失效分析技术及经典案例-技术与设备.pdf

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1、1/失效分析技术及经典案例失效分析技术及经典案例第二讲 分析技术与设备第二讲 分析技术与设备中国赛宝实验室中国赛宝实验室可靠性研究分析中心可靠性研究分析中心2/总目录总目录第一讲 失效分析概论第一讲 失效分析概论第二讲 分析技术及设备第二讲 分析技术及设备第三讲 失效分析典型案例第三讲 失效分析典型案例3/第二讲 失效分析技术与设备第二讲 失效分析技术与设备1.失效分析程序失效分析程序2.非破坏性分析技术非破坏性分析技术3.半破坏性分析技术半破坏性分析技术4.破坏性分析技术破坏性分析技术5.分析技术与设备清单分析技术与设备清单获得失效分析证据具体技术方法4/失效分析程序失效分析程序?基本方法与

2、程序基本方法与程序?失效信息调查与方案设计失效信息调查与方案设计?非破坏性分析的基本路径非破坏性分析的基本路径?半破坏性分析的基本路径半破坏性分析的基本路径?破坏性分析的基本路径破坏性分析的基本路径?报告编制报告编制失效分析的逻辑与技术途径5/失效分析程序失效分析程序基本方法与程序基本方法与程序基本思路基本思路?信息分析(失效环境信息分析(失效环境标准标准规范规范经验)经验)?失效模式确认(通过测试失效模式确认(通过测试试验试验对比分析)对比分析)?可能的失效机理(在前两项的基础上)可能的失效机理(在前两项的基础上)?寻找证据(物理寻找证据(物理化学化学试验)试验)?原因推演原因推演?必要的验

3、证和结论必要的验证和结论6/失效分析程序失效分析程序基本方法与程序基本方法与程序基本流程基本流程失效现场信息调查失效现场信息调查?外观检查外观检查?失效模式确认失效模式确认?方案设计方案设计?非破坏性分析非破坏性分析?破坏性分析破坏性分析?综合分析综合分析?报告编写报告编写7/失效分析程序失效分析程序基本方法与程序基本方法与程序操作原则操作原则?先外部后内部先外部后内部?先非破坏性后半破坏性先非破坏性后半破坏性?最后用破坏性最后用破坏性?避免引进新的失效机理避免引进新的失效机理8/失效分析程序失效分析程序失效信息调查与方案设计失效信息调查与方案设计信息类别信息类别?基本信息：出于管理需要的信息

4、，样品来源、型号、批次、编号、时间、地点等。基本信息：出于管理需要的信息，样品来源、型号、批次、编号、时间、地点等。?技术信息：是判断可能的失效机理和失效分析方案设计的重要依据。技术信息：是判断可能的失效机理和失效分析方案设计的重要依据。9/失效分析程序失效分析程序技术信息技术信息?特定使用应用信息整机故障现象异常环境在整机中的状态应用电路、二次筛选应力、失效历史、失效比例、失效率及其随时间的变化等。特定使用应用信息整机故障现象异常环境在整机中的状态应用电路、二次筛选应力、失效历史、失效比例、失效率及其随时间的变化等。?特定生产工艺1)生产工艺条件和方法2)特种器件应先用特定生产工艺1)生产工

5、艺条件和方法2)特种器件应先用好品开封了解和研究其结构特点好品开封了解和研究其结构特点技术信息的作用：方案设计、分析过程和机理推断的重要依据技术信息的作用：方案设计、分析过程和机理推断的重要依据10/失效分析程序失效分析程序非破坏性分析的基本路径非破坏性分析的基本路径非破坏性项目(先实施易行的、低成本的）非破坏性项目(先实施易行的、低成本的）?外观检查外观检查?模式确认(测试和试验,对比分析)！模式确认(测试和试验,对比分析)！?检漏检漏?可动微粒检测（PIND）可动微粒检测（PIND）?X光照相X光照相?声学扫描声学扫描?模拟试验模拟试验11/失效分析程序失效分析程序半破坏性分析的基本路径半

