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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EDX293

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⑶546

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