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失效分析及其在保证电子产品可靠性中的作用本报编辑：韩双露 时间: 2009-3-19 10:55:13 来源: 电子制造商情 中国赛宝实验室可靠性研究分析中心李少平1 电子产品失效分析概述失效分析（FA）是指为了确定失效部件的失效模式、失效机理、失效原因以及失效后果所作的检查和分析。电子产品失效分析利用电分析、形貌分析、成分分析、物理参量分析、应力试验分析等手段求证失效样品的失效证据，根据失效证据与失效机理的内在联系，并结合样品现场的失效信息，诊断失效样品的失效机理、失效原因。在电子产品中，FA的对象是电子元器件，电子元器件主要包括要电容器、电阻器、电感器、继电器、连接器、滤波器、开关、晶体器件、半导体器件（包括半导体分立器件、集成电路）、纤维光学器件、组件（具有一定功能、独立封装的电子部件，如DC/DC电源，晶体振荡器等）等。失效是指电子元器件丧失或部分丧失了预定的功能。失效模式是指电子元器件失效的外在宏观表现。对于半导体分立器件失效模式主要有开路、短路、参数漂移（退化）、间歇失效，密封继电器失效模式主要有接触不良、触点粘接、开路、断路，瓷介电容失效模式主要有开裂、短路、低电压失效。不同类别的电子元器件失效模式的表现各不相同，既使对同一门类的电子元器件，由于其原理、结构和电气性能的差异失效模式的表现也不尽相同。失效模式的确认是失效分析工作的重要的环节，失效模式确认需要借助于观察、测试等技术方法。失效机理是指电子元器件失效的物理、化学变化，这种变化深层次的意义指失效过程中元器件内部的原子、分子、离子的变化，以及结构的变化，是失效发生的内在本质。电子元器件的失效机理可分为机械失效机理，如磨损、疲劳、断裂等；电失效机理，如静电放电损伤、电压引起的场致击穿和退化、电流引起热致击穿和退化等；热失效机理，如热引起的物态变化、结构变化等；反应失效机理，如腐蚀、合金、降解等；电化学机理，如化学电迁移、源电池效应等；产品特有的失效机理，如CMOS集成电路的闩锁效应、金属化铝电迁移效应、热电子效应、陶瓷电容器的低电压失效、塑封器件的爆米花效应等机理。这些机理对于不同的电子元器件失效模式表现各不相同。应力是驱动产品完成功能所需的动力和产品经历的环境条件，是产品退化的诱因，如铝电解电容器在温度作用下，电容器内部的电解液蒸发，逐步引起电容量下降失效，这个过程中温度就是铝电解电容器失效的诱发应力。应力包括物理应力和化学应力，物理应力常见的有热（温度）、电（电压、电流、功率）、力（机械）、光（包括射线）等，化学应力常见的有水汽（潮湿）、污染等。失效原因是指导致失效发生的外在影响因素，一般指引起失效发生的直接影响因素，影响因素一方面是产品缺陷，即电子元器件在设计、材料、制造工艺存在的引起失效的直接原因；另方面是外部诱发应力，以及应力的产生原因，如使用过程的电压、电流、功率、温度、湿度、环境的腐蚀性气体等。失效原因的确定相当复杂，但是只有正确的分析和确认失效原因，对于失效发生的控制和改进措施才能做到有的放矢。2 失效分析程序和方法失效分析所采用的分析手段就其作用后果来说，可分为非破坏性分析和破坏性分析。非破坏性分析对失效样品没有破坏作用，但破坏性分析对失效样品具有破坏作用，而且，这种破坏是一种不可逆反的破坏，如果分析过程中已经进行了不可逆反的破坏性分析，而丢失了未获得的失效信息，则失效分析面临失败的危险。因此，失效分析过程必须遵循图1所示的基本流程。    图1 失效分析基本程序2.1  失效样品信息失效样品信息包括基本信息和技术信息。基本信息指失效样品的产品信息，如产品功能、工作原理、性能指标、产品结构、制造工艺，该型号产品的使用历史情况；技术信息指失效样品失效时的信息，如的工作条件，整机的故障表现和故障定位情况，失效样品的失效特征，应用电路，供电情况，环境条件，失效样品的采购批使用前的经历，该型号产品的使用历史情况（失效率及失效表现）等。失效样品的信息决定失效分析方案、采用合适的分析方法，是机理诊断的重要依据，也是失效分析最终必须解释问题。2.2  失效模式确认失效模式确认是对失效现场报告的失效进行验证的过程。