1 元器件失效分析的概况
1.1 失效分析的概念
元器件失效分析系指产品失效后，通过对产品及其结构、使用和技术文件的系统研究，从而鉴别失效模式、确定失效原因、机理和失效演变的过程。
1.1.1 可靠性工作分类
a. 通过分析总结过去的管理、技术、设计、生产和试验的经验，从而形成标准、规范、手册和条例，并在研制到使用的各个阶段中执行这些规定。
b. 对工作中发生的故障（失效）通过分析、试验和研究，找出故障的根源，认识它的规律及改进措施，总结成今后要遵循的法规，它是一个“实践——认识——在实践”的过程。
1.1.2 元器件可靠性
元器件可靠性的研究内容主要包括两方面：
a. 是评价可靠性水平（如可靠性数学、可靠性试验、可靠性评估等）。
b. 是如何提高可靠性（如失效分析、失效物理、工艺监控、可靠性设计等）。
虽然元器件可靠性研究首先是从评价可靠性水平开始的，但是研究重点逐渐在转向如何提高可靠性方面，因为可靠性研究不仅是为了评价元器件可靠性，更重要的是为了提高可靠性，所以失效分析和失效物理研究越来越受到广大可靠性工作者的重视，失效分析和失效物理研究的迅速发展不但是为了学术研究的需要，更重要的是为了满足可靠性工程迅速发展的需要。
1.2 失效分析的目的和意义
1.2.1 为提高元器件质量提供科学依据
失效分析是通过对现场使用失效样品、可靠性试验失效样品和筛选失效样品的解剖分析，得出失效模式（形式）和失效机理并准确判断失效原因，为迅速提高产品的可靠性提供科学依据。
1.2.2 为提高元器件应用质量管理提供科学依据
失效分析和失效物理研究立足于微观世界，对元器件不单纯看成是具有某种功能的“黑盒子”，而是从物理、化学的微观结构上对它进行仔细观察，分析研究，从本质上探究元器件的不可靠性因素，从根本上探索其工作条件、环境应力和时间等因素，对元器件发生失效所产生的影响。因此，失效分析在可靠性设计、材料选择、工艺制造和使用维护等方面都能为有关人员提供各种有用的科学依据，失效分析是质量管理工作中的一个重要环节，如果无失效分析则不能形成质量管理上的闭环系统，质量管理工作就无法进行。例如：
a. 为用户合理选择和选购元器件。
b. 可以通过失效分析、DPA将质量有问题的元器件拒之门外。
c. 通过对元器件失效分析和DPA的数据统计，可以看出同一种产品各厂家质量的优劣。
e. 通过失效分析、DPA可将一些假冒名厂家的元器件拒之门外。
f. 通过失效分析可为用户提供合理参数及高可靠性的元器件。
1.3 为器件生产厂家提高产品的质量
1.3.1 提高生产厂家的工艺水平。
1.3.2 提高元器件的可靠性设计水平。
1.3.3 指导元器件的筛选试验。
1.4 提高器件的使用可靠性
1.4.1 为使用单位快速找出整机系统所存在问题提供依据。
1.4.2 指导可靠性应用。
1.4.3 提高可靠性(补充)筛选的针对性。
1.4.4 为提高器件的使用可靠性提供依据。
1.4.5 为是否批不用提供决策依据。
1.5 失效分析结果是领导决策的依据
失效分析和失效物理可以说是可靠性工程技术的支柱和基础，也是可靠性研究的重要领域，只要及时进行失效分析和质量反馈，就可以缩短周期、增加反馈次数，从而达到迅速提高可靠性的目的。
失效分析工作不仅在提高可靠性方面有很好的效果，而且有很高的经济效益。虽然失效分析工作不出产品，但是失效分析和反馈纠正措施可以显著提高元器件的成品率和可靠性，减少整机系统试验和现场使用期间的失效元器件。整机系统试验和现场使用期间发生故障的经济损失巨大，排除故障的维修费用颇高。
2 失效分析的基本内容
失效分析的基本内容包括：失效情况调查，失效模式鉴别，失效特征描述，假设失效机理，证实失效机理，提出纠正措施和新的失效因素的考虑等。失效分析着重于查明失效模式，追查失效机理以及探讨改进方法。
2.1 失效情况的调查
2.1.1 元器件的有关信息
元器件的有关信息制造厂家，型号名称，封装形式，生产日期，生产批号，质量等级，这批电路的失效情况。
2.1.2 使用设备状态
使用单位、使用设备名称、台号、板号、失效部位、累计工作时间、判断人员等。
2.1.3 失效的环境
