可靠性物理PDF电子书下载

绪论 1

0.1 信息时代与电子元器件 1

0.1.1 21世纪是信息时代 1

0.1.2 信息技术的发展趋势 2

0.1.3 电子元器件的发展 3

0.2 电子元器件的质量和可靠性 5

0.2.1 一代器件、一代整机、一代装备 5

0.2.2 电子元器件的定义 7

0.2.3 电子元器件可靠性物理研究的内容 8

0.2.4 电子元器件的质量和可靠性 9

第1章 电子元器件的理论基础 11

1.1 固体及半导体导电理论简介 11

1.1.1 晶体的基本类型 11

1.1.2 晶体的结构 14

1.1.3 晶体的能带结构 16

1.1.4 N型和P型半导体 18

1.1.5 载流子的漂移与扩散 21

1.1.6 金属热电子发射和接触电势差 22

1.2 基础元件 24

1.2.1 电阻器 24

1.2.2 电感器 26

1.2.3 电容器 27

1.3 pn结 28

1.3.1 pn结的空间电荷区 28

1.3.2 pn结的伏安特性 29

1.3.3 pn结的势垒电容和扩散电容 30

1.3.4 pn结的击穿 31

1.4 晶体三极管 33

1.4.1 半导体晶体管的发明 33

1.4.2 双极（型）晶体管的静态特性 34

1.5.1 半导体表面效应 36

1.4.3 双极晶体管的频率特性 36

1.5 半导体表面概论 36

1.5.2 功函数和氧化层电荷 38

1.6 MOS场效应晶体管（MOSFET） 39

1.6.1 MOS晶体管的工作原理 39

1.6.2 MOS晶体管的电流电压方程 41

1.7 半导体的光—电子学效应 44

1.7.1 内光电效应 44

1.7.2 外光电效应 45

1.7.3 受激发射 46

1.8 真空电子器件基础 47

1.8.1 什么是电子 47

1.8.2 自由电子在静电场中的运动 47

1.8.3 电子在磁场中的运动 48

1.9 相图 49

1.8.4 电子在复合电场和磁场中的运动 49

1.9.1 一元相图 50

1.9.2 二元相图 50

1.9.3 共晶相图 52

1.9.4 包晶反应及其他反应 54

1.10 金属膜及金属化层 55

1.10.1 金属膜的电阻 56

1.10.2 金属—绝缘体（膜）接触 56

1.10.3 金属—半导体的欧姆接触 58

习题与思考题 61

第2章 电子元器件的技术基础 62

2.1 平面工艺与集成电路 62

2.1.1 硅平面型晶体管 62

2.1.2 硅平面工艺的特点 63

2.1.3 集成电路的出现 64

2.1.4 MOS晶体管在大规模集成电路中的重要地位 65

2.1.5 微电子工艺技术 66

2.2 氧化工艺 67

2.2.1 SiO2膜的特性 67

2.2.2 热生长氧化膜制备 69

2.2.3 氧化层错 70

2.3 刻蚀技术 71

2.3.1 刻蚀工艺流程 71

2.3.2 抗蚀剂 73

2.3.3 曝光技术 74

2.3.4 显影工序 78

2.3.5 套刻容差 79

2.3.6 刻蚀技术 79

2.3.7 干法刻蚀工艺的比较 83

2.4 扩散法掺杂技术 83

2.4.1 微电子技术对掺杂的要求 84

2.4.2 固体中的扩散模型和杂质分布 85

2.4.3 扩散系数和扩散机制 88

2.4.4 微电子技术中的扩散方法 90

2.4.5 测量技术 93

2.5 离子注入掺杂技术 94

2.5.1 离子注入深度和注入浓度分布 94

2.5.2 离子注入设备 96

2.5.3 注入损伤和退火 98

2.5.4 离子注入层的检测 99

2.5.5 离子注入与扩散法掺杂工艺的比较 99

2.6 晶体外延生长技术 100

2.6.1 外延工艺的作用 100

2.6.2 外延设备和反应室中的工作状态 101

2.6.3 外延的基本原理 102

2.6.4 外延掺杂和杂质浓度分布 102

2.6.5 外延缺陷及降低缺陷的方法 103

2.6.6 其他外延生长技术 104

