电子元器件失效分析技术

本书是电子产品质量和可靠性方面的专业类书籍，既有基础理论，又有具体技术、方法流程和应用，可以为电子行业的相关工程人员提供很好的指导和帮助。 

本书是工程应用类书，主要介绍电子元器件失效分析技术。从失效分析概论、失效分析技术、失效分析方法和程序以及失效预防几个方面的内容，使读者全面系统地掌握失效分析方面的基础理论、基本概念，技术和设备、方法和流程，指导开展相关的失效分析工作，并了解失效预防的一些基本方法和手段。

恩云飞，工业和信息化部电子第五研究所研究员，中国电子学会可靠性分会委员，中国电子学会真空电子分会委员，中国电子学会第八届理事会青年与志愿者工作委员会委员，广东省电子学会理事，《失效分析与预防》编委会委员，长期从事电子元器件可靠性工作，在电子元器件可靠性物理、评价及试验方法等方面取得显著研究成果，先后获省部级科技奖励10项，发表学术论文40余篇，申请及授权国家发明专利10余项。

**篇 电子元器件失效分析概论

第1章 电子元器件可靠性 （2）
1.1 电子元器件可靠性基本概念 （2）
1.1.1 累积失效概率 （2）
1.1.2 瞬时失效率 （3）
1.1.3 寿命 （5）
1.2 电子元器件失效及基本分类 （6）
1.2.1 按失效机理的分类 （7）
1.2.2 按失效时间特征的分类 （7）
1.2.3 按失效后果的分类 （8）
参考文献 （8）
第2章 电子元器件失效分析 （9）
2.1 失效分析的作用和意义 （9）
2.1.1 失效分析是提高电子元器件可靠性的必要途径 （9）
2.1.2 失效分析在工程中有具有重要的支撑作用 （10）
2.1.3 失效分析会产生显著的经济效益 （10）
2.1.4 小结 （11）
2.2 开展失效分析的基础 （11）
2.2.1 具有电子元器件专业基础知识 （11）
2.2.2 了解和掌握电子元器件失效机理 （12）
2.2.3 具备必要的技术手段和设备 （12）
2.3 失效分析的主要内容 （13）
2.3.1 明确分析对象 （14）
2.3.2 确认失效模式 （14）
2.3.3 失效定位和机理分析 （14）
2.3.4 寻找失效原因 （14）
2.3.5 提出预防和改进措施 （15）
2.4 失效分析的一般程序和要求 （15）
2.4.1 样品信息调查 （16）
2.4.2 失效样品保护 （16）
2.4.3 失效分析方案设计 （16）
2.4.4 外观检查 （17）
2.4.5 电测试 （17）
2.4.6 应力试验分析 （18）
2.4.7 故障模拟分析 （18）
2.4.8 失效定位分析 （18）
2.4.9 综合分析 （21）
2.4.10 失效分析结论和改进建议 （21）
2.4.11 结果验证 （21）
2.5 失效分析技术的发展及挑战 （22）
2.5.1 定位与电特性分析 （22）
2.5.2 新材料的剥离技术 （22）
2.5.3 系统级芯片的失效激发 （22）
2.5.4 微结构及微缺陷成像的物理极限 （22）
2.5.5 不可见故障的探测 （23）
2.5.6 验证与测试的有效性 （23）
2.5.7 加工的全球分散性 （23）
2.5.8 故障隔离与模拟软件的验证 （23）
2.5.9 失效分析成本的提高 （23）
2.5.10 数据的复杂性及大数据量 （23）
2.6 结语 （24）
参考文献 （24）
第二篇 失效分析技术

