失效分析步驟與方法

失效分析步驟與方法 內容提要 基本概念失效分析的目的和作用失效分析的一般步驟失效分析技術介紹失效機理的分析案例注意事項Q A 一 基本概念 失效器件性能發(fā)生劇烈的或是緩慢的變化 這些變化達到一定程度 器件不能正常工作 這種現(xiàn)象叫做失效 失效模式指失效的表現(xiàn)形式 一般指器件失效時的狀態(tài) 如開路 短路 漏電或參數漂移等 失效模式的分類按失效的持續(xù)性致命性 間歇性 緩慢退化按失效時間早期失效 隨機失效 磨損失效按電測結果開路 短路 漏電 參數漂移 失效機理失效的物理和化學根源叫失效機理 物理和化學根源包括 環(huán)境 應力和時間 環(huán)境和應力包括溫度 濕度 電 機械等失效的物理模型應力 強度模型認為失效原因是由于產品所受應力超過其極限強度 此模型可解釋EOS ESD Bodycrack等 應力 時間模型認為產品由于受到應力的時間累積效應 產品發(fā)生化學反應 微觀結構發(fā)生變化 達到一定程度時失效 此模型可解釋材料的歐姆接觸電阻增大 電壓隨時間衰降 焊接部分的熱疲勞現(xiàn)象等 二 失效分析的目的及作用 目的找出器件失效的物理和化學根源 確定產品的失效機理作用獲得改進工藝 提出糾正措施 防止失效重復出現(xiàn)的依據確定失效的責任方 避免不必要的損失賠償評估產品的可靠度 三 一般步驟 1 收集失效數據2 烘焙3 測試并確定失效模式4 非破壞性分析5 DE CAP6 失效定位7 對失效部分進行物理化學分析8 綜合分析 確定失效原因 提出改善措施 1 失效數據收集 作用 根據失效現(xiàn)場數據估計失效原因和失效責任方失效現(xiàn)場數據的內容失效環(huán)境 潮濕 輻射失效應力 過電 靜電 高溫 低溫 高低溫失效發(fā)生期 早期 隨機 磨損失效歷史 以往同類器件的失效狀況 2 烘焙 對于一些經過潮濕環(huán)境下失效 或從其電性上表現(xiàn)為漏電大或不穩(wěn)定的器件 有必要進行烘焙后測試方法 溫度 150 常壓時間 4小時以上 3 電性測試及確定失效模式 不同與質量檢驗為目的的測試 采用非標準化的測試方法 可以簡化 包括引腳測試和芯片測試兩類可以確定失效的管腳和模式 但不能確定失效的確切部位 4 非破壞性分析 定義 不必打開封裝對樣品進行失效分析的方法 一般有 顯微鏡的外觀檢驗X RAY檢查內部結構C SAM掃描內部結構及分層 5 DE CAP分析 步驟一 去黑膠配比 發(fā)煙HNO3 H2SO4 3 1加熱時間 煮沸后5 10分鐘 根據材料大小 注意 酸液不能超過燒杯的規(guī)定刻度 以防加熱過程酸液濺出來顯微鏡觀察焊接件結構 芯片的外觀檢查等烘烤后測試 步驟二 去銅配比濃硝酸加熱時間 沸騰后3 5分鐘離開電爐至銅反應完注意 加熱沸騰比較劇烈 加酸液的液面不要超過燒杯的規(guī)定刻度 顯微鏡觀察 焊錫的覆蓋面積 氣孔 位置 焊錫顆粒 芯片Crack等 步驟三 去焊錫配比濃硝酸加熱時間 沸騰后30分鐘左右注意 加酸液的液面不要超過燒杯規(guī)定刻度 以防止酸液濺出顯微鏡觀察 芯片正反兩面觀察 Surgemark點 結構電性確認 6 失效定位 對于在芯片上明顯的異常點 如Surgemark Microcrack 氧化層脫落 比較容易定位對于目視或顯微鏡下無法觀察到的芯片 可以加電后借助紅外熱像儀或液晶測試找到失效點 7 失效點的物理化學分析 為更進一步確認失效點的失效機理 我們需要對失效點進行電子放大掃描 SEM 和能譜分析 EDX 