電子元器件失效性分析.doc

電子元器件失效分析技術(shù)第一講 失效物理的概念l失效定義失效的概念1 特性劇烈或緩慢變化2 不能正常工作l失效種類1 致命性失效：如過電應力損傷2 緩慢退化：如MESFET的IDSS下降3 間歇失效：如塑封器件隨溫度變化間歇失效失效物理的概念l 定義：研究電子元器件失效機理的學科l 失效物理與器件物理的區(qū)別l 失效物理的用途失效物理的定義l 定義：研究電子元器件失效機理的學科l 失效機理：失效的物理化學根源l 舉例：金屬電遷移 金屬電遷移l失效模式：金屬互連線電阻值增大或開路l失效機理：電子風效應l產(chǎn)生條件：電流密度大于10E5A/cm2高溫l糾正措施：高溫淀積，增加鋁顆粒直徑，摻銅，降低工作溫度，減少階梯，銅互連、平面化工藝失效物理與器件物理的區(qū)別l 撤銷應力后電特性的可恢復性l 時間性失效物理的用途1 失效分析：確定產(chǎn)品的失效模式、失效機理，提出糾正措施，防止失效重復出現(xiàn)2 可靠性評價：根據(jù)失效物理模型，確定模擬試驗方法，評價產(chǎn)品的可靠性可靠性評價的主要內(nèi)容l 產(chǎn)品抗各種應力的能力l 產(chǎn)品平均壽命失效物理模型l應力強度模型失效原因：應力強度強度隨時間緩慢減小如:過電應力（EOS）、靜電放電（靜電放電ESD）、閂鎖（latch up)l應力時間模型（反應論模型）失效原因：應力的時間累積效應，特性變化超差。如金屬電遷移、腐蝕、熱疲勞應力強度模型的應用l 器件抗靜電放電（ESD）能力的測試溫度應力時間模型EdMdt=AekTT高，反應速率大，壽命短E大，反應速率小，壽命長溫度應力的時間累積效應MtM0=AeEkT(tt0)失效原因：溫度應力的時間累積效應，特性變化超差與力學公式類比dMdt=AeEkTdvdt=FmMtM0=AeEkT(tt0)mvtmv0=F (tt0)失效物理模型小結(jié)l 應力強度模型與斷裂力學模型相似，不考慮激活能和時間效應，適用于偶然失效和致命性失效，失效過程短，特性變化快，屬劇烈變化，失效現(xiàn)象明顯l 應力時間模型（反應論模型）與牛頓力學模型相似，考慮激活能和時間效應，適用于緩慢退化，失效現(xiàn)象不明顯應力時間模型的應用：預計元器件平均壽命l 1求激活能 ELn L2Llnln=LL1A=exp(B+B+EkTEkTEkT)1Ln L1BlnL2=B+EkT21/T11/T2預計平均壽命的方法l 2 求加速系數(shù)FE=exp(LAEexp()L2A2kT=)kT2ELA exp()1EkT1L=A exp(L)1F=2= exp(E(11)kTL11kTT21F=L2L1=exp(Ek(1T21)T1設(shè)定高溫為T1,低溫為T2,可求出F預計平均壽命的方法l 由高溫壽命L1推算常溫壽命L2l F=L2/L1l 對指數(shù)分布l L1=MTTF=1/l 失效率失效率試驗時間內(nèi)失效的元件 數(shù)初始時間未失效元件數(shù)試驗時間溫度應力時間模型的簡化：十度法則l 內(nèi)容：從室溫算起，溫度每升高10度，壽命減半。l 應用舉例：推算鋁電解電容壽命105C，壽命壽1000h（標稱值）55C, 壽命1000X2E5=32000h35C，壽命1000X2E7=128000h=128000/365/24=14.81年小結(jié)失效物理的定義：研究電子元器件失效機理的學科失效物理的用途：1 失效分析：確定產(chǎn)品的失效模式、失效機理，提出糾正措施，防止失效重復出現(xiàn)2 可靠性評價：根據(jù)失效物理模型，確定模擬試驗方法，評價產(chǎn)品的可靠性第二講 阻容元件失效機理電容器的失效機理l 電解電容l 鉭電容l 陶瓷電容l 薄膜電容電解電容的概況l 重要性：多用于電源濾波，一旦短路，后果嚴重l 優(yōu)點：電容量大，價格低l 缺點：壽命短，漏電流大，易燃l 延長壽命的方法：降溫使用，選用標稱溫度高的產(chǎn)品電解電容的標稱溫度與壽命的關(guān)系標稱溫度（）85 105 125標稱溫度壽命（h) 1000 1000 1000工作溫度（）35 35 35工作溫度壽命(h) 1000X2E5 1000X2E7 1000X2E932000 128000 9120003.65 年14.6 年59.26年電解電容的失效機理和改進措施l 漏液：電容減小陽極氧化膜損傷難以修補，漏電流增大。l 短路放電：大電流燒壞電極l 電源反接：大電流燒壞電極，陰極氧化，絕緣膜增厚，電容量下降l 長期放置：不通電，陽極氧化膜損傷難以修補，漏電流增大。