6、破坏性分析的基本路径半破坏性分析（多余物、污染、缺陷、微区电特性和电光热效应）半破坏性分析（多余物、污染、缺陷、微区电特性和电光热效应）?可动微粒收集可动微粒收集?内部气氛检测（与前项有冲突）内部气氛检测（与前项有冲突）?开封开封?不加电的内部检查（光学不加电的内部检查（光学 SEM SEM 微区成分）微区成分）?加电的内部检查(微探针加电的内部检查(微探针热像热像光发射光发射电压衬度像电压衬度像束感生电流像束感生电流像电子束探针）电子束探针）12/失效分析程序失效分析程序破坏性分析的基本路径破坏性分析的基本路径破坏性分析（进一步的微区电特性、污染、缺陷）破坏性分析（进一步的微区电特性、污染、

7、缺陷）?加电的内部检查(去除钝化层加电的内部检查(去除钝化层微探针微探针聚焦离子束聚焦离子束电子束探针）电子束探针）?剖切面分析（光学、SEM、TEM）剖切面分析（光学、SEM、TEM）13/失效分析程序失效分析程序报告编制报告编制?失效现场信息(样品概况)失效现场信息(样品概况)?有关的各种检测的记录数据描述和分析有关的各种检测的记录数据描述和分析?综合分析综合分析?分析结论分析结论?措施建议措施建议14/如何使用失效分析报告如何使用失效分析报告?质量师（可靠性师）质量师（可靠性师）?设计师设计师?工艺师工艺师?用户用户15/1 非破坏性分析技术非破坏性分析技术?1.1 外观检查1.1 外观

8、检查?1.2 电参数测试分析与模拟应力试验1.2 电参数测试分析与模拟应力试验?1.3 检漏与PIND1.3 检漏与PIND?1.4 X光与扫描声学分析1.4 X光与扫描声学分析16/ 1.1 外观检查1.1 外观检查封装、过热等封装、过热等17/1.2 电参数测试分析电参数测试分析目的：确认失效模式和失效管脚定位目的：确认失效模式和失效管脚定位方法：与同批次好品同时进行测试和试验方法：与同批次好品同时进行测试和试验功能测试和管脚直流特性（功能测试和管脚直流特性（I-V特性）特性）对照良好样品、产品规范，解释差异对照良好样品、产品规范，解释差异结果结果:1)*参数漂移参数漂移*参数不合格参数不

9、合格*开路开路*短路短路*与失效现场不一致与失效现场不一致2)确认异常功能和异常直流特性的引脚确认异常功能和异常直流特性的引脚18/1.2 电参数测试分析电参数测试分析几种异常的IV特性几种异常的IV特性19/1.2 电参数测试分析1.2 电参数测试分析注意注意?图示仪:局部和全貌图示仪:局部和全貌?测试仪:自动测试仪器与随时间蠕变的特性测试仪:自动测试仪器与随时间蠕变的特性?测试标准和规范：高反压器件和雪崩击穿电压测试标准和规范：高反压器件和雪崩击穿电压?关于万用表关于万用表20/1.2电参数测试分析1.2电参数测试分析电参数测试可识别的失效模式电参数测试可识别的失效模式A.A.与失效现场不

10、一致与失效现场不一致B.B.参数漂移参数漂移C.C.参数不合格参数不合格D.D.开路开路E.E.短路短路F.F.间歇失效间歇失效21/1.3 检漏与PIND1.3 检漏与PIND检漏检漏 结果:低漏率、高漏率、冒泡结果:低漏率、高漏率、冒泡 与外观结果的相关性与外观结果的相关性 X-射线检查结果:X-射线检查结果:玻璃绝缘子和焊缝有裂缝或气泡不连通和连通玻璃绝缘子和焊缝有裂缝或气泡不连通和连通22/1.3 检漏与PIND1.3 检漏与PIND可动微粒探测可动微粒探测 影响:金属可能引起短路，非金属引起沾污影响:金属可能引起短路，非金属引起沾污 方法:振动微粒噪声，振动与X光照相结合方法:振动微

11、粒噪声，振动与X光照相结合 可动微粒取样可动微粒取样 可动微粒性质分析可动微粒性质分析 可动微粒来源可动微粒来源 继电器和电感线圈继电器和电感线圈23/1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)?X射线透视技术（几微米）用途：观察芯片、内引线和界面的完整性射线透视技术（几微米）用途：观察芯片、内引线和界面的完整性?反射式扫描声学显微技术（几十微米）用途：观察芯片粘接的完整性，微裂纹，界面分层反射式扫描声学显微技术（几十微米）用途：观察芯片粘接的完整性，微裂纹，界面分层24/1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)X射