以找到失效點的形貌和化學元素組成等 作為判定失效原因的依據 8 綜合分析 根據前面步驟的逐步分析 確定最終失效原因 提出報告及改善建議及完成報告 你的成果 四 失效分析技術 1 攝影和光學顯微術本廠有0 400倍的光學顯微鏡和影象攝取裝置 基本上可以含蓋整個分析過程需要的光學檢查每個元件都需要記錄一般狀態(tài)的全景照片和特殊細節(jié)的一系列照片不涉及分析結果或最終結論的照片可以在報告中不列入擁有但不需要總比需要但沒有要好 四 失效分析技術 光學顯微鏡作用用來觀察器件的外觀及失效部位的表現(xiàn)形狀 分布 尺寸 組織 結構 缺陷 應力等 如觀察器件在過電應力下的各種燒毀和擊穿現(xiàn)象 芯片的裂縫 沾污 劃傷 焊錫覆蓋狀況等 例 一些失效的在光學顯微鏡下觀察到的現(xiàn)象 四 失效分析技術 四 失效分析技術 2 電測技術質量檢驗的電測采用標準化的測試方法 判定該器件是否合格 目的是確定器件是否滿足預期的技術要求失效分析的電測采用非標準的測試方式 目的是用于確定器件的失效模式 失效部位并估計可能的實效機理測試儀器 測試步驟及參數的種類都可以簡化 四 失效分析技術 失效分析的電測管腳測試管腳測試可以確定失效的模式和管腳 無法確定失效的確切部位例1 GBJ的 AC1電性失效 其余管腳OK 則可以只對 AC1的晶粒做后續(xù)分析 如X RAY等例2 TO220AB的一端測試顯示HI VF 我們可以估計可能的失效模式為晶粒橫裂等 四 失效分析技術 四 失效分析技術 芯片測試 DECAP后的測試 芯片測試可以縮小失效分析的范圍 省去一些分析步驟例 做過PCT的失效器件在去黑膠后測試電性恢復 后續(xù)的去銅可以不做 可以初步判定失效機理為水汽進入封裝本體引起 導致失效 四 失效分析技術 3 烘焙技術對材料的烘焙可以確定材料是否受到潮濕及水汽影響或內部離子污染例 PCT失效的材料在烘焙后電性恢復內部離子污染造成的電性失效 烘烤可以 治愈 或逆轉變壞電氣特性 四 失效分析技術 4 無損分析技術定義 無須打開封裝對樣品進行失效定位和失效分析的技術 除電測技術分析外 有X 射線和反射式聲學掃描顯微技術等 四 失效分析技術 X RAY原理與醫(yī)用的X射線透視技術完全相同 器件的不同材料造成不同的吸收系數 收集穿透的X射線通過圖象處理可反映不同部位的影象可以觀察器件內部結構 焊錫的狀況 本體氣孔等例 DF M的焊錫氣孔 手動與自動制程的差異 四 失效分析技術 手動制程 自動制程 四 失效分析技術 C SAM原理 利用超聲脈沖探測樣品內部的空隙缺陷等 超聲波對于不同的介質都會產生發(fā)射波 如果遇到空氣即100反射 該技術是對器件分層最有效的檢測方法可以檢測材料結構界面的粘連和分層狀況 及塑封材料的空洞 芯片開裂等 例 分層器件與正常器件的C SAM圖片 四 失效分析技術 四 失效分析技術 X射線透視與反射式聲掃描比較 四 失效分析技術 5 DE CAP利用強酸將器件的封裝去處 展示材料的內部結構 是一個破壞性的分析技術 不可逆轉 因此在進行此步分析時請確認所有非破壞性的分析已經完成 本廠通常用燒杯中加熱的方式 更高級的DE CAP有專門的設備分析人員須考慮潛在的損壞和每項分析的目的記住木匠遵循的規(guī)律 測量兩次才鋸一次 四 失效分析技術 高級的DE CAP設備原理圖 一般用于集成電路 四 失效分析技術 6 定位技術 HOTSPOT 紅外熱像儀 液晶探測原理 將失效的芯片通電 在失效點附近會有大的漏電通過 這部分的溫度會升高 利用紅外熱像儀或芯片表面涂液晶用偏振鏡觀察 