PDF created with pdfFactory Pro trial version 電解電容的陽極修復功能AlOHPDF created with pdfFactory Pro trial version 改進措施降溫使用，不做短路放電，電源不反接，經(jīng)常通電PDF created with pdfFactory Pro trial version l 過流燒毀l 正負極反接固體鉭電容PDF created with pdfFactory Pro trial version 陶瓷電容電路板彎曲引起芯片斷裂，漏電流增大PDF created with pdfFactory Pro trial version 陶瓷電容l 銀遷移引起邊緣漏電和介質(zhì)內(nèi)部漏電PDF created with pdfFactory Pro trial version 第三講 微電子器件失效機理PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效模式的概念和種類l 失效的表現(xiàn)形式叫失效模式l 按電測結(jié)果分類：開路、短路或漏電、參數(shù)漂移、功能失效PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效機理的概念l 失效的物理化學根源叫失效機理。例如l 開路的可能失效機理：過電燒毀、靜電損傷、金屬電遷移、金屬的電化學腐蝕、壓焊點脫落、CMCMOS電路的閂鎖效應l 漏電和短路的可能失效機理：顆粒引發(fā)短路、介質(zhì)擊穿、pn微等離子擊穿、Si-Al互熔PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效機理的概念（續(xù)）l 參數(shù)漂移的可能失效機理：封裝內(nèi)水汽凝結(jié)、介質(zhì)的離子沾污、歐姆接觸退化、金屬電遷移、輻射損傷PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效機理的內(nèi)容l 失效模式與材料、設(shè)計、工藝的關(guān)系l 失效模式與環(huán)境應力的關(guān)系環(huán)境應力包括：過電、溫度、濕度、機械應力、靜電、重復應力l 失效模式與時間的關(guān)系PDF created with pdfFactory Pro trial version 水汽對電子元器件的影響l 電參數(shù)漂移l 外引線腐蝕l 金屬化腐蝕l 金屬半導體接觸退化PDF created with pdfFactory Pro trial version 輻射對電子元器件的影響l 參數(shù)漂移、軟失效l 例：n溝道MOS器件閾值電壓減小PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效應力與失效模式的相關(guān)性l 過電：pn結(jié)燒毀、電源內(nèi)引線燒毀、電源金屬化燒毀l 靜電：MOS器件氧化層擊穿、輸入保護電路潛在損傷或燒毀l 熱：鍵合失效、Al-Si互溶、pn結(jié)漏電l 熱電：金屬電遷移、歐姆接觸退化l 高低溫：芯片斷裂、芯片粘接失效l 低溫：芯片斷裂PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效發(fā)生期與失效機理的關(guān)系l 早期失效：設(shè)計失誤、工藝缺陷、材料缺陷、篩選不充分l 隨機失效：靜電損傷、過電損傷l 磨損失效：元器件老化l 隨機失效有突發(fā)性和明顯性l 早期失效、磨損失效有時間性和隱蔽性PDF created with pdfFactory Pro trial version 第四講失效分析技術(shù)PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析的作用l 確定引起失效的責任方（用應力強度模型說明）l 確定失效原因l 為實施整改措施提供確鑿的證據(jù)PDF created with pdfFactory Pro trial version 舉例說明：失效分析的概念和作用l 某EPROM 使用后無讀寫功能l 失效模式：電源對地的待機電流下降l 失效部位：部分電源內(nèi)引線熔斷l(xiāng) 失效機理：閂鎖效應l 確定失效責任方：模擬試驗l 改進措施建議：改善供電電網(wǎng)，加保護電路PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析的受益者l元器件廠：獲得改進產(chǎn)品設(shè)計和工藝的依據(jù)l整機廠：獲得索賠、改變元器件供貨商、改進電路設(shè)計、改進電路板制造工藝、提高測試技術(shù)、設(shè)計保護電路的依據(jù)l整機用戶：獲得改進操作環(huán)境和操作規(guī)程的依據(jù)l提高產(chǎn)品成品率和可靠性，樹立企業(yè)形象，提高產(chǎn)品競爭力PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析技術(shù)的延伸l 進貨分析的作用：選擇優(yōu)質(zhì)的供貨渠道，防止假冒偽劣元器件進入整機生產(chǎn)線l 良品分析的作用：學習先進技術(shù)的捷徑l 