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电子产品可靠性复习题
1.可靠性工作最根本的目的是提高IC质量水平和可靠性水平。
2.可靠性物理研究器件的失效机理—其不仅包括芯片，而且还包括器件的内外引线和封装即器件的整体。
3.可靠性物理根据器件的失效机理，对产品进行可靠性试验（可靠性筛选、可靠性寿命测试等），并作出可靠性评估，以调整对新产品的可靠性设计、生产中的质量控制以及器件的正确使用,以最终提高器件的可靠性。
4.可靠性的定义：
可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能（即正常工作）的能力。
规定的条件——电路工作时所处的环境条件、负荷大小以及工作方式；
规定的时间——电路完成规定功能的工作时间,也即正常工作的时间；
规定的功能——电路的性能技术指标。
5.失效密度函数f（t）定义：
产品在t时刻,在单位时间内失效的概率。
6.失效概率：
器件在特定环境下，在时刻t以前失效的几率。
累计失效率：
从0→t时间内失效的累计量。
7.可靠度的定义：
指器件在给定时间内和规定条件下完成规定功能的概率。
8.1Fit的物理意义：
指10亿个产品，在一小时内只允许有一个失效或每千小时只允许有百万分之一的失效概率。
9.F（t）:
反映的是累计的失效率。
10.λ（t）:
反映的是t时尚未失效的器件,在单位时间内的失效率。
11.平均寿命——某批产品寿命的平均值。
12.不可修复产品：
指失效前的工作或储存的平均时间。
13.可修复产品：
指两次相邻失效间，工作时间的平均值，即平均无故障工作时间。
14.固定电荷Qf：
固定电荷是由Si-SiO2界面附近过剩的Si离子或者说是氧空位引起的，其存在于SiO2中，距Si-SiO2界面约几十埃的范围内。
固定电荷的面密度是固定的，不随外加偏压和Si表面势变化；
SiO2层厚度、Si衬底掺杂类型及浓度（1014—1017/cm3内）对Qf无明显影响；
在相似的工艺条件下，Qf随晶体的取向而明显变化，并按（111）>（110）>（100）
顺序递减，近似呈3：
2：
1。
15.可动离子电荷Qm：
氧化层中的可动离子电荷（Li+、K+、Na+等碱金属离子和H＋离子等）其中以钠离子（Na+）影响最大；
原因：
钠性质活泼；含量高；在SiO2中的扩散数仅次于H，比B、P、As大近万倍。
16.抑制可动离子电荷Qm：
由于Si–SiO2界面存在氧化物电荷，引起器件参数不稳定，其中，影响最大的为可动离子电荷（例如Na+）,为减少SiO2中Na+沾污和降低SiO2中Na+的活性,在工艺中采取钝化措施。
钝化主要从三方面进行：
“无Na+”SiO2的生长；
减弱Na+的活性；
防止芯片制成后Na+的二次沾污。
17.界面陷阱电荷Qit：
起源于Si—SiO2界面的结构缺陷、氧化感生缺陷以及金属杂质和辐射等因素引起的一些缺陷。
这种结构缺陷可接受空穴或电子而带一定电荷，即界面陷阱电荷。
18.氧化层陷阱电荷Qot：
主要来源：
Si-SiO2系统受到χ射线、γ射线、高能乃至低能各种辐射后产生的电子－空穴对；也可以是雪崩或非雪崩下热载流子注入产生的电子－空穴对。
Qot可以是正电荷，也可以是负电荷，其取决于SiO2陷阱中俘获的是空穴还是电子。
19.位移辐射效应：
辐射粒子与晶体中的原子发生碰撞，使晶格中的原子位移变成间隙原子，而在原来位置上留下空位，从而形成空位-间隙原子对（Frenkel缺陷），这种现象称为位移辐射效应。
20.电离辐射效应：
当辐射粒子与晶体中的电子相互作用时，把能量传给电子，使电子脱离原来运动的轨道，成为自由电子，而原子则变为带正电的离子，这一过程称为电离辐射效应。
21.单粒子效应：