第3章 失效分析中的电测试技术 （26）
3.1 概述 （26）
3.2 电阻、电容和电感的测试 （27）
3.2.1 测试设备 （27）
3.2.2 电阻测试方法及案例分析 （27）
3.2.3 电容测试方法及案例分析 （29）
3.2.4 电感测试方法及案例分析 （31）
3.3 半导体器件测试 （32）
3.3.1 测试设备 （32）
3.3.2 二极管测试方法及案例分析 （34）
3.3.3 三极管测试方法及案例分析 （39）
3.3.4 功率MOS的测试方法及案例分析 （42）
3.4 集成电路测试 （46）
3.4.1 自动测试设备 （46）
3.4.2 端口测试技术 （47）
3.4.3 静电和闩锁测试 （49）
3.4.4 IDDQ测试 （51）
3.4.5 复杂集成电路的电测试及定位技术 （52）
参考文献 （53）
第4章 显微形貌分析技术 （54）
4.1 光学显微观察及光学显微镜 （54）
4.1.1 工作原理 （54）
4.1.2 主要性能指标 （55）
4.1.3 用途 （56）
4.1.4 应用案例 （56）
4.2 扫描电子显微镜 （57）
4.2.1 工作原理 （57）
4.2.2 主要性能指标 （59）
4.2.3 用途 （60）
4.2.4 应用案例 （60）
4.3 透射电子显微镜 （61）
4.3.1 工作原理 （61）
4.3.2 主要性能指标 （62）
4.3.3 用途 （63）
4.3.4 应用案例 （64）
4.4 原子力显微镜 （65）
4.4.1 工作原理 （65）
4.4.2 主要性能指标 （66）
4.4.3 用途 （66）
4.4.4 应用案例 （67）
参考文献 （68）
第5章 显微结构分析技术 （70）
5.1 概述 （70）
5.2 X射线显微透视技术 （70）
5.2.1 原理 （70）
5.2.2 仪器设备 （78）
5.2.3 分析结果 （79）
5.2.4 应用案例 （80）
5.3 扫描声学显微技术 （84）
5.3.1 原理 （84）
5.3.2 仪器设备 （90）
5.3.3 分析结果 （90）
5.3.4 应用案例 （91）
参考文献 （92）
第6章 物理性能探测技术 （94）
6.1 光探测技术 （94）
6.1.1 工作原理 （94）
6.1.2 主要性能指标 （96）
6.1.3 用途 （96）
6.1.4 应用案例 （97）
6.2 电子束探测技术 （99）
6.2.1 工作原理 （99）
6.2.2 主要性能指标 （101）
6.2.3 用途 （101）
6.2.4 应用案例 （101）
6.3 磁显微缺陷定位技术 （102）
6.3.1 工作原理 （102）
6.3.2 主要性能指标 （105）
6.3.3 用途 （106）
6.3.4 应用案例 （106）
6.4 显微红外热像探测技术 （108）
6.4.1 工作原理 （108）
6.4.2 主要性能指标 （111）
6.4.3 用途 （111）
6.4.4 应用案例 （111）
参考文献 （113）
第7章 微区成分分析技术 （114）
7.1 概述 （114）
7.2 俄歇电子能谱仪 （114）
7.2.1 原理 （114）
7.2.2 设备和主要指标 （115）
7.2.3 用途 （117）
7.2.4 应用案例 （120）
7.3 二次离子质谱仪 （121）
7.3.1 原理 （121）
7.3.2 设备和主要指标 （123）
7.3.3 用途 （125）
7.3.4 应用案例 （126）
7.4 X射线光电子能谱分析仪 （128）
7.4.1 原理 （128）
7.4.2 设备和主要指标 （129）
7.4.3 用途 （131）
7.4.4 应用案例 （132）
7.5 傅里叶红外光谱仪 （133）
7.5.1 原理 （133）
7.5.2 设备和主要指标 （135）
7.5.3 用途 （138）
7.5.4 应用案例 （142）
7.6 内部气氛分析仪 （142）
7.6.1 原理 （142）
7.6.2 设备和主要指标 （143）
7.6.3 用途 （146）
7.6.4 应用案例 （146）
参考文献 （147）
第8章 应力试验技术 （148）
8.1 应力影响分析及试验基本原则 （148）
8.2 温度应力试验 （150）
8.2.1 高温应力试验 （150）
8.2.2 低温应力试验 （151）
8.2.3 温度变化应力试验 （152）
8.3 温度-湿度应力试验 （152）
8.3.1 稳态湿热应力试验 （152）
8.3.2 交变湿热应力试验 （153）
8.3.3 潮湿敏感性试验 （154）
8.3.4 应用案例 （154）
8.4 电学激励试验 （155）
8.5 振动冲击试验 （157）
8.6 腐蚀性气体试验 （159）
参考文献 （160）
第9章 解剖制样技术 （161）
9.1 概述 （161）
9.2 开封技术 （162）
9.2.1 机械开封 （162）
9.2.2 化学开封 （163）
9.2.3 激光开封 （165）
9.3 芯片剥层技术 （167）
9.3.1 去钝化层技术 （167）
9.3.2 去金属化层技术 （169）
9.4 剖面制样技术 （170）
9.4.1 金相切片 （170）
9.4.2 聚焦离子束剖面制样技术 （171）
9.5 局部电路修改验证技术 （173）
9.6 芯片减薄技术 （174）
参考文献 （176）
第三篇 电子元器件失效分析方法和程序

