2022年电子元器件失效分析技术与案例 .pdf

1电子元器件失效分析技术与案例信息产业部电子五所费庆宇第一部分电子元器件失效分析技术1失效分析的基本概念和一般程序2失效分析的电测试3无损失效分析4模拟失效分析5制样技术6形貌像技术7扫描电镜电压衬度像8热点检测技术9聚焦离子束技术失效分析的基本概念? 失效分析的定义? 失效模式? 失效机理? 纠正措施? 失效分析的作用失效模式的概念和种类? 失效的表现形式叫失效模式? 失效模式是失效的结果? 按电测结果分类，失效模式可分为：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效失效机理的概念? 失效的 物理化学根源 叫失效机理? 失效机理是失效的 原因开路的可能失效机理? 过电应力（ EOS）损伤、金属电迁移、金属的电 化学腐蚀 、压 焊点脱落、CMOS电路的 闩锁效应、塑封 器件的 爆米花效应PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 27 页 - - - - - - - - - 2金属 电迁移过电应力（ EOS）损伤金属的电 化学腐蚀压焊点脱落bceCMOS电路的 闩锁 效应00. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 910246810V （ VI（A）塑封 器件的 爆米花 效应PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 27 页 - - - - - - - - - 3漏电和短路的可能失效机理? 静电放电（ESD）损伤、颗粒引发 短路、介质击穿 、pn结微等离子 击穿、Si-Al互熔静电放电（ESD）损伤颗粒引发 短路介质击穿PN结微等 离子 击穿VRISi-Al 互熔PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 27 页 - - - - - - - - - 4参数漂移的可能失效机理? 封装内水汽凝 结、介质的离子 沾污、辐射损伤、欧姆接触退化 、金属 电迁移封装内水汽凝 结名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 27 页 - - - - - - - - - 5欧姆接触退化失效机理的 内容? 失效模式与 材料、设计 、工艺的关系? 失效模式与 环境应力 的关系环境应力包括 ：过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复 应力? 失效模式与 时间的关系举例说明 ：失效分析的概念和作用? 某EPROM 使用后无读写功能? 失效模式：电 源对地的待机电 流下降? 失效部 位：部分电 源内引 线熔断? 失效机理： 闩锁效应? 确定失效 责任方 ：模拟试 验? 改进措施建议：改善供 电电网，加保护电路某EPROM的失效分析结果-5.00E-030.00E+005.00E-031.00E-021.50E-022.00E-022.50E-023.00E-023.50E-020123456电压（V 电流A正常样 品 2号失效样 品 4号模拟试 验确 定失效 责任方0.10.20.30.40.50.60.70.80.910（）触发电流：200mA 维持电压：8.76V（ 技术 指标：电源电压： 5V 触发电流 200mA）失效分析的 受益者? 元器件 厂：获得改进 产品设计 和工艺 的依据? 整机厂：获得索赔 、改变元器件 供货商 、改进电路 设计、改进 电路 板制造工艺、提高测试技术、 设计保护 电路的 依据? 整机用 户：获得改进操 作环境和操作规程的依据? 提高 产品成品率和可 靠性，树立企 业形象，提高产品竞争力PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 27 页 - - - - - - - - - 6失效分析技术的 延伸? 进货分析的作用： 选择优 质的供货渠道，防止假冒伪劣 元器件 进入整 机生产线? 良品分析的作用： 学习先进 技术的 捷径? 破坏性 物理分析 （DPA）：失效 前的物理分析进货分析： ISPLSI1016E 80LJI 进货 分析： ISPLSI1016E 80LJI 进货 分析： 复用、 解复 用芯片进货 分析： 复用、 解复用芯片失效分析的一般程序? 收集失效现 场数据? 电测并确定失效模式? 非破坏检查? 打开封装? 镜检? 通电并进行失效定 位? 对失效部 位进行物理化学 分析， 确定失效机理? 综合分析， 确定失效 原因 ，提出纠正措施PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 27 页 - - - - - - - - - 7收集失效现场数据? 作用： 根据失效现 场数据估计失效原因和失效 责任方根据失效 环境：潮湿、辐射根据失效 应力：过电、静电、高温、低温、高低温根据失效 发生期:早期、随机、磨损? 失效现 场数据的内容水汽对 电子元器件的 影响? 电参数漂移? 外引线腐蚀? 金属化腐蚀? 金属半导体 接触退化失效 应力 与失效模式的 相关性? 过电：pn结烧毁、电源内引 线烧毁、电源金属化 烧毁? 静电：MOS器件氧化层击穿 、输入保护电路潜在损伤或烧毁? 