2.7 表面薄膜气相淀积技术 107

2.7.1 物理气相淀积（PVD）技术 107

2.7.2 化学气相淀积（CVD）技术 109

2.7.3 台阶的覆盖问题 113

2.7.4 淀积方法的比较 114

2.8 清洁处理 115

2.8.1 表面污染及来源 115

2.8.2 清洁处理方法的分类 116

2.8.3 等离子清洗 117

2.9 双极集成电路制造工艺 117

2.10 CMOS集成电路制造工艺 120

2.11 低压气体放电和等离子体 122

2.11.1 自持放电 122

2.11.2 等离子体的产生方法 123

2.11.3 气体放电中的物理和化学现象 124

2.12 腐蚀 125

2.12.1 原电池的电极和电极反应 125

2.12.2 电极电势 126

2.12.3 电解 128

2.12.4 金属的腐蚀和钝化 130

2.12.5 原电池的电化学腐蚀 131

2.12.6 金属迁移 133

习题与思考题 136

第3章 电子元器件失效的物理模型 137

3.1 失效与环境应力 138

3.1.1 失效的定量判据 138

3.1.2 失效的分类 139

3.1.3 环境应力与失效 142

3.1.4 环境保护设计 143

3.1.5 材料的结构与失效 147

3.2 失效物理模型 149

3.2.1 界限模型 149

3.2.2 耐久模型 149

3.2.3 应力—强度模型 150

3.2.4 反应速度论——阿列里乌斯（Arrhenius）模型 150

3.2.5 反应速度论——艾林（Eyring）模型 152

3.2.6 最弱环模型及串联模型 154

3.2.7 并联模型和筷子表模型 154

3.2.8 累积损伤（疲劳损伤）模型 155

3.3 失效模式与失效机理 155

3.3.1 失效机理的各种主要原因 155

3.3.2 失效机理和失效模式的相关性 157

3.3.3 失效模式和失效机理随时间变化 158

3.3.4 失效模式和机理与质量等级的关系 159

3.3.5 集成电路的质量等级 161

习题与思考题 162

第4章 失效分析和破坏性物理分析 163

4.1 电子元器件失效分析的目的及作用 163

4.2 失效分析工作的流程和通用原则 165

4.2.1 失效分析工作的流程 165

4.2.2 电子元器件失效分析的一些原则 165

4.3 失效分析报告 166

4.3.1 失效的数据收集 166

4.3.2 失效分析报告内容 168

4.3.3 失效分析报告格式 171

4.3.4 失效分析报告的审查、处理和应用 172

4.4 失效机理的验证试验和失效模式的统计评估 175

4.4.1 失效原因和机理的假设及分析 175

4.4.2 失效机理验证工作 178

4.4.3 估计失效模式的发生概率和危害性 178

4.5.1 电子元器件失效分析程序的步骤 180

4.5 电子元器件失效分析的程序 180

4.5.2 中国军用标准的微电路失效分析程序 181

4.5.3 军用标准中微电路失效分析程序的特点 185

4.5.4 微电路失效分析程序的比较 187

4.6 破坏性物理分析 191

4.6.1 破坏性物理分析的目的和试验项目 191

4.6.2 破坏性物理分析的作用与失效分析的关系 192

4.6.3 破坏性物理分析的方法和程序 193

4.6.4 破坏性物理分析案例 197

习题与思考题 203

第5章 电子元器件失效分析方法 204

5.1 电子元器件失效分析的常用程序及方法 204

5.1.1 元器件的解焊技术 204

5.1.2 非破坏性的分析方法 205

5.1.3 半破坏性的分析方法 216

5.1.4 破坏性分析方法 220

5.1.5 综合评价和对策 228

5.2 失效分析中几种常用方法介绍 228

5.2.1 结截面显示方法 228

5.2.2 内涂料去除方法 231

5.2.3 钝化层等的去除方法 231

5.2.4 材料缺陷的显示方法 232

