失效物理

研究电子产品在各种应力下发生失效的内在原因及其机理的科学,又称可靠性物理。失效物理研究的主要内容是:观测各种失效现象及其表现形式(失效模式)与促使失效产生的诱因(应力,包括工作应力、环境应力和时间应力)之间的关系和规律;在原子和分子的水平上探讨、阐明与电子元件和材料失效有关的内部物理、化学过程(失效机理);在查清失效机理的基础上,为排除和避免失效、提高电子产品的可靠性提出相应的对策。

最常见的引起失效的物理、化学过程包括:

(1)扩散(体扩散、表面扩散);

(2)晶体结构缺陷(缺位、多余原子、位错等)的迁移和扩展;

(3)材料的形变和破坏(弹性形变、塑性形变、蠕变、脆性断裂和延性断裂等);

(4)氧化和腐蚀(电腐蚀、化学腐蚀);

(5)原子、分子内部结合力的变化;

(6)老化(光老化和热老化等);

(7)机械磨损。

失效物理的研究分为 6个步骤进行。

(1)调查失效产品和收集失效数据:其中包括失效时间、失效时产品所处的环境、应力情况或工作条件、失效现象的观察和记录等。

(2)鉴定失效模式:对所观测的失效现象进行鉴别分类,明确它可能同产品的哪一部分有关。

(3)描述失效特征:以相应的形状、大小、位置、颜色、化学组成或金相、机械结构、物理或电性能等形式,科学地表征与失效模式有关的失效现象或效应。

(4)失效机理假设:根据失效特征,结合材料性质、制造工艺和产品设计理论以及实践经验,提出可能导致这种失效模式产生的内因和外因,从分子、原子的观点阐明或解释其具体的物理、化学过程。

(5)验证:通过有关实验,验证失效机理假设的正确性。若假设不正确,则重新假设另一种失效机理,再予以验证。

(6)反馈和纠正措施:将失效分析结果及时反馈到设计和制造部门,同时提出可能采取的纠正措施。

失效物理的研究和分析需要采用多种分析方法和使用多种仪器设备。每种方法只是对失效产品的某一方面起作用;因此,为了从同一失效样品取得更多的信息,以便互相补充和证实,更准确地确定样品失效的真正原因,往往需要同时采用几种分析方法。分析方法的选择原则是先进行非破坏性分析,后进行破坏性分析,既要防止掩盖导致失效的迹象或原因,又要防止引进新的非固有的失效因子。