热：键合失效、 Al-Si 互溶、pn结漏电? 热电： 金属电迁移、欧姆接触退化? 高低温：芯片断裂、芯片粘接失效? 低温：芯片断裂失效 发生期与失效机理的 关系? 早期失效： 设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分? 随机失效： 静电损伤、过电损伤? 磨损失效：元器件 老化? 随机失效 有突发性和明显性? 早期失效、 磨损失效 有时间性 和隐蔽性失效 发生期与失效 率试验时间试验初始的元件数数试验时间内失效的元件失效 率失效率时间随机磨损早期以失效分析为目的的电测技术? 电测在失效分析 中的作用重现失效现 象，确定失效模式， 缩小故障隔离区，确定失效定 位的激励条 件，为进行信号寻迹法 失效定 位创造条件? 电测的种类和 相关性连接性失效、电参数失效和功能失效PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 27 页 - - - - - - - - - 8电子元器件失效分析的简单实用测试技术 （一）? 连接性测试： 万用表测 量各管脚对地端/电源端/另一管脚 的电阻，可发现开路、短路和 特性退化的管脚。 电阻显著增大 或减小说明 有金属化开路或漏电部 位。? 待机(stand by)电流测试 :所有输 入端接地（或电源） ，所有输出端 开路，测电 源端对地端的电流。待机(stand by)电流显著增大 说明 有漏电失效部 位。待机(stand by)电流显著 减小 说明有开路失效部 位。电子元器件失效分析的简单实用测试技术 （二）? 各端口 对地端/电源端的漏电 流测试（或I V测试）,可确定失效 管脚。? 特性异常与否用好坏特性比较法 确定。连接性测试 应用实例： ISP端口过电应力 损伤待机(stand by)电流显著 减小 的案例-5.00E-030.00E+005.00E-031.00E-021.50E-022.00E-022.50E-023.00E-023.50E-02012345电压（ V电流A正 常 样 品 2号失 效样品 4号待机(stand by)电流偏大 的案例TDA7340S音响放 大器电路由反向IV特性确 定失效机理-5.00E-030.00E+005.00E-031.00E-021.50E-022.00E-022.50E-023.00E-023.50E-024.00E-024.50E-0202468101214反向电压（V）电流（A）烧断电源端1 对地烧断电源端2 对地烧断电源端3 对地未烧断电源端对地PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 27 页 - - - - - - - - - 9由反向IV特性确 定失效机理? 直线为电阻特性，pn结穿钉，属严重EOS损伤。? 反向漏电流随电压缓慢增大 ，pn结受EOS损伤或ESD损伤。? 反向击穿电压下降，pn结受EOS损伤或ESD损伤。由反向IV特性确 定失效机理? 反向击穿 电压不稳定： 芯片断裂、芯片受潮? 高温储存 试验可区分离子 沾污和过电应力损伤失效无损失效分析技术? 无损分析的 重要性 (从质检和失效分析 两方面考虑 )? X射线透视技术用途：观察 芯片和内引线的完整性? 反射式扫描 声学显微技术用途：观察芯片粘 接的完整性，微裂纹，界面断层X射线透视 与反射 式声扫描 比较种类应 用 优势基本 原理X射线 透视 象 观察 材料 高 密度 区 的 完整性 ，如 器件 内引 线断裂透过材料 高密 度 区X射 线 强度 衰 减C-SAM象观察 材料内 部空隙 ， 如芯片粘 接 不 良，器件 封装不 良超声波传播遇空气隙受阻 反射X射线透视 象X射线透视 象PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 27 页 - - - - - - - - - 10反射 式扫描 声学显微镜原理反射 式扫描 声学显微象反射式扫描 声学显微象模拟失效分析技术? 定义： 通过比较模拟试 验引起的失效现象与现场失效现 象，确定失效 原因的技术? 模拟试 验的种类： 高温储存、潮热、高低温循环、静电放电、 过电试验、闩锁试验等。? 案例模拟失效分析技术案例：空调柜机主控 IC闩锁 失效模拟失效分析技术案例：塑封器件 间歇失效bcePDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 27 页 - - - - - - - - - 11样品制备技术? 种类： 打开封装、去钝化层、去层间介质、抛切面 技术、 去金属化层? 作用： 增强可视性和可测试 性? 风险及 防范：监控打开塑料封装 的技术去钝化层 的技术? 湿法：如用HF：H2O1：1溶液去 SiO2 85 H3PO4溶液，温度160C去 Si3N4? 干法：CF4和O2气体作等离子腐蚀去SiNx和聚酰亚胺? 干湿法对比去钝 化层的监控去层间介质? 作用： 多层结构芯片失效分析? 方法：反应离子腐蚀? 特点：材料选择性 和方向性? 结果腐蚀 的方向性PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 27 页 - - - - - - - - - 12反应离子 腐蚀技术16位微处理器 1750监控 技术： 暴露 M1去金属化 Al 层技术? 