破壞性物理分析（DPA）：失效前的物理分析PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析的一般程序l收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)l電測并確定失效模式l非破壞檢查l打開封裝l鏡檢l通電并進行失效定位l對失效部位進行物理化學分析，確定失效機理l綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施PDF created with pdfFactory Pro trial version 收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)l 作用：根據(jù)失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)估計失效原因和失效責任方根據(jù)失效環(huán)境：潮濕、輻射根據(jù)失效應力：過電、靜電、高溫、低溫、高低溫根據(jù)失效發(fā)生期:早期、隨機、磨損l 失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)的內(nèi)容PDF created with pdfFactory Pro trial version 水汽對電子元器件的影響l 電參數(shù)漂移l 外引線腐蝕l 金屬化腐蝕l 金屬半導體接觸退化PDF created with pdfFactory Pro trial version 輻射對電子元器件的影響l 參數(shù)漂移、軟失效l 例：n溝道MOS器件閾值電壓減小PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效應力與失效模式的相關(guān)性l 過電：pn結(jié)燒毀、電源內(nèi)引線燒毀、電源金屬化燒毀l 靜電：MOS器件氧化層擊穿、輸入保護電路潛在損傷或燒毀l 熱：鍵合失效、Al-Si互溶、pn結(jié)漏電l 熱電：金屬電遷移、歐姆接觸退化l 高低溫：芯片斷裂、芯片粘接失效l 低溫：芯片斷裂PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效發(fā)生期與失效機理的關(guān)系l 早期失效：設(shè)計失誤、工藝缺陷、材料缺陷、篩選不充分l 隨機失效：靜電損傷、過電損傷l 磨損失效：元器件老化l 隨機失效有突發(fā)性和明顯性l 早期失效、磨損失效有時間性和隱蔽性PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效發(fā)生期與失效率失效率試驗時間內(nèi)失效的元件 數(shù)試驗初始的元件數(shù)試驗時間失效率早期隨機磨損時間PDF created with pdfFactory Pro trial version 以失效分析為目的的電測技術(shù)l 電測在失效分析中的作用重現(xiàn)失效現(xiàn)象，確定失效模式，縮小故障隔離區(qū)，確定失效定位的激勵條件，為進行信號尋跡法失效定位創(chuàng)造條件l 電測的種類和相關(guān)性連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效PDF created with pdfFactory Pro trial version 電子元器件失效分析的簡單實用測試技術(shù)（一）l連接性測試：萬用表測量各管腳對地端/電源端/另一管腳的電阻，可發(fā)現(xiàn)開路、短路和特性退化的管腳。電阻顯著增大或減小說明有金屬化開路或漏電部位。l待機(stand by)電流測試:所有輸入端接地（或電源），所有輸出端開路，測電源端對地端的電流。待機(stand by)電流顯著增大說明有漏電失效部位。待機(stand by)電流顯著減小說明有開路失效部位。PDF created with pdfFactory Pro trial version 電子元器件失效分析的簡單實用測試技術(shù)（二）l 各端口對地端/電源端的漏電流測試（或IV測試）,可確定失效管腳。l 特性異常與否用好壞特性比較法確定。PDF created with pdfFactory Pro trial version 由反向反IV特性確定失效機理4. 50 E- 0 24. 00 E- 0 23. 50 E- 0 2燒斷電源端1對地燒斷電源端2對地燒斷電源端3對地未燒斷電源端對地3. 00 E- 0 22. 50 E- 0 22. 00 E- 0 21. 50 E- 0 21. 00 E- 0 25. 00 E- 0 30. 00 E+ 0 0- 5. 00 E- 0302468反向電壓（V）1 01214PDF created with pdfFactory Pro trial version 電 流 （ A ）由反向反IV特性確定失效機理l 直線為電阻特性，pn結(jié)穿釘，屬嚴重EOS損傷。l 反向漏電流隨電壓緩慢增大，pn結(jié)受EOS損傷或ESD損傷。l 反向擊穿電壓下降，pn結(jié)受EOS損傷或ESD損傷。