可以找到失效點 從而可以進一步針對失效點作分析例 分別用紅外熱像儀和液晶方法獲得的失效點照片 四 失效分析技術 紅外熱像儀 液晶 四 失效分析技術 7 電子掃描 SEM 及能譜分析 EDX 原理 利用陰極所發(fā)射的電子束經陽極加速 由磁透鏡聚焦后形成一束直徑為幾百納米的電子束流打到樣品上激發(fā)多種信息 如二次電子 背散射電子 俄歇電子 射線 經收集處理 形成相應的圖象 通常使用二次電子來形成圖象觀察 同時通過特征 射線可以進行化學成分的分析 四 失效分析技術 掃描電子顯微鏡與光學顯微鏡的比較 四 失效分析技術 掃描電鏡的應用用來觀察光學顯微鏡下觀察不到的細微結構 如觀察芯片擊穿點的立體形貌 針孔等用來分析微區(qū)的化學成分 如對擊穿點的化學成分分析 確定失效點的失效原因例 利用電子掃描和能譜分析對失效晶粒的分析案例 四 失效分析技術 SEM照片 針對特定點的能譜分析 四 失效分析技術 8 剖切面技術對于缺陷存在與器件內部 不容易從正面觀察到就需要進行剖切面觀察方法 用環(huán)氧樹脂固化器件 用鋸片及經過研磨 拋光后進行光學或電子掃描顯微鏡觀察 五 器件失效機理的分析 1 過電應力損傷 EOS 失效模式 表現(xiàn)為開路 短路 漏電增大 反向偏壓衰降失效機理 器件受到一種隨機的短時間的高電壓或強電流沖擊 功率遠大于額定功率 產生過電應力損傷輕度的損傷可能會使期間漏電增大 反向偏壓衰降等嚴重時失效特征很明顯 芯片有明顯的surgemark 甚至會使芯片開裂 塑封體炭化等 五 器件失效機理的分析 器件失效機理的內容失效模式與材料 設計 工藝的關系失效模式與環(huán)境應力的關系環(huán)境應力包括 過電 溫度 濕度 機械應力 靜電 重復應力失效模式與時間的關系 五 器件失效機理的分析 2 靜電放電損傷 ESD 失效模式 表現(xiàn)為漏電增大 反向偏壓衰降等失效機理 帶電人體 接地不良的儀器測試 器件摩擦產生的靜電通過器件產生損傷失效模式與EOS相似 區(qū)分有一定的困難 通?？梢酝ㄟ^HOTSPOT和SEM的方法可能會看到失效點 五 器件失效機理的分析 3 封裝水汽和離子污染失效模式 表現(xiàn)為漏電增大 電性不穩(wěn)定等失效機理 水汽來源有a 封裝工藝缺乏防潮措施 b 封裝材料吸收水汽及放出有害氣體 離子污染主要來自芯片工藝過程操作人員和環(huán)境及封裝材料的鈉離子等水汽和離子污染均可用高溫烘烤的方式來驗證 五 器件失效機理的分析 4 焊接不良失效模式 表現(xiàn)為VF偏高 F S能力差等失效機理 焊接氣孔 虛焊 假焊 鍍層脫落等可通過X射線或DE CAP后去銅觀察焊錫覆蓋狀況來判斷 六 案例 案例1 SMBF12AVCL在PCT失效失效機理 材料封裝小 水汽容易進入封裝本體內導致器件失效驗證 a 烘烤后有部分電恢復 b DE CAP去黑膠后測試全部恢復電性改善措施 改進封裝制程或更換封裝材料 六 案例 案例2 GBJ10A在F S失效失效機理 芯片本身F S能力不足 芯片尺寸小 95mil 驗證 a 歷史F S資料顯示其失效綠居高不下 b DE CAP后芯片開裂 屬過電應力損傷改善措施 增加芯片尺寸至105mil 提升F S能力 七 分析過程的一些注意事項 為了完成任務而急于進行下一步的破壞性分析可能失去找到關鍵的因素的機會可能最后得到錯誤的結論細致的觀察對每一步驟的樣品必須做全面的觀察對任何異常均需要詳細的記錄并放大取照 七 分析過程的一些注意事項 避免帶入潛在的過程影響因素酸溫不宜過高避