《电容失效分析》PPT课件.ppt

电子元器件可靠性物理 中国电子电器可靠性工程协会 费庆 Tel.010-67642668 北京市南三环东路27号C1108第一讲 失效物理的概念失效的概念失效定义1 特性剧烈或缓慢变化2 不能正常工作失效种类1 致命性失效：如过电应力损伤2 缓慢退化：如MESFET的IDSS下降3 间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效失效物理的概念定义：研究电子元器件失效机理的学科失效物理与器件物理的区别失效物理的用途 失效物理的定义定义：研究电子元器件失效机理的学科失效机理：失效的物理化学根源举例：金属电迁移金属电迁移失效模式：金属互连线电阻值增大或开路失效机理：电子风效应产生条件：电流密度大于10E5A/cm2 高温 纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺 失效物理与器件物理的区别撤销应力后电特性的可恢复性时间性失效物理的用途 1 失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现 2 可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性可靠性评价的主要内容产品抗各种应力的能力产品平均寿命失效物理模型应力强度模型 失效原因：应力强度 强度随时间缓慢减小 如:过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（latch up)应力时间模型（反应论模型）失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳应力强度模型的应用器件抗静电放电（ESD）能力的测试温度应力时间模型T高，反应速率大，寿命短E大，反应速率小，寿命长温度应力的时间累积效应失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差与力学公式类比失效物理模型小结应力强度模型与断裂力学模型相似，不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效和致命性失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显 应力时间模型（反应论模型）与牛顿力学模型相似，考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显应力时间模型的应用：预计元器件平均寿命1求激活能 E Ln L1Ln L21/T21/T1B预计平均寿命的方法2 求加速系数F 设定高温为T1,低温为T2,可求出F预计平均寿命的方法由高温寿命L1推算常温寿命L2F=L2/L1对指数分布L1=MTTF=1/失效率温度应力时间模型的简化：十度法则内容：从室温算起，温度每升高10度，寿命减半。应用举例：推算铝电解电容寿命 105C，寿命1000h（标称值）55C,寿命1000X2E5=32000h 35C，寿命1000X2E7=128000h =128000/365/24=14.81年小结 失效物理的定义：研究电子元器件失效机理的学科 失效物理的用途：1 失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现2 可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性第二讲 阻容元件失效机理电容器的失效机理电解电容钽电容陶瓷电容薄膜电容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 1000X2E9 32000 128000 912000 3.65 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改进措施 降温使用，不做短路放电，电源不反接，经常通电固体钽电容过流烧毁正负极反接陶瓷电容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第三讲 微电子器件失效机理失效模式的概念和种类失效的表现形式叫失效模式按电测结果分类：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。例如开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMOS电路的闩锁效应漏电和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔失效机理的概念（续）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、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤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辐射对电子元器件的影响参数漂移、软失效例：n沟道MOS器件阈值电压减小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第四讲 失效分析技术失效分析的作用确定引起失效的责任方（用应力强度模型说明）确定失效原因为实施整改措施提供确凿的证据举例说明：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，提出纠正措施收集失效现场数据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辐射对电子元器件的影响参数漂移、软失效例：n沟道MOS器件阈值电压减小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 失效率时间随机磨损早期以失效分析为目的的电测技术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IV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。由反向IV特性确定失效机理由反向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、芯片受潮烘焙技术1应用范围：漏电流大或不稳定、阻值低或不稳定、器件增益低、继电器接触电阻大2用途：确定表面或界面受潮和沾污3方法：高温储存、高温反偏清洗技术应用范围：离子沾污引起的表面漏电用途：定性证明元器件受到表面离子沾污方法：无水乙醇清洗 去离子水冲洗（可免去）烘干烘焙和清洗技术的应用举例烘焙和清洗技术的应用举例双极型器件的反向靠背椅特性是钝化层可动离子沾污的结果，可用高温反偏和高温储存来证实。失效分析的发展方向失效定位成为关键技术非破坏非接触高空间分辨率高灵敏度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)检漏技术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，界面断层检漏技术粗检：负压法、氟碳加压法细检：氦质谱检漏法负压法检漏酒精接机械泵焊点染色法氟碳加压法FC43 沸点180CF113沸点47.6C加热至125CX射线透视与反射式声扫描比较样品制备技术种类：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 HPO3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去金属化Al层技术作用配方：30HCl 或 30H2SO4 KOH、NaOH溶液应用实例形貌象技术光学显微术：分辨率3600A，倍数1200X 景深小，构造简单 对多层结构有透明性，可不制样扫描电子显微镜：分辨率50A，倍数10万 景深大，构造复杂 对多层结构无透明性，需制样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结缺陷单端输出束感生电流象（EBIC）EBIC的用途：用SEM观察pn结缺陷传统EBIC用双端输出，每次只能观察一个结单端输出EBIC可同时观察芯片所有pn结的缺陷，适用于VLSI失效分析例某CMOS电路的EBIC原理封装内部气体成份分析封装内部水汽和腐蚀性气体的危害：引起芯片表面漏电，器件电特性不稳定腐蚀金属化层直至开路检测法内置传感器露点检测质谱分析露点检测1应用范围:气密性封装内部水汽浓度2 原理:露点与水汽浓度相关3 方法:通过降温确定器件的水汽敏感电特性的突变温度(露点)质谱分析结果其它结果为：气体总压强，氧，氩，氢，CO2，酒精，甲醇，碳氢化合物仪器灵敏度：水汽 100ppm,其它气体 10ppm固态器件微区化学成份分析