作用? 配方：30HCl 或 30H2SO4KOH 、NaOH溶液? 应用实例去金属化 Al层技术Al-Si 互溶AlSiO2n-Sip-SimAPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 27 页 - - - - - - - - - 13抛切面 技术抛切面 技术SEM电压衬度 象原理电压衬度 象和差象示意图电压衬度 象和差象以测量电流效应为基 础的失效定位技术? 红外热象技术用途：热分 布图，定热点? 光发射显微镜用途：微漏电点失效定 位栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应? 电子束 感生电流象 用途：pn结缺陷PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 27 页 - - - - - - - - - 14改进前 的混合电路热分 布图改进后 的混合电路热分 布图TDA7340S音响放 大器电路FPGA聚焦离子束技术用途：? 1 制备探测通孔，实现多层布线VLSI的下层金属 节点的电压和 波形测试? 2 为对准下层金属 制备通孔，可同时显示CAD设计版 图和芯片实时图象，可根据版图确定钻孔部位。? 3 在VLSI芯片上进行线路修改，省去重新制板和流片的手续，加快产品研制用FIB制备探 测通孔PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 27 页 - - - - - - - - - 15聚焦离子束技术? 4 为观察内部缺陷，对样品进行局部剖切面? 5 扫描离子 显微镜可用 于形貌观察聚焦离子束技术 应用实例聚焦离子束技术 应用实例聚焦离子束技术 应用实例第二部分 半导体 器件失效机理、分析 方法和纠正措施1 塑料封装 失效2 引 线键合 失效3 水汽 和离子 沾污4 介质 失效5 过 电应力6 闩锁 效应7 静 电放电8 金属 电迁 移9 金属 电化学腐蚀10金属 -半导体 接触退化11芯 片粘 结失效塑料封装 失效机理? 封装分层并长期暴露于 潮湿环境? 器件受热， 封装内水汽 膨胀? 机械应力引 起芯片形变和压焊点脱落? 漏电流变 化或开路PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 27 页 - - - - - - - - - 16例： 爆米花 效应引 起塑封器件内引 线开路例： 包封料 键合 点分 层引起塑封 器件内引线开路bce纠正措施? 装配前塑封器件不能长时暴露于 潮湿空气? 塑封器件长时暴露于 潮湿空气 ，装配前要烘干? 控制封装工艺 ，避免塑封器件分 层? 控制电路 板焊接工艺 ，防止塑封 器件长时间过热引线键合失效的机理? 半导体 器件的 铝电极与管脚 用内引 线连接 ，内引 线可分为 金线和铝线两种 。金 铝键合 失效 主要 表现是： 金内引 线与芯 片上的铝层压焊点发生固相反应 ，形成 称为紫斑 的AuAl2化合物层 ，导致接触不良或引线脱落。引线键合 失效的机理? 由 于 金 铝 原 子 互 扩散 的 扩散 系 数 不同 ， 在金 铝 界 面 还会 形 成 科肯 德 尔（ Kirkendal ） 空 洞 ， 会 引 起 压 焊 点 开路。? 引线键合 失效的 其它 原因 是键合 工艺 不良。引线键合失效的 外部原因和分析方法? 失效外因：高温试验、振动试验、过电应力、受潮、工艺不良? 失效内因 ：压焊点金铝发生化学反应和扩散? 失效分析 方法：X射线透视、扫描 声学显微镜、打开封装、显微观察、X射线能谱分析? 质检方法：引线拉力测试PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 27 页 - - - - - - - - - 17引线键合 失效引线键合 失效过电烧毁 内引 线纠正措施? 金铝键合 的器件 应避免在过高温度下使用和试 验。为避免 金铝键合失效，可改用铝硅铝键合 和无线键合。无线键合水汽 和离子 沾污的失效分析 方法? 芯片表面水汽和离子 沾污? 介质层内 部离子 沾污PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 27 页 - - - - - - - - - 18芯片表面水汽 和离子 沾污? 芯片表面水汽和离子 沾污的失效分析 方法：烘烤或开封清洗? 试验结果分析：反向特性可完全恢复为离子 沾污和受潮反向特性不可完全恢复为过电或静电介质层内 部离子 沾污? 高温储存? 高温反偏介质 失效介质 失效机理NNPEOS损伤的种类和机理过流 (引 起过 热 ）? 内引 线熔 断? 金属化互 连线 熔断? Pn结漏电? Pn结穿 钉? 金属 热电 迁移过压 :? 氧化层 针 孔? 热电子 注 入FPGA电源内引 线烧断PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 27 页 - - - - - - - - - 19微处理器电 源金属互 连线烧断三端稳压器 过电烧毁 ，金属热电迁移硅整流 器RB-156过电烧毁Al-Si 互溶AlSiO2n-Sip-SimACMOS电路的 闩锁 效应? 定义： 触发信号进入 I/O端或电源端，电源电流剧增。? 可控硅特点：触发控制极，阳极 阴极导通。 