電子產(chǎn)品失效分析技術(shù)

1、電子產(chǎn)品失效分析技術(shù)電子產(chǎn)品失效分析技術(shù) 電子產(chǎn)品失效分析技術(shù) 內(nèi)容 失效分析概論 主要失效模式及機(jī)理 失效分析基本程序 失效分析技術(shù)與設(shè)備 失效案例分析 失效分析概論 失效分析概論 1. 基本概念 失效產(chǎn)品喪失功能或降低到不能滿足規(guī)定的要求。 失效模式電子產(chǎn)品失效現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。如開路、短 路、參數(shù)漂移、不穩(wěn)定等。 失效機(jī)理導(dǎo)致失效的物理化學(xué)變化過(guò)程，和對(duì)這一過(guò) 程的解釋。 應(yīng)力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品完成功能所需的動(dòng)力和產(chǎn)品經(jīng)歷的環(huán)境 條件，是產(chǎn)品退化的誘因。 失效分析概論 2. 失效分析的定義和作用 失效分析是對(duì)已失效器件進(jìn)行的一種事后檢查。使用電 測(cè)試以及先進(jìn)的物理、金相和化學(xué)的分析技術(shù)，驗(yàn)證所 報(bào)告

2、的失效，確定試銷模式，找出失效機(jī)理。 根據(jù)失效分析得出的相關(guān)結(jié)論，確定失效的原因或相關(guān) 關(guān)系，從而在產(chǎn)生工藝、器件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)或應(yīng)用方面采 取糾正措施，以消除失效模式或機(jī)理產(chǎn)生的原因，或防 止其再次出現(xiàn)。 主要失效模式及機(jī)理 失效模式 失效模式就是失效的外在表現(xiàn)形式。 按持續(xù)性分類：致命性失效，間歇失效，緩慢退化 按失效時(shí)間分：早期失效，隨機(jī)失效，磨損失效 按電測(cè)結(jié)果分：開路，短路或漏電，參數(shù)漂移，功能失效 按失效原因分：電應(yīng)力（EOS）和靜電放電（ESD）導(dǎo)致的 失效，制造工藝不良導(dǎo)致的失效 失效模式及分布 集成電路集成電路 分立元件分立元件 電阻器電阻器電容器電容器 失效模式及分布 繼電器繼

3、電器 按插元件按插元件 失效模式及分布 失效機(jī)理 過(guò)應(yīng)力失效 電過(guò)應(yīng)力電源輸出輸入的電源、電壓超過(guò)規(guī)定的最 大額定值。 熱過(guò)應(yīng)力環(huán)境溫度、殼溫、結(jié)溫超過(guò)規(guī)定的最大額 定值。 機(jī)械過(guò)應(yīng)力振動(dòng)、沖擊、離心力或其他力學(xué)量超過(guò) 規(guī)定的最大額定值。 失效機(jī)理 CMOS電路閂鎖失效 條件在使用上（VI；VO）VDD或（VI；VO）VSS； 或電源端到地發(fā)生二次擊穿。 危害一旦導(dǎo)通電源端產(chǎn)生很大電流，破壞性和非破 壞性。 失效特點(diǎn)點(diǎn)現(xiàn)象，內(nèi)部失效判別。 。 ESD失效機(jī)理 靜電放電給電子元器件帶來(lái)?yè)p傷，引起的產(chǎn)品失效。 失效機(jī)理 o過(guò)電壓場(chǎng)致失效放電回路阻抗較 高，元器件因接受高電荷而產(chǎn)生高電壓 導(dǎo)致電場(chǎng)損

4、傷，多發(fā)生于電容器件。 o過(guò)電流熱致失效放電回路阻抗較 低，元器件因放電期間產(chǎn)生強(qiáng)電流脈沖 導(dǎo)致高溫?fù)p傷，多發(fā)生于雙極器件。 失效機(jī)理 金屬腐蝕失效 當(dāng)金屬與周圍介質(zhì)接觸時(shí)， 由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué) 作用而引起金屬腐蝕。 電子元器件中，外引線及封 裝殼內(nèi)的金屬因腐蝕而引起 電性能惡化直至失效。 腐蝕產(chǎn)物形貌觀察和成分測(cè) 定對(duì)失效分析很有幫助。 失效機(jī)理 銀離子遷移 銀離子遷移是一種電化學(xué)現(xiàn)象，在具備水份和電場(chǎng)的 條件時(shí)發(fā)生。 失效機(jī)理 金鋁化合物失效 金和鋁鍵合，在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和使用后，金鋁之間生成AuAl2，AuAl，Au2Al， Au5Al2，Au4Al等金屬間化合物（IMC） 這些IMC的