第10章 通用元件的失效分析方法和程序 （180）
10.1 电阻器失效分析方法和程序 （180）
10.1.1 工艺及结构特点 （180）
10.1.2 失效模式和机理 （183）
10.1.3 失效分析方法和程序 （186）
10.1.4 失效分析案例 （189）
10.2 电容器失效分析方法和程序 （190）
10.2.1 工艺及结构特点 （191）
10.2.2 失效模式和机理 （194）
10.2.3 失效分析方法和程序 （195）
10.2.4 失效分析案例 （199）
10.3 电感器失效分析方法和程序 （201）
10.3.1 工艺及结构特点 （201）
10.3.2 失效模式和机理 （203）
10.3.3 失效分析方法和程序 （203）
10.3.4 失效分析案例 （204）
参考文献 （205）
第11章 机电元件的失效分析方法和程序 （206）
11.1 电连接器失效分析方法和程序 （206）
11.1.1 工艺及结构特点 （206）
11.1.2 失效模式和机理 （209）
11.1.3 失效分析方法和程序 （214）
11.1.4 失效分析案例 （215）
11.2 继电器的失效分析 （222）
11.2.1 工艺及结构

丛 书 序
以可靠性为中心的质量是推动经济社会发展永恒的主题，关系国计民生，关乎发展大局。把质量发展放在国家和经济发展的战略位置全面推进，是国际社会普遍认同的发展规律。加快实施制造强国建设，必须牢牢把握制造业这一立国之本，突出质量这一关键内核，把“质量强国”作为制造业转型升级、实现跨跃发展的战略选择和必由之路。
质量是建设制造强国的生命线。作为未来10年引领制造强国建设的行动指南和未来30年实现制造强国梦想的纲领性文件，《中国制造2025》将“质量为先”列为重要的基本指导方针之一。在制造强国建设的伟大进程中，必须全面夯实产品质量基础，不断提升质量品牌价值和“中国制造”综合竞争力，坚定不移地走以质取胜的发展道路。
高质量是先进技术和优质管理高度集成的结果。提升制造业产品质量，要坚持从源头抓起，在产品设计、定型、制造的全过程中按照先进的质量管理标准和技术要求去实施。可靠性是产品性能随时间的保持能力。作为衡量产品质量的重要指标，可靠性管理也充分体现了现代质量管理的特点。《中国制造2025》提出要加强可靠性设计、试验与验证技术开发应用，使产品的性能稳定性、质量可靠性、环境适应性、使用寿命等指标达到国际同类产品先进水平，就是要将可靠性技术作为核心应用于质量设计、控制和质量管理，在产品全寿命周期各阶段，实施可靠性系统工程。
工业和信息化部电子第五研究所是国内*早从事电子产品质量与可靠性研究的权威机构，在我国的质量可靠性领域开创了许多“**”和“**”：**一个专业从事质量可靠性研究的技术机构；开展了国内**次可靠性培训；研制了国内**套环境试验设备；**个将质量“认证”概念引入中国；建立起国内**个可靠性数据交换网；发布了国内**个可靠性预计标准；研发出**个国际先进、国内领先水平的可靠性、维修性、保障性工程软件和综合保障软件……五所始终站在可靠性技术发展的前沿。随着质量强国战略的实施，可靠性工作在我国得到空前的重视，在新时期的作用日益凸显。五所的科研工作者们深深感到，应系统地梳理可靠性技术的要素、方法和途径，全面呈现该领域的**发展成果，使之广泛应用于工程实践，并在制造强国和质量强国建设中发挥应有作用。鉴于此，五所在建所60周年之际，组织专家学者编写出版了“可靠性技术丛书”。这既是历史的责任，又是现实的需要，具有重要意义。
“可靠性技术丛书”内容翔实，涉及面广，实用性强。它涵盖了可靠性的设计、工艺、管理，以及设计生产中的可靠性试验等各个技术环节，系统地论述了提升或保证产品可靠性的专业知识，可在可靠性基础理论、设计改进、物料优选、生产制造、试验分析等方面为产品设计、开发、生产、试验及质量管理等从业者提供重要的技术参考。
质量发展依赖持续不断的技术创新和管理进步。以高可靠、长寿命为核心的高质量是科技创新、管理能力、劳动者素质等因素的综合集成。在举国上下深入实施制造强国战略之际，希望该丛书的出版能够广泛传播先进的可靠性技术与管理方法，大力推动可靠性技术进步及实践应用，积极推进专业人才队伍建设。帮助广大的科技工作者和工程技术人员，为我国先进制造业发展，落实好《中国制造2025》发展战略，在新中国成立100周年时建成世界一流制造强国贡献力量！