12、线透视与反射式声扫描比较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 射线透视像 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 像 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 25/1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)X射线透视象X射线透视象xxx26/1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)反射式扫描声学显微镜反射式扫描声学显微镜塑封料塑封料/芯片界面芯片界面塑封料塑封料/载片台界面载片台界面塑封料塑封料/引线框架界面引线

13、框架界面塑封料塑封料/引线框架界面引线框架界面芯片粘片层芯片粘片层 捷韦公司捷韦公司27/1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)反射式扫描声学显微象反射式扫描声学显微象28/1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)反射式扫描声学显微象反射式扫描声学显微象29/2.半破坏性分析技术2.半破坏性分析技术2.1 开封技术与可动微粒收集2.1 开封技术与可动微粒收集2.2 内部气氛检测（与前项有冲突）2.2 内部气氛检测（与前项有冲突）2.3 不加电的内部检查（光学2.3 不加电的内部检查（光学 SEM与EDS SEM与

14、EDS 微区成分）微区成分）2.4 加电的内部检查(微探针2.4 加电的内部检查(微探针红外热像红外热像EMMI光发射EMMI光发射电压衬度像电压衬度像束感生电流像束感生电流像电子束探针）电子束探针）30/2.1 开封技术与可动微粒收集2.1 开封技术与可动微粒收集开封开封?首先必须了解样品的内部结构，必要时用同类品试开封首先必须了解样品的内部结构，必要时用同类品试开封?空封机械法:专用工具研磨空封机械法:专用工具研磨?塑封化学法:硫酸硝酸塑封化学法:硫酸硝酸31/2.1 开封技术与可动微粒收集2.1 开封技术与可动微粒收集样品制备技术样品制备技术?种类：打开封装、去钝化层、去层间介质、抛切面

15、技术、去金属化层种类：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作用：增强可视性和可测试性?风险及防范：监控风险及防范：监控32/2.2 内部气氛检测2.2 内部气氛检测 主要有害气氛:水汽、氧、有机气氛主要有害气氛:水汽、氧、有机气氛 水汽的危害:除了直接引起漏电之外，水对很多失效机理都有加速作用*银迁移(离子迁移)*金属腐蚀(腐蚀和电化腐蚀)*金铝化合物*焊接热疲劳*水汽中H离子引起的二次慢俘获水汽的危害:除了直接引起漏电之外，水对很多失效机理都有加速作用*银迁移(离子迁移)*金属腐蚀(腐蚀和电化腐蚀)*金铝化合物*焊接热疲劳*水汽中H离子引起的二次

16、慢俘获33/2.3不加电的内部检查2.3不加电的内部检查?金相显微镜金相显微镜?扫描电镜（SEM）与能谱仪（EDS）扫描电镜（SEM）与能谱仪（EDS）34/2.3不加电的内部检查2.3不加电的内部检查内部观察内部观察 内部引线和外引脚的对应关系内部引线和外引脚的对应关系 内部结构状态全貌内部结构状态全貌 以上两项必要时必须拍照以上两项必要时必须拍照 观察顺序1)引线丝及内外键合点2)芯片3)金属化4)钝化层及介质5)PN结6)其它结构观察顺序1)引线丝及内外键合点2)芯片3)金属化4)钝化层及介质5)PN结6)其它结构 有怀疑的都必须照相有怀疑的都必须照相35/2.3不加电的内部检查2.3不

17、加电的内部检查芯片全貌内键合点缺陷划片区崩损击穿36/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查?微探针微探针?红外热像红外热像?EMMI光发射EMMI光发射?SEM电压衬度像SEM电压衬度像?SEM束感生电流像SEM束感生电流像?电子束探针电子束探针37/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查以测量电压效应为基础的失效定位技术以测量电压效应为基础的失效定位技术用途：确定断路失效点位置用途：确定断路失效点位置主要失效定位技术：主要失效定位技术：扫描电镜的电压衬度像扫描电镜的电压衬度像 机械探针的电压和波形测试机械探针的电压和波形测试 电子束测试系统的电压和波形测试电子束测试系统的电压和波形测试