5、物理性質(zhì)不同，電導(dǎo)率較低。 AuAl2呈紫色，俗稱紫斑； Au5Al2，Au4Al呈淺金黃色，俗稱黃斑；Au2Al呈白色俗稱白斑。 鍵合點(diǎn)生成金鋁化合物后，鍵合強(qiáng)度降低、變脆開裂、接觸電阻增大， 器件出現(xiàn)性能退化或引線從鍵合界面處脫落導(dǎo)致開路。 IMC IMC 失效機(jī)理 柯肯德爾效應(yīng) 金鋁鍵合系統(tǒng)中，若采用Au絲熱壓焊工藝， 由于高溫，金向鋁中迅速擴(kuò)散，在金層一 側(cè)留下部分原子空隙，這些原子空隙自發(fā) 聚積，在金屬間化合物與金屬交界面上形 成了空洞，這稱為柯肯德爾效應(yīng)。 當(dāng)柯氏效應(yīng)（空洞）增大到一定程度后， 將使鍵合界面強(qiáng)度急劇下降，接觸電阻增 大，最終導(dǎo)致開路失效。 失效機(jī)理 金屬化電遷移 在

6、外電場(chǎng)作用下，導(dǎo)電電子和金屬離子間 相互碰撞發(fā)生動(dòng)量交換而使金屬離子受到 與電子流方向一致的作用力，金屬離子由 負(fù)極向正極移動(dòng)，這種作用力稱為“電子 風(fēng)”。 對(duì)鋁，金等金屬膜，電場(chǎng)力很小，金屬離 子主要受電子風(fēng)的影響，使金屬離子朝正 極移動(dòng)，在正極端形成金屬離子的堆積， 形成小丘，而在負(fù)極端生產(chǎn)空洞，使金屬 條斷開。 失效機(jī)理 “爆米花效應(yīng)”（分層效應(yīng)） “爆米花效應(yīng)”是指塑封器件塑封材料內(nèi)的水份在高溫 下受熱發(fā)生膨脹，使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分 層，拉斷鍵合絲，發(fā)生開路失效或間歇失效。 失效分析基本程序 失效分析基本程序 3. 失效分析程序 樣品基本信息調(diào)查 失效現(xiàn)場(chǎng)信息調(diào)查 外觀檢查

7、 失效模式確認(rèn) 方案設(shè)計(jì) 非破壞性分析 破壞性分析 綜合分析 報(bào)告編寫 失效分析基本程序 非破壞性分析的基本路徑 外觀檢查 模式確認(rèn)（測(cè)試和試驗(yàn)，對(duì)比分析） 檢漏 可動(dòng)微粒檢測(cè) X光照相 聲學(xué)掃描 模擬試驗(yàn) 失效分析基本程序 半破壞性分析的基本路徑 可動(dòng)微粒收集 內(nèi)部氣氛檢測(cè) 開封檢查 不加電的內(nèi)部檢查（光學(xué)，SEM，微區(qū)分析） 加電的內(nèi)部檢查（微探針，熱像，光發(fā)射，電壓襯度像， 束感生電流像，電子束探針） 多余物，污染物成分分析。 失效分析基本程序 破壞性分析的基本路徑 加電的內(nèi)部檢查（去除鈍化層，微探針，聚焦離子束，電 子束探針） 剖切面分析（光學(xué)，SEM，TEM） 進(jìn)一步的多余物，污染物