发生失效的环境（调试、运行、高温、低温、振动、冲击、验收、现场使用、常温测试等）、失效时间。
2.1.4 失效现象
无功能、参数变坏、开路、短路等，并且失效现象要描述详细，例如无功能是无输出，还是输出是恒定值等，参数超差是什么参数超差。
2.1.5 失效的过程
失效过程的描述很重要，它对失效原因的分析非常重要，失效过程包括是老化实效、正常使用失效、开机就失效，失效时是否有异常情况，失效的现象是否稳定，是否随温度等外界应力的变化而变化。
2.2 失效模式鉴别
2.2.1 电特性测试
电特性测试判断失效现象是否与原始数据相符。分析失效现象与哪一部分有关。店测试包括功能参数测试，特定部位的功能测试，电特性曲线的测试。
2.2.3 显微镜检查
用立体显微镜检查外观机械损伤、服饰、标记完整性等。
2.3 失效特征描述
利用立体和金相显微镜和扫描电子显微镜等设备观察失效部位的形状、大小、位置、颜色、机械和物理结构、物理特性等，科学的表征和阐明与上述是小莫市有关的各种失效现象。
2.4 失效机理假设
以元器件失效机理的有关理论为根据，结合应用电路、材料、工艺、设计理论及经验，假设可能的失效内因和外因。
2.5 失效机理证实
选用有关的分析、试验和观测设备对失效样品进行仔细分析，验证失效机理的假设是否属实，必要时用同种器件进行类似的破坏性试验，观察是否产生相似的失效现象。
2.6 提出纠正措施
根据失效分析结果，提出防止产生失效的设想和建议，它包括工艺、设计、结构、线路、材料、筛选方法和条件、使用方法和条件、质量控制和管理等。
2.7 综合分析
失效分析是一门边缘科学，它跨越各种科学技术领域并把各自独立的技术综合在一起，也可以说是一门综合性科学。所以进行失效分析时要经常与器件设计者、使用这三方共同分析讨论，从器件设计技术、制造技术、器件物理、器件使用、设备制造和市以及可靠性管理等方面进行综合分析考虑，只有这样才能准确地找出失效的真正原因。
3 主要的失效模式和失效机理
失效模式就是失效的表现形式，元器件常见的失效模式它可以分为六大类：开路、短路、无功能、参数超差、重测合格和结构不好。半导体器件最常见的有烧毁、管壳漏气、管腿腐蚀或断腿、芯片表面内涂树脂裂缝、芯片粘结不良、键合点不牢或腐蚀，芯片表面铝腐蚀，铝膜伤痕，光刻氧化层缺陷，漏电流大，PN结击穿，阈值电压漂移等。元件最常见的有绝缘电阻下降、击穿、电气性能下降、电气接触不良、功能失效等。由于各类元器件结构、功能差异极大，故其失效模式和失效机理均不一样，具体查阅相关资料。
4 失效分析程序
4.1 概述
对失效元器件的分析，每一个步骤都要根据器件失效情况合理制定，每一个步骤到要取得表要的信息。但是许多分析步骤是破坏性的，不能重复进行。安排失效分析程序时，应先非破坏，后破坏的原则进行。失效样品往往只有一个，十分宝贵，所以分析时应按程序小心进行，防止景点、电浪涌、机械应力损伤器件，造成新的失效，使原来的失效无法真正的找出原因。
失效分析程序的通用原则如下：
4.1.1 先方案后操作；
4.1.2 先安检后通电；
4.1.3 先弱电后强电；
4.1.4 先静态后动态；
4.1.5 先外部后内部；
4.1.6 先宏观后微观；
4.1.7 先外设后主机；
4.1.8 先电源后负载；
4.1.9 先一般后特殊；
4.1.10 先公用后专用；
4.1.12 先简单后复杂；
4.1.13 先主要后次要；
4.1.14 先断电后换件；
4.1.15 先无损后破坏。
4.2 开封前
4.2.1 失效情况调查，总结失效数据；
4.2.2 电测试，验证失效数据；
4.2.3 外观镜检；
4.2.4 相关筛选试验(如：温中、运行、PIND试验、检漏等)；
4.2.5 失效模式确定；
4.2.6 水汽含量的测试等。
4.3 启封分解
元器件壳体启封分解是一项十分细仔的手艺技巧工作，启封分解过程不能造成元器件内部产生新的失效缺陷。启封分解过程的注意要点如下：
4.3.1 应了解元器件的内部结构和封装特性；。
4.3.2 遇不熟悉的元器件结构特性，应对其它相同结构的元器件进行X光检查后试开启封分解，寻找合适的分解方案；
4.3.3 开壳分解工作必须由分析人员亲自操作，以便及时发现故障现象中细小的问题及新的问题；