触发停止后，阳极阴极继 续导通。电源电压关断，不再导通。? CMOS电路的 闩锁效应（大电源电流）的成因：可控硅效应发生闩锁效应的条件： 输入电流大于触发 电流00.10.20.30.40.50.60.70.80.9102468101 2V （ V I（A）PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 27 页 - - - - - - - - - 20静电放电（ESD）损伤防静电保护 电路静电放电损伤静电放电损 伤静电放电损伤防静电保护 电路PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 27 页 - - - - - - - - - 21过电EOS与静电ESD的区别电 源和 地烧毁 多 为EOS输 入端烧毁 难区 分，有可能是 ESD电路 板 上烧毁 为 EOS ，未使用失效 多为ESDEOS 直 观性强 ，ESD 较隐蔽EOS 有 明显的热效 应，ESD 无EOS和ESD的失效分析 方法? 1 端口电流明显增大 或减小是失效信 号? 2 颜色变化是EOS的信号? 3 模拟试 验重现失效是 重要方法静电防护? 静电源的剩余电荷产生电荷泄漏电荷? 1最小化静 电源的产生电荷：? 减小摩擦起电：增加空气湿度，用 防静电地板，防静电包装器件? 减小感应起电：器件 静电屏蔽，绝缘导体接地静电防护? 1 最小化静 电源的产生电荷：? 减小摩擦 起电：增加空气湿度，用 防静电地板，防静电包装 器件? 减小感应起电：器件 静电屏蔽，绝缘导体接地（仪器接地、电 烙铁接地）静电防护? 2 最大化静电源的放电：防静电手镯，仪器烙铁接地? 3 最小化器件对地放电：防静电桌经大电阻接地（为什麽不用金属桌）金属 电迁移PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 27 页 - - - - - - - - - 22金属 电迁移原理和 预防原理? 金属原 子沿电子 流方向移动? 发生条件：电 流密度J10E5A/cm2? 高温预防措施?平面化工艺?降温?掺铜平面工艺金属电化学腐蚀金属 电化学腐蚀原 理金属 -半导体 接触失效芯片粘 结失效PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 27 页 - - - - - - - - - 23芯片断裂第三部分 电子元件失效机理、分析 方法和纠正措施电 阻 器电 容 器继 电器连 接 器印刷 电路板电阻器失效机理? 失效模式：开路或 阻值增大? 失效机理? 电化学腐蚀? 过电应力损伤? 表面安装电阻受高温机械应力 芯片断裂电化学腐蚀过电应力 损伤电容器的失效机理? 电解电容? 钽电容? 陶瓷电容? 薄膜电容PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 27 页 - - - - - - - - - 24电解电容的概 况? 重要性：多用于电源滤波，一 旦短路，后果严重? 优点：电 容量大，价格低? 缺点：寿命短，漏电 流大，易燃? 延长寿命的方法：降温使用， 选用标称温度高的产品电解电容的标称温度与 寿命的关系标称 温度 （ ）85 105 125标称 温度 寿命（h) 1000 1000 1000工作 温度 （）35 35 35工作 温度 寿命(h) 1000X2E5 1000X2E7 1000X2E932000 128000 9120003.65 年14.6 年59.26年电解电容的失效机理和 改进措施? 漏液：电容减小阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。? 短路放电：大电流烧坏电极? 电源反接 ：大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜 增厚，电容量下降? 长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电 流增大。电解电容的阳极修复功能AlOH阳极赋 能工艺不良造成 击穿改进 措施降温使 用， 不做短路 放电，电 源不反接 ，经 常通电PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 27 页 - - - - - - - - - 25固体钽电容? 过流烧毁? 正负极反接过流烧毁表面组装多层陶瓷 电容再流焊电路板弯曲引起芯片断裂，漏电 流增大陶瓷 电容? 银迁移引起边缘漏电和 介质内 部漏电继电器触点飞弧 放电粘合水汽超标和多余物粘合触点飞弧 放电粘合PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 27 页 - - - - - - - - - 26水汽 超标和多余物粘合连接器印刷 电路板金属 离子 迁 移漏电印刷电路 板组件印刷电路 板PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 27 页 - - - - - - - - - 27印刷电路 板组件印刷 电路板组件PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 27 页 - - - - - - - - -