电子元器件失效分析（Failure Analysis）是对已失效元器件进行的一种事后检查。根据需要，使用电测试及必要的物理、金相和化学分析技术，验证所报告的失效，确定其失效模式，找出失效机理。失效分析技术就是开展失效分析中采用的所有技术。电子元器件失效分析技术是开展可靠性工程的支撑技术，属于可靠性物理及其应用技术的范畴。
可靠性物理学（Reliability Physicis）又称失效物理学（Failure Physicis），是20世纪60年代后期崛起的一门新兴的边缘学科，是在半导体器件物理、半导体工艺学、材料化学、冶金学、电子学、环境工程学和系统工程学等多学科基础上发展起来的并从半导体器件扩展到其他电子元器件和电子产品。可靠性物理学的主要任务是研究产品的失效模式，探究失效机理（即导致失效的物理、化学过程及有关现象，有时需要深入到原子和分子层面），从而为电子产品的可靠性设计、生产控制、可靠性增长与评价、使用和维护提供科学的依据。
失效分析技术是开展可靠性物理学研究及工程应用的核心和关键技术。不同于其他产品的失效分析技术，元器件的失效分析技术在空间观察尺度上需要深入到微米（10-6m）甚至纳米级（10-9m），在微区成分分析上要精确到ppm（10-6）甚至ppb（10-9）级。所谓“工欲善其事，必先利其器”。因此，本书**篇简要介绍电子元器件可靠性及失效分析技术概况后，第二篇用较大篇幅对各种失效分析技术进行了重点阐述。在开展元器件失效分析时，首先要采用电气测试技术对失效现象、失效模式进行确认；而显微形貌和显微结构分析技术则在微米和纳米尺度对元器件进行观察和分析，以发现元器件内部的失效现象和区域；物理性能探测技术则对元器件在特定状态下激发产生的微量光、热、磁等信息进行提取和分析，以确定失效部位、分析失效机理；微区成分分析技术用来对内部微小区域的微量成分进行分析；应力试验技术通过施加各种应力对元器件进行失效再现或验证；解剖制样技术则是开展失效分析的基本手段，如开展透射显微镜（TEM）分析时，就需要采用聚焦离子束（FIB）对元器件进行定点制样和提取。
具备了各种失效分析技术手段后，还必须采用适当的方法、遵循合理的程序开展失效分析。由于各类元器件的材料、结构和工艺特点不同，在失效分析方法和程序上既有相同点又有不同点。因此，本书第三篇中以7种主要元器件门类为对象介绍了相应的失效分析方法和程序。开展元器件失效分析，首先必须了解和掌握各类元器件的主要材料、工艺和结构及主要的失效模式和失效机理；然后根据元器件的失效背景信息和失效现象，选择合适的分析技术和手段，遵循合理的分析程序，以求快速而准确地确定失效机理，找到失效原因。
只有从失效分析入手，取得前期同类产品在生产、试验及使用中的失效信息，分析其失效模式及失效机理，联系产品结构、材料和工艺，揭示其失效的内在原因，才能根据新产品的可靠性要求，进行可靠性设计和工艺改进，并对失效进行控制和预防，从而提高产品的可靠性。本书第四篇介绍的电子元器件失效模式及影响分析方法（FMEA）是开展产品可靠性设计和工艺改进的基础，电子元器件故障树分析方法（FTA）则为元器件的故障归零提供了标准化的元器件级FTA方法，而工程应用中电子元器件失效预防方法从潮敏、机械、腐蚀、静电放电、闩锁、假冒翻新等几个方面阐述了失效预防的必要性和具体的技术手段。
总体来说，元器件失效分析技术是开展元器件质量和可靠性工作的基本手段，是可靠性工程的重要技术支撑。希望本书的出版能为开展失效分析的工程技术人员提供帮助，并希望能吸引更多的人加入到元器件失效分析技术研究和工程应用的行列中来。
本书作者长期从事电子元器件失效分析技术研究，并承担和开展了大量失效分析工作，既有很好的技术理论积累，也有丰富的工程应用经验，为本书的编写奠定了基础。在本书编写过程中，还参考了失效分析技术及相关领域的大量文献、专著和资料，通过总结提炼并结合作者的研究和工作成果，完成了本书的编写。本书共有四篇19章，各章执笔分别是：第1、2章由恩云飞、来萍、李少平、罗宏伟编写，第3章由师谦编写，第4、9章由林晓玲编写，第5章由陈媛编写，第6章由林晓玲、宋芳芳编写，第7章由路国光编写，第8、11章由杨少华编写，第10章由蔡伟编写，第12章由章晓文、陈选龙编写，第13章由何小琦编写，第14章由许广宁、黄云编写，第15章由邹雅冰编写，第16章由宋芳芳编写，第17章由陈媛、来萍编写，第18章由何小琦、陈媛编写，第19章由李少平、何胜宗、林道谭、武慧薇、袁光华和蔡金宝编写。恩云飞、来萍、李少平负责全书的组织、策划、汇总和校审工作，其他执笔人分别负责了相关章节的审阅工作。
在本书的编写过程中，参阅了中国电子产品可靠性与环境试验研究所郑廷圭、徐爱斌、刘发等人编写的《半导体器件失效分析》等研究资料，本实验室同事提供了可靠性文献、资料，在此表示衷心的感谢。
随着元器件技术的不断进步，失效分析技术也在迅速发展，加之作者经验和知识水平的限制，一些**的失效分析技术可能没有涉及，或者已有的内容存在不妥或错误之处，请读者批评指正。
编著者