失效模式确认的结果可能是失效样品没有失效表现，或失效样品已经失效。失效样品已经失效可能表现为稳定失效，或不稳定失效。通过失效模式确认的结果，结合失效现场的信息，制定失效分析方案才能有的放矢的进行失效分析。例如，失效报告出现多只比较器（IC）端口之间漏电（板上测试）失效，在失效模式确认中发现板上卸下的IC端口均没有漏电的问题，显然，板上测试到的漏电问题并不是IC的漏电，而是IC之外、板上其它部位漏电，因此，本次所需分析应转入对板上其它部位的漏电进行分析。2.3  外观检查元器件的外观检查十分重要，它往往会为后续的分析提供重要信息。首先，产品制造商、批次等是研判产品批次性失效必不可少的信息；其次，产品外观判断仿制、翻新的重要依据；最重要的是，失效样品失效可能在外观上留下信息，如变形、破损、色泽变化、外部污染物等，这些信息将指导后面的失效分析，而且最终的分析结果反过来解释这些外观表现。外观检测首先用肉眼来检查失效元器件与好元器件之间的差异，然后在光学显微镜下进一步观察。采用放大倍数为480倍的立体显微镜，变换不同的照明角度来获得最佳的观察效果。有时也采用常规的放大倍数为502000倍的显微镜来寻找和观察失效部位，如果还需要更进一步观察表面击穿、外来物、长须、沾污或迁移，则需要利用扫描电子显微镜（SEM）。2.4  非破坏性的内部分析非破坏性分析是用于检查元器件内部状态而不打开或移动封装的技术，通常包括电学分析、X射线成像分析、声学扫描分析、内部可动粒子分析、密封性分析等。（1）   电学分析电学分析通过失效样品的电特性表现、参数与功能变化、以及参数与功能随某种应力的变化，研究失效样品失效的性质、失效部位，指引后面采用合适的分析方法。在某些场合电学分析过程也会对失效样品构成不可逆反的损伤，这是因为样品已经失效，其内部关键结构可能已经短路或耐压已经严重下降，电分析时外部施加的电压（源）的能量可以引起失效样品内部的损伤扩大，因此而掩盖原来的失效特征。（2）   X射线成像分析X射线成像分析是通过X射线透视成像系统或X射线扫描剖面成像系统（XCT），对失效样品内部进行无损分析，一方面检查失效样品内部可能的缺陷，如内部不同材料界面的空洞或分层、内部互连缺陷、内部多余物、以及其它结构缺陷；另方面，分析失效样品内部失效的异常表现，如塑料封装IC内部过电烧毁引起的内部塑料炭化，内部开裂、金属熔融等异常表现特征。在进行X射线检查之前，必须考虑X射线可能给MOS元器件带来的损害。（3）   声学扫描分析声学扫描分析利用不同材料对超声波的声阻不同、以及超声波不能在空气中传送的特性，观察元器件内部材料空洞、界面的空洞、界面分层，以及失效引起的内部结构变化，从而提取失效样品内部的失效特征，为后期的破坏性分析提供失效点定位、失效性质判断提供依据。（4）   内部可动粒子分析密封封装（空封）器件内部可能存在可动的导电粒子，如焊接残存的锡颗粒、金丝或铝丝，以及其它具有导电能量的颗粒，这些导电颗粒在腔体内部一旦落在器件内部不同电位的两点上，将导致这两点发生漏电或短路。通过内部可动粒子分析，可以诊断器件内部漏电或短路的原因，尤其是器件发生不稳定失效（不稳定的漏电、短路失效），内部可动粒子分析是有效而快捷分析手段。（5）   密封性分析密封器件（金属或陶瓷封装）是在干燥气体或氮气气氛进行的，并与外部气体隔绝。由于水分的存在会加速杂质离子的运动，并引起元器件特性的恶化及内部金属腐蚀。封装里空气体水份的含量通常为几百个ppm，如果封装密封性能损伤或退化，外界的水汽将进入封装内部，引起封装内部受到水汽的作用而退化或失效。通过密封性分析，可以诊断密封内部是否受到水汽的侵蚀，以判断器件失效是否由密封引起封装密封问题引起，尤其是当后期的分析中，发现器件内部由于腐蚀引起失效，那么，前期的密封分析就更加是必不可少的过程，因为，如果封装的密封存在问题，则引起腐蚀的水汽是密封问题引起，显然，只有密封存在问题的样品才可能发生此类失效，如果封装的密封没有问题，则引起腐蚀的有害物质是样品制造过程引入的，那么，这种失效可能具有批次失效的特征。密封分析有两种检测方法：氦原子示踪法检测细小的泄漏、氟碳化合物检测较大的泄漏。