS 器件，由 MOS 器件柵極的絕緣性，各端口對地端 /電源端以及電源端對地端的正常I-V 特性類似于二極管的I-V 特性。測量并比較好壞電路各端口對地端或對電源端I-V 特性，可確定失效端口。 也專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。可對好壞電路各端口對地端或電源端作正反向的電阻測量，確定失效端口。5無損失效分析技術定義為不必打開封裝對樣品進行失效定位和失效分析的技術。電測技術X 射線透視技術和反射式掃描聲學顯微技術（

36、C-SAM ）6以測量電壓效應為基礎的失效分析定位技術集成電路復雜性決定了失效定位在失效分析中的關鍵作用。打開封裝后，用顯微鏡看不到失效部位時，就需對芯片進行電激勵，根據(jù)芯片表面節(jié)點的電壓、波形或發(fā)光異常點進行失效定位。掃描顯微鏡的電壓襯度像芯片內部節(jié)點的波形測量7 以測量電流效應為基礎的失效分析定位技術顯微紅外熱像分析技術液晶熱點檢測技術光發(fā)射顯微分析技術8 失效分析技術以失效分析為目的的電測技術、無損失效分析技術、樣品制備技術、顯微形貌像技術、 以測量電壓效應為基礎的失效分析定位技術、以測量電流效應為基礎的失效分析定位技術、電子元器件化學成分分析技術、9 IC 失效原因 過電應力 (EOS

37、) / 靜電放電 (ESD) 、工藝缺陷、結構缺陷及材料缺陷過電應力和塑封器件的分層是 IC 在使用過程中最常見的失效原因；第五章可靠性設計1微電路常規(guī)可靠性設計技術包括冗余設計、 降額設計、靈敏度設計和中心值優(yōu)化設計。2內建可靠性及其技術特點？四、（滿分 14 分）2) 什么是元件靈敏度 S，給出其數(shù)學表達式？ (3 分 )3) 什么是相對靈敏度 SN，給出其數(shù)學表達式？ (3 分)4) 計算由圖中輸出電壓 uo 對電阻 R1， R2 的元件靈敏度和相對靈敏度。答題要點：a) 元件靈敏度 S 是指電路特性參數(shù)T 對R1 3元器件值 X 絕對變化的靈敏度，即為ui =1VT 對 X 的變化率。

38、(8 分 )R1uo1S(T .X )TXb) 相對靈敏度 SN 是指電路特性 T 對元器件值 X 相對變化的靈敏度。XS(T, X )SN (T .X )100c)uoui R21S(uo , R1 )( R1R2 )216R1uoui R13S(uo , R2 )( R1R2 )216R2S(uo , R1 ) R1ui R1R23SN (uo , R1 )專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。100100(R1R2 ) 21600S(uo , R2 ) R2ui R1 R23SN (uo , R2 )100100( R1R2 )216001可靠性設計中，經常采用的兩種常規(guī)設計方法是降額設計和冗

39、余設計。第六章工藝可靠性1不考慮電流集邊效應，縱向npn 管的發(fā)射極處的接觸為垂直型接觸，基極處的接觸為水平型接觸，集電極處的接觸為垂直型接觸；MOS 管的源極接觸為水平型接觸。 (4 分 )2金屬 -半導體的接觸按照電流流過界面層后在半導體內的流動方向可分為垂直型和水平型。3正態(tài)分布標準偏差 的大小反映了參數(shù)的分散程度，越小，工藝參數(shù)的分布越集中。4標準偏差 一方面代表了工藝參數(shù)的集中程度，同時也反映了該工序生產合格產品能力的強弱。對正態(tài)分布，絕大部分參數(shù)值集中在 3 范圍內（對應6 ），其比例為99.73% ，代表參數(shù)的正常波動范圍幅度。因此通常將6 成為工序能力。5工業(yè)生產中通常采用工序

40、能力指數(shù)評價生產工藝水平。8工序能力指數(shù)Cp 來表示工藝水平滿足工藝參數(shù)規(guī)范要求的程度。實際工序能力指數(shù)Cpk 值實際上直接反映了工藝成品率的高低，因此定量地表征了該工序滿足工藝規(guī)范要求的能力。現(xiàn)代工業(yè)生產對工序能力指數(shù)提出了Cp 不小于 2、 Cpk 不小于 1.5 的要求，以保證工藝不合格率不大于3.4PPM 。9工藝參數(shù)遵循正態(tài)分布，絕大部分參數(shù)值集中在 3 范圍內，其比例為99.73%。因此通常將 6 稱為工序能力。6的范圍越小，表示該工序的固有能力越強。10元器件內在質量和可靠性的核心評價技術：工序能力指數(shù)Cpk、工藝過程統(tǒng)計受控狀態(tài)分析spc、產品出廠平均質量水平ppm。11傳統(tǒng)的