4.3.4 使用合适的分解工具，分解工具应多样化、精巧化，不同的元器件使用不用的分解工具；
4.3.5 分解前、每一个分解小步骤、分解后及发现不确定的可疑点，均应拍照和记录，以便分析判断时使用；
4.3.6 分解过程和分析、测试相结合；
4.3.7 分解过程求细不求快，确保不产生新的“现象故障”；
4.3.8 如有可能，在分解过程中监测故障現象的变化情况；
4.3.9 确保开启了分解试验环境必须符合净化要求；
4.3.10 分解过程，必要时了应请元器件生产厂技术人员参加。
4.4 开封后的分析工作
4.4.1 使用合适的立体和金相显微镜观察，必要的照相纪录；
4.4.2 电分析：内部节点测试，内部探针确定失效部位；
4.4.3 扫描电镜分析（必要时）；
4.4.4 试验分析；
4.4.5 去铝、去SiO2、去钝化层；
4.4.6 芯片剖面分析（磨角染色）；
4.4.7 有关物质或材料的成分分析。
4.4.8 总结：整理数据，写出报告。
5 失效元器件的处理及元器件的可靠性信息
5.1 失效器件的处理
5.1.1 失效器件的判断
判断元器件是否合格不能只看元器件的输出是否正常；要将可疑元器件隔离判断。首先看输入信号是否正常。电源电压是否正常；是否有其它的干扰信号；可疑元器件的外围元器件是否功能正常。只有将这些因素充分考虑，才能对元器件做出正确的判断。
5.1.2 失效器件的信息记录
a. 元器件制造厂家、型号名称、封装形式、生产批号、编号、质量等级、器件名称等；
b. 元器件所用型号、板号、位号、失效日期、判断人、失效时的环境、失效阶段、累计加电时间、失效前器件的经历等；
c. 失效现象（失效现象的描述要细致，要有数据，例如失效参数是多少，输入是多少，输出是多少），失效是关机失效，还是开机后正常使用失效，失效时的应力：包括施加过的全部温度应力，电应力，机械应力(特別电路板在振动过程中的放大应力对元器件的损伤程度分析)。
d. 失效元器件的保存和传送：在其间的保存、拆装过程中要防止静电、机械、潮湿等应力的影响，而导致原来的失效模式不存在或带来新的失效。
5.1.3. 固有可靠性信息
知道元器件的固有可靠性信息对元器件的可靠应用非常重要。元器件的固有可靠性信息有以下几点：
a. 质量等级
质量等级标志代表了元器件制造工艺水平和筛选水平，也是元器件可靠性的标志。质量等级低的元器件使用中的失效概率就高。
b. 电参数
元器件参数的范围包括静态参数和动态参数。这些应用参数在产品的说明书中均有详细地介绍。这些参数是元器件筛选、应用和失效分析的重要依据。
5.3.2 使用可靠性信息
被分析的元器件生产和在其它型号上使用信息是失效分析工作者应了解的，它对元器件的分析、判断非常重要。
要了解被分析元器件的使用信息，必须对元器件的应用线路图、加电应力、降额设计和制造工艺要有一定的了解。例如，运算放大器的输入端抗静电能力较差，不能加过高的差模电压和共模电压，所以运算放大器的输入端要加保护，输入端不能直接引出等。运算放大器的输出负载电流过大会导致输出的烧毁，所以负载电流一定根据运算放大器的参数而定。在测试输出时不能对地短路。
6 元器件的解焊技术
从失效分析的角度，对元器件解焊的要求是：元器件要完整的取下，解焊过程中，要防止热应力、机械应力等对失效器件产生破坏作用，也要防止破坏线路板和邻近的元器件。当元器件有不止一个引线时，应该优先使用给多引线同时加热的专用电烙铁解焊。如果采用普通的只能给一个焊点加热的电烙铁，应该采用完成一个焊点熔化，吸锡，用尖嘴钳子夹住引线轻轻摇晃，直到引线松动可以拔出后，在解焊下一个焊点的方法。如果熔化一个焊点，就要拔出一个引线，不仅可能使被拔出的引线根部受力过大。也可能使尚未解焊的其它引线根部受力过大，造成引线根部断裂。
表面组装元器件的解焊技术特点是同时加热要解焊元器件的全部焊点，在整个元器件松动时，即使取下。小嘴喷热氮气法。使用从小嘴喷出可控温加热氮气的装置对准要解焊的表面组装元器件的全部焊点喷热氮气，元器件松动时，及时取下。
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