α射线、高能中子束和宇宙射线中的高能重粒子作用产生的结果称为单粒子效应。
它使DRAM的存储单元产生可以恢复的失效（或误差）--软误差。
22.辐射吸收剂量:
辐射吸收计量是指在辐射环境下，材料单位质量所吸收的能量，单位为Gy（戈瑞）
国际单位制（SI）：
表达式为m2•s-2
与SI单位并用的另一单位：
rad（拉德），其中
1rad＝吸收能量100erg（尔格）/g（克）
1Gy＝100rad
材料不同吸收计量也不同，所以吸收计量需注明是什么材料，例如Gy（Si）或rad（Si）。
23.中子辐射积分通量Fn:
它表明了材料及器件受到位移效应影响的大小,由单位面积照射的中子数表示为:
中子数/cm2。
24.可靠性试验：
凡是为提高产品可靠性、考核产品可靠性、评价和分析产品可靠性而进行的试验。
它包括器件在各种环境条件和工作条件下的模拟试验和使用试验。
25.可靠性试验的目的：
在研制阶段选择最佳设计方案和工艺方案；
在生产过程中确保器件的设计指标；
制定合理的工艺筛选条件；
研究器件的失效机理。
26.可靠性试验的分类：
依据试验目的可分为：
工程可靠性试验——以提高产品固有可靠性为目的；
统计可靠性试验——以评价产品可靠性水平为目的。
27.可靠性试验的分类：
28.从试验方式和场所的角度可分为:
模拟试验——模拟现场环境或工作条件对器件施加应力的试验；
现场试验——在工作现场的试验，包括现场存储和现场使用试验。
29.可靠性试验的分类：
从试验施加应力大小的角度可分为：
破坏性试验——样品参数、结构产生缺损的试验；
非破坏性试验——样品性能、结构未发生变化的试验；
正常和加速应力试验。
30.可靠性试验的分类：
31.依据施加应力的类别可分为：
环境试验——气候环境和辐射环境试验等；
机械试验；
电磁试验。
32.潮湿试验：
针对典型的热带气候环境设计的，以施加加速应力的方法评定产品在潮湿和炎热的条件下抗衰变的能力。
33.盐雾试验：
模拟海洋大气的环境，以检验器件的电镀层和化学涂覆层的质量。
34.辐射试验：
研究和探索核辐射对器件性能的影响，以得到各种器件致命的损伤剂量、失效规律及其机理。
35.机械振动试验：
在实验室中模拟各种恶劣的环境，以检验、考核电路在不同振动条件下的结构牢固性和电参数的稳定性。
36.密封性试验：
确定器件的漏气速率
气密封装漏气速率小于10-8大气压•厘米3/秒；
相当于在一个大气压差下，30年内不允许1厘米3的氦气漏过封接处;
37.寿命试验：
定义：
评价分析产品寿命特征的试验称为寿命试验：
目的：
是要知道在一定条件下半导体器件的寿命，即了解器件在贮存和工作条件下，器件参数随时间不可逆的变坏过程。
38.可靠性筛选：
将坏的不符合规定要求的废次品，通过各种方法予以淘汰、剔除,而将好的、合格的产品选出留下；
任何产品的可靠性是该产品本身固有的，是由人们设计并制作进去的。
39.高温贮存筛选：
通过热应力来加速可能发生或存在的任何物理、化学反应。
40.功率老化和高温工作筛选:
在额定功耗下，同时提高环境温度以获得足够大的筛选应力，将器件制造过程中可能存在的一系列表面、体内及金属化的潜在缺陷器件剔除。
41.失效分析的作用:
通过失效分析得到改进设计、工艺或应用的依据和启示；
通过了解引起失效的现象和机理，得到预测可靠性的模型和公式；
为确定可靠性试验条件提供理论依据和实际分析手段；
为工程选用器件提供决策依据。
42.IC失效分析程序的基本原则：
先调查、了解与失效有关的情况（器件类型、运用时应力条件、失效现象等）,后分析
失效器件；
先做外部分析,后做内部（介剖）分析；
先做非破坏性分析,后做破坏性分析。
43.IC失效分析的步骤：
数据的收集与分析；
失效现象的观察和判定；
假定失效机理；
失效机理的认定与验证；