5.2.5 扩散管道显示方法 233

5.2.6 判断二氧化硅层针孔的几种方法 233

5.2.7 微小区域的探测技术 234

5.3 从失效器件的电学特性分析失效 236

5.3.1 电连接性检测 236

5.3.2 端口的伏安特性检测 237

5.3.3 引出端之间的电测试 237

5.3.4 晶体管异常输出特性曲线 239

5.3.5 MOS管异常输出特性曲线 241

5.4 电子元器件失效分析技术 242

5.3.6 测试分析时应注意的几个问题 242

5.4.1 光学显微镜分析技术 243

5.4.2 红外显微镜分析技术 246

5.4.3 显微红外热像仪分析技术 247

5.4.4 声学显微镜分析技术 249

5.4.5 液晶热点检测技术 251

5.4.6 光辐射显微分析技术 254

5.4.7 判断失效部位和机理的方法 257

5.5 电子元器件失效分析常用设备 259

5.5.1 元器件失效分析的常用设备 259

5.5.2 国外可靠性失效分析实验室设备情况 261

习题与思考题 265

第6章 微分析技术 267

6.1 引言 267

6.2.1 电子束与固体表面的作用 268

6.2 电子显微镜和X射线谱仪 268

6.2.2 扫描电镜（SEM） 270

6.2.3 电子探针X射线显微分析（EDX、XES和WDX） 276

6.2.4 电子束测试系统（EBT） 278

6.2.5 透射电镜（TEM） 279

6.3 俄歇电子能谱（AES） 281

6.3.1 俄歇电子能谱仪的工作原理 281

6.3.2 俄歇电子能谱在电子元器件失效分析中的应用 282

6.3.3 综合性能分析装置 284

6.4 二次离子质谱（SIMS） 285

6.4.1 离子质谱仪 285

6.4.2 SIMS在失效分析中的应用 286

6.5 光电子能谱 288

6.5.1 X射线光电子能谱（XPS,ESA） 288

6.6 卢瑟夫背散射频谱学（RBS） 290

6.5.2 紫外光电子能谱（UPS） 290

6.7 其他微分析技术 291

6.7.1 中子活化分析（NAA） 291

6.7.2 X射线荧光（XRF） 292

6.7.3 激光反射（LR） 292

6.7.4 NRA和EDX 293

6.8 检测缺陷的IDDQ测试技术 293

习题与思考题 294

第7章 在管理工作中的失效分析和失效分析事例 296

7.1 电子元器件失效分析事例 296

7.1.1 齐纳二极管的失效分析 296

7.1.2 功率晶体管的疲劳寿命 298

7.1.3 由尘埃引起的开关接点接触不良的分析 299

7.1.4 对由硅污染引起的接触不良现象的分析 300

7.1.5 短路原因的分析 302

7.1.6 开路原因的分析 303

7.1.7 特性劣化原因的分析 305

7.1.8 钝化层过薄 307

7.1.9 氧化层缺陷 307

7.1.10 半导体器件内部可动多余物的失效分析 309

7.2 失效分析在工程管理中的应用 312

7.2.1 电子元器件和VLSI的制造环境 312

7.2.2 VLSI对硅单晶材料的要求 314

7.2.3 液体中微粒子的测定 317

7.2.4 半导体的表面检测技术 317

习题与思考题 321

第8章 电子元器件的电极系统及封装的失效机理 322

8.1 金属膜和金属化层的失效机理 322

8.1.1 机械损伤 322

8.1.3 结尖峰与结穿刺的失效 323

8.1.2 非欧姆接触和接触电阻过大 323

8.1.4 铝金属化再结构造成器件失效 326

8.1.5 氧化层台阶处金属膜断路 327

8.1.6 过合金化造成器件失效 328

8.1.7 金属化互连线开路的失效定位方法 329

8.2 金属的电迁移 330

8.2.1 电迁移现象 330

8.2.2 电迁移引起的器件失效模式 331

8.2.3 提高抗电迁移能力的措施 331

8.2.4 VLSI与电迁移 334

8.2.5 VLSI中的铜互连技术 336