密封性检查可用于检测封装中的小裂缝、焊接材料的虚焊、焊接部位的针孔及密封封装中的缺陷。2.5 半破坏性分析失效分析技术中，有多种分析手段属于表面分析，如光学显微镜、扫描电镜镜、光辐射显微镜、红外热像显微镜、各种微区成分分析等，只有把器件失效可能发生的部位暴露在最表面，这些分析才能进行。半破坏性分析是指对器件的封装或保护结构进行封装剥离，把器件失效可能发生的部位暴露在表面，对暴露出来的表面所进行的分析。这个过程中，器件的封装或某些结构受到破坏，但器件的电性能不被破坏。半破坏性分析首先通过开封，把失效样品可能的失效部位暴露出来。开封后器件失效的可能部位的分析分为两类，其中一类是不加电的非破坏性分析，有形貌观察，如光学显微观察、扫描电子显微观察等；成分分析，如EDS、AES、SIMS等；以及空封器件的内部可动粒子收集；内部气体分析，等等。另一类是加电的内部分析，有电压衬度像、束感生电流像、液晶热效应观察、光辐射效应观察、红外热像成像，以及器件内部电路结点的电位分析，如机械微探针测试分析、电子探针测试分析等。2.5 破坏性分析破坏性分析是指对失效样品的功能和电参数构成破坏的分析，破坏性分析项目对器件的破坏是不可逆的过程，一旦失效样品进行破坏性的分析项目，失效样品受到彻底的破坏。破坏性分析主要包括：研磨剖面分析，如通过研磨剖面观察多层陶瓷电容器内部电极及电极之间介质缺陷或电击穿烧毁情况；聚焦离子束微区剖面分析，主要是集成电路微区局部的表面多层布线的层间状态观察分析，有源区微区局部剖面观察；集成电路表面多层布线刻蚀；PN结显结分析等。2.6 综合分析分析者在分析过程中，首先确定分析路线（分析方案），包括用什么分析方法来提取失效信息，以及所采用的各种方法次序，并在分析过程中，根据已经获得的分析信息，判断为了诊断失效样品的失效机理还需要证据、信息，从而及时调整前期的分析方案。实际上，综合分析贯穿于分析的整个过程。最后，分析者根据自己的知识、经验，结合分析中获得的信息，联系器件失效机理发生的必然后果表现，对失效样品的失效模式、失效机理给出判断，对失效原因给出推测。2.7 分析报告描述失效分析过程所提取到的信息，以及根据这些分析信息推断失效机理以及失效原因的过程，并给出分析结论。3 失效分析在电子产品可靠性中的作用    尽管人们采用了种种方法来控制电子产品的质量可靠性，如6设计技术，PPM技术SPC技术，甚至人们提出了无缺陷制造的目标，但无缺陷制造是一种理念，制造过程要为产品无缺陷而努力，现实中电子产品不避免的会出现失效，产品总是在不停的与失效作斗争中解决产品的可靠性问题，失效分析是产品与失效作斗争的有效工具。3.1 失效分析在次品率控制中的作用电子制造中最直接的可靠性指标是产品的次品率。通常，电子制造维持一个合理的次品率水平，但新产品投产初期，由于新产品的设计、新的工艺、新的元器件、甚至新生产线，可能会出现较高的次品率的问题，对次品率进行控制成为新产品投产初期的需求。另外，产品已经稳定生产，产品次品率维持在合理可控的范围，但由于某种因素、或某些因素的变化，次品率突然异动，或产品次品率明显上升，研究产品次品率异动以及具有上升趋势的原因，从而控制异常的产品次品率。案例1：次品率高控制案例某新投产的变频产品，制造过程的调试次品率偏高，而且产品投放市场后，一周内的退换问题严重，这是次品率高以及产品早期失效率高的问题。对制造过程的次品以及市场反馈的退换样品进行分析，发现产品的故障表现为有时能正常工作，有时不能正常工作的不稳定故障，不正工作的表现是变频输出部分不工作。通过对故障板的工作原理的分析，确定变频输出部分不工作的可能结点；根据应力分析的结果开展应力试验，不稳定故障的失效品在应力加速作用下，把不稳定的故障变为稳定的故障，从而实现采用电分析的方法确认故障部位，故障部位见图1A。从故障部位的物理分析可见，本次变频产品的故障是由于PCB设计缺陷引起的故障，见图1。图1可见，有一只轴向安装的电阻器的端头紧贴在PCB的一个过孔上，而该电阻器的端头具有110V的电位，该过孔为0电位（地电位），因此，电阻器的端头与PCB发生漏电、击穿而破坏了电路的正常工作。显然，这是一个设计问题引起新投产的产品次品率高的问题。这个案例说明了产品次品率高，则产品投放市场后的维修率也会维持在较高的状态。