PDF created with pdfFactory Pro trial version 由反向IV特性確定失效機理l 反向擊穿電壓不穩(wěn)定：芯片斷裂、芯片受潮PDF created with pdfFactory Pro trial version 烘焙技術(shù)l 1應用范圍：漏電流大或不穩(wěn)定、阻值低或不穩(wěn)定、器件增益低、繼電器接觸電阻大l 2用途：確定表面或界面受潮和沾污l 3方法：高溫儲存、高溫反偏PDF created with pdfFactory Pro trial version 清洗技術(shù)l 應用范圍：離子沾污引起的表面漏電l 用途：定性證明元器件受到表面離子沾污l 方法：無水乙醇清洗去離子水沖洗（可免去）烘干PDF created with pdfFactory Pro trial version 烘焙和清洗技術(shù)的應用舉例PDF created with pdfFactory Pro trial version 烘焙和清洗技術(shù)的應用舉例l 雙極型器件的反向靠背椅特性是鈍化層可動離子沾污的結(jié)果，可用高溫反偏和高溫儲存來證實。PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析的發(fā)展方向l 失效定位成為關(guān)鍵技術(shù)l 非破壞l 非接觸l 高空間分辨率l 高靈敏度PDF created with pdfFactory Pro trial version 無損失效分析技術(shù)l 無損分析的重要性 (從質(zhì)檢和失效分析兩方面考慮)l 檢漏技術(shù)l X射線透視技術(shù)用途：觀察芯片和內(nèi)引線的完整性l 反射式掃描聲學顯微技術(shù)用途：觀察芯片粘接的完整性，微裂紋，界面斷層PDF created with pdfFactory Pro trial version 檢漏技術(shù)l 粗檢：負壓法、氟碳加壓法l 細檢：氦質(zhì)譜檢漏法PDF created with pdfFactory Pro trial version 負壓法檢漏酒精PDF created with pdfFactory Pro trial version 接機械泵焊點染色法PDF created with pdfFactory Pro trial version F113沸點47.6C氟碳加壓法FC43 沸點180C加熱至125CPDF created with pdfFactory Pro trial version X射線透視與反射式聲掃描比較種 類應 用 優(yōu) 勢基 本 原 理X 射 線 透 視 象 觀 察 材 料 高 密 度 區(qū) 的 完整 性 ， 如 器 件 內(nèi) 引 線 斷裂透 過 材 料 高 密 度 區(qū)X 射 線 強 度 衰 減C-SAM 象觀 察 材 料 內(nèi) 部 空 隙 ， 如芯 片 粘 接 不 良 ， 器 件 封裝 不 良超 聲 波 傳 播 遇 空 氣隙 受 阻 反 射樣品制備技術(shù)l 種類：打開封裝、去鈍化層、去層間介質(zhì)、拋切面技術(shù)、去金屬化層l 作用：增強可視性和可測試性l 風險及防范：監(jiān)控PDF created with pdfFactory Pro trial version 打開塑料封裝的技術(shù)PDF created with pdfFactory Pro trial version 去鈍化層的技術(shù)l 濕法：如用HF：H2O1：1溶液去SiO85HPO3溶液，溫度160C去 Si3N4l 干法：CF4和O2氣體作等離子腐蝕去SiNx和聚酰亞胺l 干濕法對比PDF created with pdfFactory Pro trial version 去層間介質(zhì)l 作用：多層結(jié)構(gòu)芯片失效分析l 方法：反應離子腐蝕l 特點：材料選擇性和方向性l 結(jié)果PDF created with pdfFactory Pro trial version l 作用去金屬化Al層技術(shù)l 配方：30HCl 或 30H2SO4KOH 、NaOH溶液l 應用實例PDF created with pdfFactory Pro trial version 形貌象技術(shù)l 光學顯微術(shù)：分辨率3600A，倍數(shù)倍1200X景深小，構(gòu)造簡單對多層結(jié)構(gòu)有透明性，可不制樣l 掃描電子顯微鏡：分辨率50A，倍數(shù)10萬景深大，構(gòu)造復雜對多層結(jié)構(gòu)無透明性，需制樣PDF created with pdfFactory Pro trial version 以測量電流效應為基礎(chǔ)的失效定位技術(shù)l 紅外熱象技術(shù)l 光發(fā)射顯微鏡用途：熱分布圖，定熱點用途：微漏電點失效定位柵氧化層缺陷，pn結(jié)缺陷，閂鎖效應l 電子束感生電流象 用途：pn結(jié)缺陷PDF created