一、元器件概述

1、元器件的定義與分類

歐洲空間局ESA標準中的定義：完成某一電子、電氣和機電功能，并由一個或幾個部分構成而且一般不能被分解或不會破壞的某個裝置。

GJB4027-2000《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》中的定義：在電子線路或電子設備中執行電氣、電子、電磁、機電或光電功能的基本單元，該基本單元可由一個或多個零件組成，通常不破壞是不能將其分解的。

元件：在工廠生產加工時不改變分子成分的成品，本身不產生電子，對電壓、電流無控制和變換作用。

器件：在工廠生產加工時改變了分子結構的成品，本身能產生電子，對電壓電流的控制、變換(放大、開關、整流、檢波、振蕩和調制等)，也稱電子器件。

分類(來源：2007年版的《軍用電子元器件合格產品目錄》)

最可靠的元件之一

失效模式：開路、機械損傷、接點損壞、短路、絕緣擊穿、焊接點老化造成的電阻值漂移量超過容差

失效模式：接觸不良、滑動噪聲大、開路等

失效模式：漏電或短路，擊穿特性劣變，正向壓降劣變，開路可高阻

失效機理：電遷移，熱載流子效應，與時間相關的介質擊穿(TDDB)，表面氧化層缺陷，絕緣層缺陷，外延層缺陷

MEMS器件的主要失效機理：

指借助電子在真空或者氣體中與電磁場發生相互作用，將一種形式電磁能量轉換為另一種形式電磁能量的器件。具有真空密封管殼和若干電極，管內抽成真空，殘余氣體壓力為10-4～10-8帕。有些在抽出管內氣體后，再充入所需成分和壓強的氣體。廣泛用于廣播、通信、電視、雷達、導航、自動控制、電子對抗、計算機終端顯示、醫學診斷治療等領域。

真空電子器件按其功能分為：

自20世紀60年代以后，很多真空電子器件已逐步為固態電子器件所取代，但在高頻率、大功率領域，真空電子器件仍然具有相當生命力，而電子束管和光電管仍將廣泛應用并有所發展。[1]  真空電子器件里面就包含真空斷路器，真空斷路器具有很多優點，所以在變電站上應用很多。真空斷路器已被快易優收錄，由于采用了特殊的真空元件，隨著近年來制造水平的提高，滅弧室部分的故障明顯降低。真空滅弧室無需檢修處理，當其損壞時，只能采取更換。真空斷路器運行中發生的故障以操作機構部分所占比重較大，其次為一次導電部分，觸頭導電桿等。

第二章 元器件制造工藝與缺陷

1、芯片加工中的缺陷與成品率預測

芯片制造缺陷的分類：

來源：灰塵微粒、硅片與設備的接觸、化學試劑中的雜質顆粒。

2、混合集成電路的失效

混合集成電路工藝：

失效原因：

元器件失效：31%

互連失效：23%，引線鍵合失效、芯片粘結不良等

沾污失效：21%

關于混合集成電路：

按制作工藝，可將集成電路分為：

（1）半導體集成電路（基片：半導體）

         即：單片集成電路（固體電路）

         工藝：半導體工藝（擴散、氧化、外延等）

（2）膜集成電路（基片：玻璃、陶瓷等絕緣體）

         工藝：

         薄膜集成電路——真空蒸鍍、濺射、化學氣相沉積技術

         厚膜集成電路——漿料噴涂在基片上、經燒結而成（絲網印刷技術）

3、混合集成電路（Hybrid Integrated Circuit）

特點：充分利用半導體集成電路和膜集成電路各自的優點，達到優勢互補的目的；

工藝：用膜工藝制作無源元件，用半導體IC或晶體管制作有源器件。

三種集成電路的比較：

第三章 微電子封裝技術與失效

1、微電子封裝的分級：

• 零級封裝：通過互連技術將芯片焊區與各級封裝的焊區連接起來；

• 一級封裝(器件級封裝)：將一個或多個IC芯片用適宜的材料封裝起來，并使芯片的焊區與封裝的外引腳用引線鍵合(WB)、載帶自動焊(TAB)和倒裝焊(FC)連接起來，使之成為有功能的器件或組件，包括單芯片組件SCM和多芯片組件MCM兩大類

• 二級封裝(板極封裝)：將一級微電子封裝產品和無源元件一同安裝到印制板或其他基板上，成為部件或整機。

• 三級封裝(系統級封裝)：將二極封裝產品通過選層、互連插座或柔性電路板與母板連接起來，形成三維立體封裝，構成完整的整機系統(立體組裝技術)

2、微電子的失效機理

（1）熱/機械失效

熱疲勞失效主要是由于電源的閉合和斷開引起熱應力循環，造成互連焊點變形，最終產生裂紋

失效分析例子——連接器的過機械應力疲勞損傷

樣品：SMA連接器(陰極)