41、參數(shù)測試和可靠性試驗方法已不能適應現(xiàn)代元器件產品質量和可靠性評價的要求，需要從設計和制造角度保證和評價元器件的內在質量和可靠性。12只有能力很強的生產線在穩(wěn)定受控的條件下才能生產出內在質量好可靠性高的產品。工藝過程能力的強弱用工序能力指數(shù)cpk 定量評價。過程是否穩(wěn)定受控用spc 技術進行定量分析。13采用 PPM 技術評價出廠產品的平均質量，能綜合反映產品的設計和制造水平。14產品生產廠家在生產過程中采用 SPC、Cpk 、PPM 分析、評價技術可以保證生產出內在質量高的產品。 生產方向用戶提供電子產品時， 不但要通過參數(shù)測試和試驗來證明產品滿足規(guī)范要求，還要應用和要求，提交 SPC、Cpk

42、、PPM 數(shù)據(jù)，證明提供的產品具有較高的質量和可靠性。15對生產過程進行統(tǒng)計質量控制和評價時涉及到確定關鍵工序、確定關鍵工藝參數(shù)、實驗設計和工藝條件的優(yōu)化確定、 工藝參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、 工序能力評價、 統(tǒng)計過程控制狀態(tài)和統(tǒng)計分析工具的應用等幾方面的工作。16Cpk 評價的是工藝總體水平，而不是一次操作的具體情況。因此，在日常生產過程中，不需要將工序能力指數(shù)評價作為每天比做的常規(guī)工作，可以隔一段時間觀察一次變化情況。專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。17工序能力指數(shù)評價是用有限的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)推算工藝水平的，包括工藝成品率水平。盡管采用的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)可能都滿足規(guī)范要求，但是可以由這些數(shù)據(jù)推算出工藝的不

43、合格率。18在生產中如何確定關鍵工藝參數(shù)以及對工藝參數(shù)規(guī)范的合理要求是一個關鍵問題，也是正確計算工序能力指數(shù)的前提條件。19 6 設計是指工藝規(guī)范要求的范圍為 6 ，同時以工藝參數(shù)分布中心 與參數(shù)規(guī)范中心 T0 偏移為 1.5 作為參考條件的， 將實現(xiàn) 6 設計要求時的工藝不合格品率 3.4PPM 作為 6 的設計目標。目前，6 設計要求代表了國際上現(xiàn)代工業(yè)生產對工序能力指數(shù)的高標準要求。20提高工序能力指數(shù)和實現(xiàn)6設計目標的要求是一致的，基本途徑有三條：減小工藝參數(shù)分布的標準偏差； 使工藝參數(shù)分布的均值盡量與規(guī)范要求中心值靠近；擴大工藝規(guī)范要求的范圍。21工藝的起伏變化是不可避免的。如果工藝

44、的起伏變化完全是由隨機原因引起的，不存在異常原因，則稱工藝處于統(tǒng)計受控狀態(tài)。只有在統(tǒng)計受控的條件下，才能生產出內在質量好、可靠性高的產品。22工藝是否處于統(tǒng)計受控狀態(tài)與工藝參數(shù)是否滿足規(guī)范要求是兩類不同的問題。23采用 SPC 技術可以定量評價工藝是否處于統(tǒng)計受控狀態(tài)。SPC 分析的核心技術是控制圖。第七章可靠性試驗1 抽樣方案和 批產品不合格率決定該批產品被接收的概率，表征接收概率和產品不合格率關系的曲線稱為OC 曲線，又稱為接收概率曲線。 （ 4 分）21什么是可靠性增長試驗和老煉試驗？；(4 分) 可靠性增長試驗是為暴露產品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，對產品施加特定的強應力， 使其失效，依據(jù)失效機

45、理確定產品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)， 實施改進措施，然后對該機后的產品施加新的應力，尋找新的薄弱環(huán)節(jié)。隨著試驗的不斷進行，產品的可靠性逐步增長； 老煉試驗是使產品的微結構進入穩(wěn)定狀態(tài)，以便使產品工作狀態(tài)具有設計者賦予的穩(wěn)定功能。篩選試驗目的是剔除不合格和早期失效產品，使其處于浴盆曲線的早期失效期與偶然失效期的交界。1開路的可能失效機理有過電應力（EOS）損傷、金屬電遷移、金屬化的電化學腐蝕、壓焊點脫落、 CMOS 電路的閂鎖效應、塑封器件的爆米花效應等2漏電和短路可能的失效機理有靜電放電（EOS）損傷、顆粒引發(fā)短路、介質擊穿、pn 結微等離子擊穿、 Si-Al 互融3參數(shù)漂移可能的失效機理有封裝內水汽凝結、介質的離子沾污、輻射損傷、歐姆接觸退化、金屬電遷移4輻射對電子元器件的影響：參數(shù)漂移、軟失效5按電測結果分類，失效模式可分為：開路、短路或