总结。
44.破坏性物理分析的目的；
检查实际产品是否与其设计、工艺所要求的相符合；
提出批产品处理意见和修改措施；
独立地检查、验证供货方的产品质量。
45.微分析技术的物理基础：
利用电子、离子或光子入射束入射到样品表面，入射束与电路表面原子或晶体相互作用后，发射出电子、离子、中子或光子中的一种或同时发射出数种，这些带有样品表面信息的出射粒子经相应的探测器接收、分析,即可得到样品的图像（形貌）和谱（组分）。
46.用于显示样品表面或剖面形貌的分析手段主要有：
光学显微镜（OM）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、场发射透射电子显微镜（FE-TEM）和聚焦离子束（FIB）等。
47.SEM的成像机制：
样品表面不同材料的二次电子产额不一样，不同材料表现出不同衬度（相邻部分间的黑白对比度或颜色差）；
样品表面的起伏导致二次电子产额的差异；
样品表面电位不同，产生不同的电压衬度。
48.SEM样品制备：
基本要求—导电，否则，由于电子束不断扫描会使表面积累电荷，造成样品表面充电，
影响图像质量。
处理方法—表面蒸发一层金或碳导电膜。
49.透射电子显微镜TEM的工作原理
原理:
由电子枪发射的电子束，经高压加速和会聚透镜的作用，聚焦于样品表面，由于样品很薄（<1000A0），透过样品的电子经物镜成像，再经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光上得到电子显微像。
50.在TEM中，衍射束汇聚成衍射斑点，晶体样品的各衍射点构成电子衍射花样，由晶体电子衍射谱可直接得出试样的晶体点阵特征，用于晶体微观结构的分析研究。
51.聚焦离子束技术FIB：
扫描成像的最小分辨率可达7nm；微细加工时最小束斑可达0.01-0.05mm。
52.FIB设备的基本功能：
根据离子束流大小的不同，可分别用来进行微区刻蚀、淀积和扫描离子成像。
53.FIB微区刻蚀：
在待刻蚀区域用离子束扫描，通过纯物理溅射的方法进行。
刻蚀时导入辅助性气体碘（I2），使被溅射的物质与碘形成挥发性化合物，被真空抽走以增强刻蚀。
54.FIB微区淀积:
根据选择不同的反应气体，FIB可在微区淀积金属Pt或绝缘的SiO2介质；
淀积Pt选用铂的金属有机物C9H16Pt；淀积SiO2用TEOS。
55.组份分析中常用的分析手段：
X射线能谱（EDX）——电子探针；
俄歇电子谱（AES）；
X射线光电子谱（XPS）；
动态二次离子质谱（SIMS）——离子探针。
56.X射线能谱分析（Energy-DispersiveX-RayMicroanalysis－EDX）又称电子微探针（ElectronProbemicroanalysis－EPMA）。
将聚焦良好，具有一定能量的电子束照射在样品上，样品中各组成元素因受激发而发射各自的特征X射线，测定这些特征X射线的频率或强度，就可以进行试样成份的定性或定量分析。
57.俄歇电子能谱（AES）：
将一束具有一定能量，并经良好聚焦的电子束投射到样品表面，电子束与表面原子相互作用，产生相应原子的俄歇电子，这些具有特征能量的电子进入附近的能量分析器。
分析器利用静电或磁的作用对进入的电子根据其所携带的能量进行色散或偏转，使对应于某一特定能量的电子汇聚在分析器的出口处，而将其它能量的电子阻挡掉。
在出口处放一检测器，检测通过分析器出来的俄歇电子信号，再经过适当的放大与处理，送入记录仪。
当分析器上电压扫描时，记下的图形即是俄歇电子能谱。
58.X射线光电子能谱XPS（X-rayphotoemissionspectroscopy）物理基础：
在外界x光的作用下，电子逸出表面成为光电子,其能量关系符合爱因斯坦方程:
EK=hg-Eb