8.3 引线键合的失效机理 338

8.3.1 键合工艺差错造成失效 338

8.3.2 内引线断裂和脱键 339

8.3.4 热循环使引线疲劳而失效 340

8.3.3 金属间化合物使Au-Al系统失效 340

8.3.5 内涂料应力造成断丝 341

8.3.6 键合应力过大造成失效 341

8.3.7 引线键合失效的分析技术 342

8.4 电子元器件电极系统焊（压）接的失效 342

8.4.1 焊接、压接的失效模式 342

8.4.2 焊接的主要失效机理 344

8.4.3 消除焊接失效和隐患的措施 345

8.5 芯片贴装失效机理 345

8.5.1 银浆烧结 346

8.5.2 合金焊 346

8.5.3 有机聚合物粘接 347

8.5.4 芯片粘接失效的分析技术 349

8.6 电子元器件封装的可靠性 349

8.6.1 电子元器件封装的要求和类型 349

8.6.2 封装的失效模式 350

8.6.3 金属封装的失效机理 351

8.6.4 塑料封装的失效机理 352

8.6.5 封装失效的分析技术 355

8.7 电极系统和封装的腐蚀 355

8.7.1 电子元器件外引线的腐蚀 355

8.7.2 电子元器件内引线的腐蚀 357

8.8 电子元器件的热应力失效 360

8.8.1 热应力来源 360

8.8.2 热应力失效 361

8.8.3 电子元器件的热匹配设计 362

8.9 提高电极系统和封装可靠性的基本保证 363

8.9.1 封装 363

8.9.2 金属 364

8.9.3 其他材料 364

8.9.4 内部导体 365

8.9.5 封装元件材料和镀涂 367

8.9.6 器件镀涂工艺 367

8.9.7 芯片的镀覆与安装 368

8.9.8 零件镀涂工艺 369

8.9.9 返工规定（GJB 33A中规定） 371

习题与思考题 371

第9章 半导体和微电子器件的失效和可靠性 373

9.1 微电子器件的失效模式和失效机理 373

9.1.1 集成电路主要失效机理 373

9.1.2 半导体器件、集成电路失效模式与相应的失效机理 374

9.2 微电子器件的表面失效模式与失效机理 377

9.2.1 氧化层中的电荷 377

9.2.2 二氧化硅层缺陷对器件性能的影响 377

9.2.3 二氧化硅中正电荷对器件性能的影响 378

9.2.4 硅—二氧化硅的界面陷阱电荷对器件性能的影响 385

9.3 VLSI中金属—半导体接触系统的可靠性 387

9.3.1 铝—硅接触系统 388

9.3.2 硅化物对器件性能的影响及其可靠性问题 389

9.4 微电子器件的体内失效模式和失效机理 391

9.4.1 热电效应引起器件的失效 391

9.4.2 晶体缺陷对器件性能和可靠性的影响 396

9.5 微电子电路超薄栅介质的可靠性 400

9.5.1 概述 400

9.5.2 薄氧化层的与时间相关的介质击穿 401

9.5.3 热载流子效应 404

9.6 过电应力失效 407

9.6.1 过电应力失效及其判定 407

9.6.2 过电应力耐量试验 408

9.6.3 微电子器件的过电应力失效案例 408

9.7.1 闩锁效应及其机理 410

9.7 闩锁效应 410

9.7.2 闩锁发生条件 412

9.7.3 闩锁的检测方法 414

9.7.4 CMOS电路的防闩锁设计 416

9.7.5 CMOS电路闩锁失效的案例 419

9.8 动态存储器中的软误差 420

9.8.1 产生存储器软失效的两种失效机理 420

9.8.2 产生软误差的条件 422

9.8.3 降低软误差率的方法 423

9.8.4 SRAM中典型问题的解决方法 424

9.9 超大规模集成电路的主要失效机理和分析技术 424

9.9.1 超大规模集成电路（VLSI）的主要失效机理 424

9.9.2 VLSI漏电和短路的主要失效机理和失效定位技术 425

9.9.3 VLSI的失效分析技术的发展趋势 425

习题与思考题 426