图1 PCB过孔位置不合理引起不同电位两点之间漏电、击穿案例2：产品次品率异动控制案例某磁盘驱动器制造过程的次品率已经维持中心值300ppm的水平上，某时刻起，次品率发生异动，超出正常的波动范围，达到500ppm。表面上看，500ppm的次品率并不大，但明显是一种异常波动，可能隐含某种不可控的因素。此次波动的贡献来自直流电机转动检测电路的霍尔器件。经失效的霍尔器件的失效分析可见，霍尔器件内部的金属化电极的工艺存在缺陷，引起霍尔器件工作时在电压的作用下发生漏电击穿的问题，见图2。图2可见，霍尔金属化电极（金）存在残边，这些残边随机地分布在封装内部，严重的改变了电极之间的有效距离，甚至，有的残边几乎形成电极之间的短路。显然，这种缺陷具有批次性的特征，必须立即停止该批次产品的使用。而且，应该分析该供应的其它产品是否存在类似的缺陷，以及后续供应的产品是否已经解决了这种缺陷。可见，异常次品率波动可能隐藏某种颠覆性的危机。图2 霍尔器件具有批次性特征的失效缺陷 3.2 失效分析在产品可靠性增长中的作用电子产品可靠性增长常用的方法是“失效模式控制”。在失效模式控制的过程中，针对产品的失效进行失效机理分析、失效原因，找出决定产品失效的主要因素，从而，制订有针对性的纠正，控制产品的失效。电子产品失效模式控制的技术路线如图3所示。图3 电子产品可靠性增长技术路线示意图 案例3：可靠性增长案例某电磁炉维修率约为3，而且随着批次产品使用时间推移，维修在不断上升。经分析确认，对该型号电磁炉维修率的贡献主要是IGBT的失效问题。分析可见，IGBT失效呈现过电流烧毁的特征，见图4。图4可见，IGBT工作过程中承受135A的脉冲电流，超过IGBT的峰值电流（2S、85： 110A ），导致IGBT超负荷工作而加速退化，最终表现为过电流烧毁。 根据IGBT过流失效机理的指引，对电路上IGBT的工作电流进行检测分析，考察IGBT工作过程的电流情况，可见，IGBT工作过程中存在异常的电流，见图4。进一步对电路原理的分析可见，IGBT的异常电流是电路设计不当引入的。显然，电路原理改进后，IGBT就可以不用承受这个异常电流， IGBT的失效问题也就得到了控制。3.3 失效分析在物料控制中的作用目前电子元器件的次品率已经达到ppm水平，采用抽样的方式对电子元器件进行参数测试来评价其质量可靠性已经是没有意义的事。采用物理分析方法分析电子元器件是否存在潜在缺陷，是评价电子元器件质量可靠性的有效手段。案例4：失效分析手段判断翻新元器件通用器件、尤其是长期在市场上流通的器件，经常发现有从淘汰的机器上卸下来，经过一定处理后进入市场，这类器件称为“翻新器件”。失效分析手段是判断翻新器件唯一的有效方法。（1）   器件采用油漆标志（无激光标志）的翻新鉴别无激光标志的器件翻新通常采用有机溶剂擦洗原来的油漆标志，擦洗动作将去除器件原来注塑面的光泽，而且，擦洗的重点在于原来的标志范围，因此而留下了擦洗与没有擦洗的分界线，通过光学显微观察，即可分辨这类翻新的器件，典型擦洗形貌将图5。    （2）有激光标志的器件翻新鉴别有激光标志的器件，由于激光标志有一定的深度，因此，这类器件只能采用研磨的方法，将器件表层磨去，然后，在磨去的面上再上一层塑料，来掩盖表面打磨的痕迹。这类翻新器件的鉴别关键是分辨重新上的塑料与原来注塑面的差别。另外，重新上塑料总是会留下新上塑料与原来注塑面的分界线。通过光学显微的仔细观察，即可辨别打磨（见图6）、上塑料（见图7、图8）的翻新器件。（3）造假产品的鉴别物料采购中还会遇到另一种情况是造假产品，造假产品外观几乎无懈可击，而且外观上是某知名公司的标志，用前面介绍的鉴别方法难以鉴别其真伪。这类产品通常没有功能，但是，由于测试手段的限制，往往采购后等到装配到板上才发现PCBA功能异常。造假产品通过XRAY，以及开封观察即可快速鉴别。典型案例如图9图11所示结束语只有通过失效分析找到产品失效的根本原因，才能找到改正或解决电子产品的失效问题，从而达到保证或提高产品质量与可靠性。因此，电子产品失效分析是电子产品解决可靠性问题的有效工具，是电子产品可靠性提升的关键环节，在电子产品的发展过程中起着重要的作用。