式中，EK为光电子动能，hg为入射光子能量（XPS中是固定的），Eb为光电子在原子中的结合能，测得Ek值，即可知发出光电子的元素了。
59.二次离子质谱（SecondaryIonMassSpectrum）：
用高能离子束（一次离子）轰击样品，在样品表面激发出光子、电子、中性原子、带电离子，甚至溅射出微粒或原子、分子基团，将其中的正负二次离子引入质谱仪进行分析，再由检测系统收集，据此来识别样品的组份。
60.SIMS也称离子探针，主要由四部分组成：
产生并加速和聚焦入射离子的离子枪；
用来放置和移动样品的样品室；
使二次离子按荷质比分离的质量分析器；
检测和显示系统。
61.可靠性设计的基础工作是建立单一失效机理的可靠性模型；在模型的指导下按下述思想进行可靠性设计：
查找电路设计方案中的可靠性薄弱环节；
改进电路设计和版图设计，减少引起失效的应力条件；
提高IC承受各种应力作用而不致发生失效的能力。
62.常规可靠性设计技术：
包括对电路进行冗余设计、降额设计、灵敏度分析、中心值优化设计。
63.针对主要失效模式的器件设计技术：
根据失效物理分析，针对主要失效模式合理设计器件结构、几何尺寸参数和物理参数。
64.针对主要失效模式的工艺技术措施：
将失效物理与工艺过程结合在一起考虑，包括采用一些新的工艺技术，调整工艺参数，选用合适的材料等。
65.电路可靠性计算机模拟技术：
以电路结构、版图布局布线以及可靠性特征参数为输入，对电路的可靠性进行计算机模拟分析，是一项将器件失效物理与电路设计相结合的技术。
66.常规可靠性设计技术:
经几十年的发展，系统和整机的可靠性设计已形成一套比较系统的定量设计方法，其中有一部分方法，例如降额设计、冗余设计、灵敏度分析和最坏情况分析等可直接引用到集成电路的可靠性设计中。
这些同时适用于系统、整机以及集成电路的设计方法称之为常规可靠性设计方法。
67.降额设计及带来的问题:
使电路工作时，对可靠性影响较大的关键部件承受的应力适当低于常规水平，以降低其基本失效率，使电路设计具有较大的裕量。
降额设计增大版图设计面积，影响电路的一些特性参数等。
68.冗余设计：
在构成电路系统时，如果除了通常工作单元外，还增加一些后备单元，这样，在工作过程中，即使有一个单元失效，但整个系统仍能正常工作，这类系统称为冗余系统，又称为储备系统。
69.灵敏度分析的含义及及应用:
定量分析并比较电路特性对不同元器件变化的灵敏程度；
分析电路中起关键作用的器件，在工作时所受应力的大小及电路可靠性对一些关键器件的灵敏度高低，由此决定关键器件的可靠性设计。
70.最坏情况分析：
进行最坏情况分析（WorstCaseAnalysis）时，是按电路特性向同一方向变化的要求，确定每个元器件的（增、减）变化方向，然后再使这些元器件同时变化并进行电路分析，检查在这种最坏情况下电路特性的变化。
71.工艺参数监测技术的类型：
原位测量（insituationmeasurement）；
在线测量（in-linemeasurement）；
芯片工艺结束后的测试（end-of-test）；
离线测试和分析（off-linetestandanalysis）。
72.微电子测试图技术的含义：
专门设计的微电子测试结构与电路管芯经历相同的工艺过程，通过这些图形进行简单的电学测量或直接用显微镜观察，即可提取有关生产工艺参数和单元器件或电路的电参数，如材料的电阻率、扩散层的薄层电阻、接触电阻、光刻套准精度、腐蚀质量和参数均匀性等等。
73.微电子测试图技术的特点：
测试结果准确；
适用范围广，可以测量常规方法难以获得的一些工艺参数；
能准确得到该参数在晶片上及不同晶片间的统计分布情况；
占用面积不大，一般在片子的每个象限中分布几个测试图形；
测试方法简单。
74.范德堡测试图形的设计要求：