18、38/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查SEM电压衬度像原理SEM电压衬度像原理39/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查电压衬度像和差像示意图电压衬度像和差像示意图40/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查电压衬度象和差象电压衬度象和差象 来自于文献来自于文献41/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查电子束测试技术电子束测试技术 用途：（与IC测试系统相比较）测定芯片内部节点的电压和波形，进行芯片失效定位（电镜+电子束探头示波器）用途：（与IC测试系统相比较）测定芯片内部节点的电压和波形，进行芯片失效定位（电镜+电子束探头示波器）特点：（与机械探针相比较）高的空间分辨率，非

19、接触，无电容负载，容易对准被测点特点：（与机械探针相比较）高的空间分辨率，非接触，无电容负载，容易对准被测点42/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查机械探针与电子探针比较机械探针与电子探针比较 直流电压、交流电压、脉冲电压直流电压、交流电压、脉冲电压 电压精度高，用于模拟电路、数字电路电压精度高，用于模拟电路、数字电路 信号注入、信号寻迹信号注入、信号寻迹 接触性探针，需去钝化层接触性探针，需去钝化层 有负载，波形易变形有负载，波形易变形 空间分辨率差空间分辨率差 交流电压、脉冲电压交流电压、脉冲电压 电压精度低，用于数字电路电压精度低，用于数字电路 信号寻迹信号寻迹 非接触性探针，不需

20、去钝化层非接触性探针，不需去钝化层 无负载，波形不变形无负载，波形不变形 空间分辨率高空间分辨率高43/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查以测量电流效应为基础的失效定位技术以测量电流效应为基础的失效定位技术 红外热象技术：热分布图，定热点红外热象技术：热分布图，定热点 光发射显微镜：微漏电点失效定位光发射显微镜：微漏电点失效定位栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应 电子束感生电流像：pn结缺陷定位电子束感生电流像：pn结缺陷定位44/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查改进前的混合电路热分布图改进前的混合电路热分布图改进后的混合电路热分布图改进后的混合

21、电路热分布图 红外热像技术红外热像技术45/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查光发射显微镜（EMM）光发射显微镜（EMM）46/2.4加电的内部检查光发射显微镜2.4加电的内部检查光发射显微镜47/2.4加电的内部检查2.4加电的内部检查EMM确定CMOS电路闩锁效应易发区EMM确定CMOS电路闩锁效应易发区48/3.破坏性分析技术3.破坏性分析技术3.1 去除钝化层技术（湿法、干法）3.1 去除钝化层技术（湿法、干法）3.2 剖切面技术及分析3.2 剖切面技术及分析49/3.1 去除钝化层技术3.1 去除钝化层技术去钝化层的监控去钝化层的监控50/3.1 去除钝化层技术3.1 去除钝化

22、层技术反应离子腐蚀技术反应离子腐蚀技术51/3.2 剖切面技术及分析3.2 剖切面技术及分析?固封（镶嵌）材料固封（镶嵌）材料?操作要求研磨操作要求研磨(粗细粗细)?抛光抛光?横切面、纵切面、斜角横切面、纵切面、斜角52/BGA焊点失效BGA焊点失效53/4.分析技术与设备清单4.分析技术与设备清单 技术技术 探针粒子探针粒子 观察粒子原理和观察粒子原理和 方法方法 获得的信息获得的信息 灵敏度灵敏度 分析范围分析范围/深度深度 描述描述 电 子 探针 分 析电 子 探针 分 析(EPMA)电子电子(几十几十kV)X 射线射线 用特征用特征 X 射线能量表征的元素表面分布图射线能量表征的元素表

23、面分布图 表面形貌、元素分布及元素分析：表面形貌、元素分布及元素分析：B-V 1001000PPM 10-2ML 10-30.3mm/1m 对重元素对重元素(粒子粒子)灵敏度高。不适用亚微米以下的分析灵敏度高。不适用亚微米以下的分析 扫 描 电子 显 微分析扫 描 电子 显 微分析(SEM)电子电子(几 百几 百V几十几十kV)二 次电子二 次电子 用散射电子的扫描强度分布表征表面形貌、电位分布等用散射电子的扫描强度分布表征表面形貌、电位分布等 表面形貌、晶体缺陷、载流子寿、电压衬度像、电压频闪图、束感生像表面形貌、晶体缺陷、载流子寿、电压衬度像、电压频闪图、束感生像 二 次 电 子像：二 次