現象：外部插頭(陽極)與該SMA接頭連接不緊，裝機前插拔力檢驗合格

失效模式：接觸不良

半圓弧夾片明顯偏離

插孔周邊絕緣介質有較深的插痕

偏離的半圓夾片根部有裂紋

半圓片裂紋斷面

蠕變----材料在長時間恒溫、恒壓下，即使應力沒有達到屈服強度，也會慢慢產生塑性變形的現象

蠕變導致焊點斷裂

當應力超過某一值時，陶瓷、玻璃和硅等脆性材料易發生脆性斷裂。斷裂一般發生在有初始裂紋和刻痕的地方，當原有裂紋擴展到器件的有源區時，器件將失效。

當應力超過材料的彈性限度或屈服點時，將發生塑性變形(永久)：

Ø   金屬：電阻升高或開裂

Ø   陶瓷等脆性材料：開裂

Ø   MEMS系統：影響精度甚至不能正常工作

封裝界面層分層----粘連在一起的不同層之間出現剝離或分離的現象

原因：表面缺陷

           表面存在水汽和揮發物

           材料不均或表面粗糙等

塑封件因熱膨脹系數不同，溫度變化大時會出現；

塑封件因吸收過多潮氣，在受熱例如焊接過程中出現分層(爆米花現象)；

BGA封裝中，模塑料與基體界的界面及粘膠處易發生水汽爆裂。

引子：銅互連替代鋁互連，雖然銅的電阻率較低，抗電遷移和應力遷移能力強，但應力遷移誘生空洞，導致電阻增大甚至完全斷裂

出現條件：應力梯度—絕緣介質與銅之間的熱失配所致

位置：通孔和金屬連線邊緣等應力集中區域

影響因素：應力、應力梯度、互連結構、工作溫度、金屬介質界面粘附性、互連材料的微觀結構

銅導線上的應力遷移空洞

（2）電致失效

強電流經過金屬線時，金屬離子等會在電流及其他因素相互作用下移動并在線內形成孔隙或裂紋的現象

原因：電場作用下金屬離子擴散所致，不同材料機制不同：

焊點：晶格擴散

鋁互連線：晶界擴散

銅互連線：表面擴散

驅動力：電子與離子動量交換和外電場產生的綜合力、非平衡態離子濃度產生的擴散力、機械應力、熱應力

影響因素：

幾何因素：長度、線寬、轉角、臺階、接觸孔等

材料性質：銅最好、鋁較差、鋁銅合金介于其中

（3）金屬遷移

• 失效模式：金屬互連線電阻值增大或開路

• 失效機理：電子風效應

• 產生條件：電流密度大于10E5A/cm2

                      高溫

• 糾正措施：高溫淀積，增加鋁顆粒直徑，摻銅，降低工作溫度，減少階梯，銅互連、平面化工藝

互連線和焊點的電遷移

（4）閂鎖效應(Latch-up)----寄生PNPN效應

由于MOS管存在寄生晶體管效應(CMOS管下面會構成多個晶體管，它們自身可能構成一個電路)，若電路偶然出現使該寄生晶體管開通的條件，則寄生電路會極大影響正常電路的動作，使原MOS電路承受大于正常狀態很大的電流，可使電路迅速燒毀。

閂鎖狀態下器件在電源與地之間形成短路，造成大電流、過電應力和器件損壞

通信接口集成電路的閂鎖失效

（5）熱載流子效應(Hot Carrier Injection

柵極電壓Vg小于漏極電壓Vd時，柵極絕緣膜下的溝道被夾斷，漏極附近電場增高；

源極流經此區的電子成為熱電子，碰撞增多---漏極雪崩熱載流子；

注入柵極二氧化硅膜中，使其產生陷阱和界面能級，閾值電壓增加，氧化層電荷增加或波動不穩，器件性能退化

（6）與時間相關的介質擊穿(Time Dependent Dielectric Breakdron)

擊穿模型：I/E(空穴擊穿)，E(熱化學擊穿)

I/E模型：電子穿越氧化膜®產生電子陷阱和空穴陷阱+電子空穴對®空穴隧穿回氧化層，形成電流®空穴易被陷阱俘獲®在氧化層中產生電場®缺陷處局部電流不斷增加，形成正反饋®陷阱互相重疊并連成一個導電通道時，氧化層被擊穿。

E模型：熱動力學過程，處于熱應力和外加電場下的偶極子相互作用破壞了Si-O鍵而產生擊穿。

3、電化學失效

• 金屬遷移----從鍵合焊盤處開始的金屬枝晶生長，是一金屬離子從陽極區向陰極區遷移的電解過程。

現象：橋連區的泄漏電流增加，甚至短路

遷移離子：Ag,Pb,Sn,Au,Cu

預防銀遷移的方法：

使用銀合金；

在布線布局設計時，避免細間距相鄰導體間的電流電位差過高；

設置表面保護層；

清洗助焊劑殘留物

• 腐蝕

出現條件：封裝內存在潮氣和離子沾污物

本質：電化學反應

混合集成電路的電化學腐蝕

• 金屬間化合物

• 優點：提高結合力  

• 缺點：過量的金屬間化合物會使局部脆化