要根据具体工艺流程，正确合理地安排图形中各层次的图形结构关系；
为保证修正系数f可取为1，设计图形应高度对称；
为使所测区域的杂质分布变化量小，正十字区域的面积不应过大。
75.画出指数分布的分布密度函数f（t），并在图上标出F（t）。
P14
76.画出正态分布的累积分布函数F（t），并在图上标出f（t）。
77.画出纯并联系统，并说明Rs（t）和Fi（t）的关系（假设各Fi（t）相等）。
P19
78.画出串联系统，并说明Fs（t）和Ri（t）的关系（假设各Ri（t）相等）。
P17
79.画出隔离掺杂方块电阻测试结构，并画出其剖面图。
P120
80.画出金属层方块电阻测试结构，并画出其剖面图。
P120
81.画出X控制图，并说明如何求得μ的估算值。
P136
82.画出S控制图，并说明如何求得μs的估算值。
P137
83.试讨论工序能力指数、实际的工序能力和工序能力分析。
（假设参数满足正态分布和参数分布中心偏离规范中心1.5σ）
a.尽管工艺中采用的是经优化确定的条件，由于存在工艺起伏，最后实际得到的工艺参数
还是会呈现一定的分散性，其中有一部分参数仍会超出工艺规范要求，为此，应利用
各种工艺参数监测技术，采集足够量的工艺参数，进行工序能力分析，以确定实际工
艺满足工艺参数规范要求的能力。
一般情况下，工艺参数遵循正态分布：
这里m为工艺参数的平均值；σ是正态分布标准偏差，它的大小反应了参数的分散程度；
σ越小，工艺参数的均匀程度越高。
对正态分布，绝大部分参数值集中在m±3s范围内，其比例为99.7％，也即正负三倍标准偏差一方面代表了工艺参数的正常波动范围，同时也反映了该工序能稳定生产合格产品能力的强弱，因此，通常将6s称为工序能力。
b.工序能力指数Cp:
Cp=（Tu-TL）/6s=T/6s
式中Tu和TL分别为工艺参数的上限和下限，T为工艺参数规范范围。
工序能力指数Cp值直接反映出工艺成品率的高低，因此就定量地表征了该工序满足工艺规范要求的能力。
例如：
在工艺规范中心（TU－TL）/2与工艺参数分布中心m重合的情况，若规范要求范围为±3s，即T＝6s,则由上式得CP＝1；而对正态分布，工艺参数在m±3s范围的比例为99.73%，这就说明CP＝1对应于工艺成品率为99.73%，相应的不合格品率为0.27%。
c.工序能力指数Cpk:
在现实生产中，工艺参数分布中心m与工艺规范要求中心值（TU－TL）/2相重合的
情况不多见，特别是在IC生产中，大多采用“间接”工艺控制，因此更难使两者重合。
例如，IC中的扩散工艺，并不能在扩散过程中随时监测方块电阻RS的变化情况，因此
不能做到在RS达到规范中心值时结束扩散；
“间接”控制的工艺，工艺参数分布的中心值m与规范中心值偏移的程度一般为1.5s
大小。
在规范中心与参数分布中心不重合的情况下，按下式计算实际的工序能力指数:
Cpk=T/6s（1-K）=（Tu-TL）/6s（1-∣m-（Tu-TL）/2∣/（（Tu-TL）/2））
式中K为工艺参数分布中心对规范中心的相对偏离度，
如图所示偏离1.5s的情况，若T仍为6s，则CPK=0.5。
这时，成品率是93.32%,对应的不合格率为66,810´10-6。
84.试讨论恒定加速度试验--离心加速度试验并举例。
a.恒定加速度试验--离心加速度试验：
考核电路承受恒定加速度的能力，其可暴露由电路结构强度低和机械缺陷引起的失效；
物体作曲线运动时都要受到离心力的作用：
a=ω2R=4π2n2R=4n2R（g）
式中：
n为转速（转/秒），R为半径（米），g为重力加速度。
b.如：
某导弹最大时速V=5000公里/小时，在追踪目标时最小转弯半径为5公里
则：
n=V/（2πR）=0.045转/秒
a≈4n2R（g）=40（g）
c.又如：