24、 电 子像：1nm,背 散 射 电子像：背 散 射 电子像：10 nm，电压衬度：，电压衬度：0.1V 10-30.3mm/1m 很高的表面形貌观察分辨率。包括形貌、成分、电效应在内的多种图像信息。很高的表面形貌观察分辨率。包括形貌、成分、电效应在内的多种图像信息。透 射 电子 显 微分析透 射 电子 显 微分析(TEM)电子电子(200kV)电子电子 用透射电子显微镜观察截面形貌用透射电子显微镜观察截面形貌 表面形貌特征，结晶评价和内部结构表面形貌特征，结晶评价和内部结构 晶 格 图 晶 格 图 0.14nm 粒 子 图 粒 子 图 0.2nm 微区分析深度：几个微区分析深度：几个m 样品必

25、须制成薄片。可获得晶格缺陷明显的衬度。高分辨率样品必须制成薄片。可获得晶格缺陷明显的衬度。高分辨率 54/4.分析技术与设备清单4.分析技术与设备清单 技术技术 探针粒子探针粒子 观察粒子原理和观察粒子原理和 方法方法 获得的信息获得的信息 灵敏度灵敏度 分析范围分析范围/深度深度 描述描述 俄 歇 电子能谱俄 歇 电子能谱（AES）电子）电子（几百到几千（几百到几千kV）俄 歇电子俄 歇电子 通过测量俄歇电子的能量进行成份分析通过测量俄歇电子的能量进行成份分析 表面元素确定和元素随深度分布表面元素确定和元素随深度分布 10-3ML 0.010.1 301mm/几几几十几十 对轻量元素有高灵敏

26、度。高的质量灵敏度。由于谱线复杂，难于确定重元素。结合离子溅射可提供限定面积上的成分深度分布。对轻量元素有高灵敏度。高的质量灵敏度。由于谱线复杂，难于确定重元素。结合离子溅射可提供限定面积上的成分深度分布。二 次 离子 质 谱（二 次 离子 质 谱（SIMS）离子离子（几百到（几百到20kV）二 次离子二 次离子 溅射离子的质量谱元 素 确定，表面元 素 分布：溅射离子的质量谱元 素 确定，表面元 素 分布：H-U10-5ML PPbPPm 10-31mm/单层（单层（ML）几个几个 ML容易测量表面和深度的元素分布，适用于所有的元素，微量气体和低分子量容易测量表面和深度的元素分布，适用于所有

27、的元素，微量气体和低分子量 X 射 线光 电 子能谱（射 线光 电 子能谱（XPS）特征）特征 X射线射线 光 电子光 电子 通过测量光电子能量确定壳层能级通过测量光电子能量确定壳层能级 元 素 确定，化学位移元 素 确定，化学位移 210-3ML 100m20.3mm2/520 利用化学位移测量化学键和化合物，低灵敏度，非破坏性。利用化学位移测量化学键和化合物，低灵敏度，非破坏性。55/4.分析技术与设备清单4.分析技术与设备清单技术技术 探针粒子探针粒子 观察粒子原理和观察粒子原理和 方法方法 获得的信息获得的信息 灵敏度分析范围灵敏度分析范围/深度深度 描述描述 扫 描 声学 显 微扫

28、描 声学 显 微(SAM)超声波超声波 超 声波超 声波 测 量 超 声波传播，分析 材 料 弹性特性测 量 超 声波传播，分析 材 料 弹性特性 晶体缺陷和多层结构分析晶体缺陷和多层结构分析 几几十几几十m/1mm 几 十 几 十mm 结构截面的非破坏性分析结构截面的非破坏性分析 显 微 红外 吸 收光谱显 微 红外 吸 收光谱 红外线红外线 红 外线 光谱红 外线 光谱 测 量 表 面反 射 的 红外 线 吸 收光谱测 量 表 面反 射 的 红外 线 吸 收光谱 识别分子官能团识别分子官能团 10-410-7g 微区分析几十微区分析几十m/1m 有有/无机化合物定性分析，辨别已知和未知物质异同。不能检出金属和离子。无机化合物定性分析，辨别已知和未知物质异同。不能检出金属和离子。聚 焦 离子束聚 焦 离子束(FIB)离子离子(可 达可 达50kV)二 次离子离 子 束 轰击 引 起 的溅射二 次离子离 子 束 轰击 引 起 的溅射 截面结构截面结构 二 次 电子：二 次 电子：5nm 微区分析局部的截面观察微区分析局部的截面观察 本讲结束