第10章 阻容元件的失效模式和失效机理 428

10.1 电阻器的失效模式与失效机理 429

10.1.1 电阻器的主要参数和类别 430

10.1.2 电阻器常见失效模式与失效机理 433

10.1.3 电阻器失效机理分析 436

10.1.4 电阻器的失效分析方法 438

10.2 电位器的失效模式与失效机理 440

10.2.1 电位器的主要参数和分类 440

10.2.2 常见失效模式与失效机理分析 443

10.3 电容器的失效模式与失效机理 447

10.3.1 电容器的主要参数和失效分析程序 447

10.3.2 电容器的解剖和分析方法 449

10.3.3 电容器失效模式和失效机理 451

10.3.4 电容器失效机理分析 453

10.3.5 提高电容器可靠性的措施 461

10.3.6 电容器失效分析案例 464

10.4 厚膜元件及互连线的失效模式与失效机理 467

10.4.1 薄膜元件及互连线的失效模式与失效机理 468

10.4.2 厚膜元件及互连线的失效模式和失效机理 470

10.4.3 混合电路焊接和封装的失效模式与失效机理 471

习题与思考题 472

第11章 继电器和连接器的失效机理分析 473

11.1 接触元件的可靠性物理 473

11.1.1 接触电阻及其失效 473

11.1.2 接点粘结失效的类型及原因 479

11.1.3 接点的电腐蚀 479

11.2 继电器、连接器和开关的失效模式与失效机理 480

11.2.1 电磁继电器的失效模式、失效机理 481

11.2.2 连接器及开关的失效模式和失效机理 483

11.3 继电器与连接器的失效分析 486

11.3.1 失效分析的内容 486

11.3.2 失效分析的程序 489

11.3.3 继电器失效分析示例 490

习题与思考题 493

第12章 光电子元器件的可靠性 494

12.1 激光器的可靠性 494

12.1.1 激光器基本理论 494

12.1.2 固体激光器的失效与可靠性 496

12.1.3 半导体激光器的失效与可靠性 498

12.1.4 气体激光器的失效与可靠性 500

12.2 高功率绿光固体激光器的寿命分析 502

12.2.1 二极管泵浦绿光固体激光器系统组成及功能 502

12.2.2 二极管泵浦绿光固体激光器的寿命分析 503

12.3 红外探测器 505

12.3.1 光子探测器 505

12.3.2 红外探测器的失效 509

12.4.1 光源 510

12.4 光纤传输系统 510

12.4.2 光无源器件 512

12.4.3 光器件的发展与应用 514

12.5 光电二极管的失效模式和失效机理 514

12.5.1 InGaAs/InP光电二极管基本工作原理 514

12.5.2 PIN是光电二极管基本结构图 517

12.5.3 基本工艺及技术 518

12.5.4 失效分析的常用程序和方法 518

12.5.5 主要失效模式和失效机理 520

12.6 光缆的失效模式和失效机理 522

12.6.1 工作原理 523

12.6.2 分类、基本结构及特性 523

12.6.3 光缆的工艺过程及技术 526

12.6.4 主要失效模式和失效机理 528

12.6.5 失效分析常用方法 531

习题与思考题 532

第13章 真空电子器件的可靠性 534

13.1 真空电子器件的特点和重要性 534

13.1.1 真空电子器件的用途和含意 534

13.1.2 真空电子器件的基本特点 535

13.1.3 真空电子器件的分类 536

13.2 微波管的主要参量 537

13.2.1 磁控管的简单工作原理 537

13.2.2 微波管的性能参量 538

13.3 行波管的失效模式和失效机理 541

13.3.1 行波管的简单工作原理 541

13.3.2 行波管的可靠性 542

13.3.3 失效模式及提高可靠性的技术途径 543

13.3.4 失效分析案例⑶ 546