炮弹出膛后作高速旋转运动转速可达2万转/分，器件装在离心轴线5厘米处
则：
a=4n2R（g）=4×1.1×105×5×10-2=22000（g）
d.试验在电路芯片脱出方向，压紧方向和相切方向进行，加速度取值范围在5000-125000g
之间。
85.试讨论电迁移现象、电迁移失效的机理以及Black方程。
a.铝的电迁移现象：
当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离子将发生动量交换而引起金属离子的
迁移，这种现象称为金属的电迁移。
b.电迁移失效的机理：
电迁移的离子流密度：
J=Nv
式中：
v=μF
这里：
N为粒子流密度，v为离子运动速度,μ为离子迁移率,F为作用在离子上的力
F=Fq+Fe=q（Z-Z’）E=qZ*E
式中，Fq为电场力，Fe为载流子（电子）与金属离子间动量交换产生的摩擦力；
Z*相当于有效的原子价数,Z*q称为有效电荷。
∵E=ρj
∴F=qZ*ρj
式中：
j为电子流密度，ρ为电阻率
则:
J=NμF=NμqZ*ρj
此式即为电迁移离子流方程。
IC常用的金属Al和Au,其Z*<0，说明“电子风”力使离子向正电极移动；
ZAu=-8,ZAl=-30,说明Au膜抗电迁移能力大大优于Al膜；
ZAl=-30,说明Al抗电迁移能力较差；
W、Pt、Co等Z*>0,说明“电子风”导致金属离子向负电极方向移动；
Pt、Co的Z*很小，抗电迁移能力很强。
c.Black方程:
电迁移平均失效时间MTFMTF—反映器件表面金属化抗电迁移的能力。
T50是指一组同样的金属薄膜，在同样的测试或工作条件下，使50％金属薄膜失效所需
要的时间。
失效的判据为薄膜电阻增大100％。
电迁移失效由材料结构梯度引起时：
MTF∝1/j
电迁移失效由温度梯度引起时：
MTF∝1/j3
综合上述二式，并忽略指数前的温度项：
MTF=Cwd/jnexp（Qb/KT）
这里，n＝1，对应于小电流密度时的情况；n=3,对应于大电流密度时的情况。
C为与薄膜结构梯度、薄膜衬底及覆盖层性质有关的参数
86.试讨论Arrhenius模型、温度加速度因子τ以及在加速寿命试验中的应用。
a.Arrhenius模型（加速试验的原理）：
大多由器件表面、体内以及金属化系统等的物理化学变化引起的，引起这些变化的速率都与温度有很大的关系;一般温度升高以后,这些变化过程大大加快,器件失效过程被加速,寿命缩短,失效率增加。
失效变化速率（dM/dt）与温度T之间的关系——阿列尼乌斯方程：
dM/dt=A0exp（-AE/KT）
式中：
AE为失效机构激活能（eV），A0为常数
如器件初始状态为M1，时间为t1；失效状态为M2，时间为t2，
设：
DM=M2-M1，t=t2-t1
则：
texp（-AE/KT）=DM/A0
令：
A=lgDM/A0,B=AE/2.303K
得（半导体器件加速寿命试验方程：
lgt=A+B/T
式中：
A、B为常数，T为PN结温度，t为器件在不同温度下达到某一相同累积失效率的时间；
这一结论已成为高温加速寿命试验的经典公式和理论依据；
b.温度加速度因子τ以及在加速寿命试验中的应用
常规应力条件下进行的试验与某种应力条件下加速试验达到相同累计失效率所需时间
的比值:
τ=（累积失效为F（t）时的）正常失效时间/（达到同一失效的）加速的失效时间
加速因子可以由常温T0和加速后高温Th的两个加速方程得到：
τ=exp（AE/KT0）/exp（AE/KTh）=exp（AE/K（1/T0-1/Th））
式中：
Th的最大值取决于材料的共晶点或导致产生热载流子时的最高使用温度。
若某一失效过程AE=0.5eV,加速因
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