13.4.1 阴极发射材料 547

13.4 真空电子器件阴极的可靠性 547

13.4.2 目前国内阴极存在的共性问题 549

13.4.3 解决目前阴极问题的措施和技术途径 550

习题与思考题 551

第14章 电子元器件的静电放电损伤 553

14.1 静电的产生与来源 553

14.1.1 静电的特性 553

14.1.2 静电的产生 554

14.1.3 静电的来源：人和尘埃 556

14.2 静电放电模型 559

14.2.1 人体模型（HBM） 559

14.2.2 带电器件模型（CDM） 561

14.2.3 电场感应模型（FIM） 563

14.3 静电放电灵敏度的测量 564

14.3.1 静电放电灵敏度（ESDS）的测量 564

14.2.5 带电芯片模型（CCM） 564

14.2.4 机械模型（MM） 564

14.3.2 静电敏感元器件的分类 565

14.4 静电放电失效模式和失效机理 567

14.4.1 静电放电失效模式 567

14.4.2 静电放电失效机理 568

14.4.3 静电放电（ESD）损伤的失效分析方法 570

14.4.4 静电放电（ESD）损伤的失效案例 570

14.5 对ESD敏感元器件的失效机理和失效模式 571

14.5.1 MOS结构 572

14.5.2 半导体结 573

14.5.3 薄膜电阻器 575

14.5.4 金属化条 576

14.5.5 采用非导电盖板、经过钝化的场效应结构 577

14.5.7 小间距电极 578

14.5.6 压电晶体 578

14.6 防静电放电失效的防护网络设计 579

14.6.1 概述 579

14.6.2 防护网络基本单元设计规则 579

14.6.3 元器件和混合电路的设计规则 582

14.6.4 组件设计考虑 583

14.6.5 ESDS元器件保护网络 584

14.6.6 输入防护电路的实验研究 585

14.7.1 防静电工作区（EPA） 588

14.7 静电放电失效的防护措施 588

14.7.2 EDS敏感元器件使用者的防静电措施 594

14.7.3 ESDS元器件包装、运送和储存过程中的防ESD措施 596

14.7.4 器件使用时的防静电管理 597

14.7.5 防静电器材基本配置 598

14.7.6 制造集成电路净化间的静电防护 600

习题与思考题 602

15.1.1 核爆炸环境 604

第15章 电子元器件的辐射效应 604

15.1 辐射环境 604

15.1.2 空间辐射环境 613

15.2 辐射与物质的相互作用 615

15.2.1 半导体材料的辐射效应 615

15.2.2 绝缘材料的辐射效应 619

15.2.3 电子材料在辐射环境中的敏感性 620

15.2.4 物质中的辐射效应 620

15.3 辐射对电子元器件性能的影响 622

15.3.1 辐射对双极器件性能的影响 623

15.3.2 辐射对场效应器件性能的影响 630

15.3.3 其他电子元器件的辐射效应 633

15.3.4 常用半导体分立器件的耐辐射特性 635

15.3.5 固态存储器的单粒子效应和多位翻转失效 636

15.4.1 双极集成电路 638

15.4 核辐射对微电子电路的影响 638

15.4.2 CMOS集成电路 639

15.4.3 几种数字集成电路的抗辐射特性 640

15.4.4 模拟和数模混合集成电路 641

15.5 电子元器件抗辐射加固技术 646

15.5.1 抗辐射加固的一般方法 646

15.5.2 双极型晶体管的抗核加固技术 647

15.5.3 双极型集成电路的抗辐射加固技术 648

15.5.4 MOS器件的抗辐射加固技术 649

15.5.5 光缆的抗核加固技术 651

15.6 核辐射有关专业名词及技术用语 653

习题与思考题 660

附录A 部分微分析法一览表 661

附录B 两种表面分析方法的性能比较 666

附录C 各种表面分析方法的性能比较 667

参考文献 668