8、成分分析。 失效分析技術(shù)與設(shè)備 失效分析技術(shù)與設(shè)備 技術(shù)技術(shù)探測(cè)源探測(cè)源探測(cè)物理量探測(cè)物理量用途用途 電參數(shù)測(cè)試分析電信號(hào) 確定失效模式和失效管腳定位 掃描聲學(xué)顯微分析 （SAM） 超聲波超聲波 測(cè)量超聲波傳播，分析材料彈性特 征，晶體缺陷和多層結(jié)構(gòu)分析，結(jié) 構(gòu)截面的非破壞性分析 X-射線透視儀X射線X射線強(qiáng)度 檢測(cè)電子元器件及多層PCB板的內(nèi) 部結(jié)構(gòu) X射線光電子能譜 （XPS） 特征X射線光電子 通過(guò)測(cè)量光電子能量確定殼層能級(jí)， 利用化學(xué)位移測(cè)量化學(xué)鍵和化合物， 元素確定，化學(xué)位移 顯微紅外吸收光譜 （FTIR） 紅外線紅外吸收光譜 識(shí)別分子官能團(tuán)，有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析 二次離子質(zhì)譜 （SIMS

9、） 離子二次離子 元素確定，表面元素分布 失效分析技術(shù)與設(shè)備 技術(shù)技術(shù)探測(cè)源探測(cè)源探測(cè)物理量探測(cè)物理量用途用途 光學(xué)顯微鏡可見光反射光 表面形貌，尺寸測(cè)量，缺陷觀察 掃描電子顯微分析 （SEM） 電子二次電子，背 散射電子 表面形貌，晶體缺陷，電位分布， 電壓襯度像，電壓頻閃圖， X射線能譜分析 （EDS） 電子特征X射線 元素分析及元素分布 俄歇電子能譜 （AES） 電子俄歇電子 表面元素確定和元素深度分布 聚焦離子束（FIB） 離子二次離子截面加工和觀察 透射電子顯微技術(shù) （TEM） 電子電子 截面形貌觀察，晶格結(jié)構(gòu)分析 失效分析技術(shù)與設(shè)備 制樣技術(shù)制樣技術(shù) 機(jī)械加工工具 研磨、拋光 化學(xué)

10、腐蝕 有機(jī)溶解 反應(yīng)離子刻蝕 聚焦離子束（FIB） FIB 失效分析技術(shù)與設(shè)備 形貌觀察技術(shù)形貌觀察技術(shù) 目檢 光學(xué)顯微鏡（立體顯微鏡、金相顯微鏡） SEM掃描電子顯微鏡 TEM投射電子顯微鏡 AFM原子力顯微鏡 X-RAY透視 SAM掃描聲學(xué)顯微鏡 失效分析技術(shù)與設(shè)備 結(jié)構(gòu) 主架 載物臺(tái) 照明系統(tǒng) 目鏡系統(tǒng) 物鏡系統(tǒng) 拍照系統(tǒng) 光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡 失效分析技術(shù)與設(shè)備 SEM-EDS 失效分析技術(shù)與設(shè)備 Topography of Carbon Particle Sample (BFI) TEM 失效分析技術(shù)與設(shè)備 AFM 失效分析技術(shù)與設(shè)備 結(jié)構(gòu) X射線源 屏蔽箱 樣品臺(tái) X射線接收成像

11、系統(tǒng) X-Ray透視系統(tǒng)透視系統(tǒng) 失效分析技術(shù)與設(shè)備 結(jié)構(gòu) 換能器及支架 脈沖收發(fā)器 示波器 樣品臺(tái)（水槽） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 顯示器 SAM 失效分析技術(shù)與設(shè)備 成分分析技術(shù)成分分析技術(shù) EDSX射線能量色散譜 AES俄歇電子能譜 SIMS二次離子質(zhì)譜 XPSX光電子能譜 FTIR紅外光譜 GCMS氣質(zhì)聯(lián)用 IC離子色譜 內(nèi)腔體氣氛檢測(cè)分析 失效分析技術(shù)與設(shè)備 0700333.spe: d,2574SAE Magnetic 03 Jul 30 10.0 keV 0 FRR1.3480e+004 max2.75 min Sur1/Full/1 (S15D5) 500100015002000 -3

12、.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 x 10 4 0700333.spe Kinetic Energy (eV) c/s C O Ti Atomic % C1 52.9 Ti1 35.9 O1 11.2 d AES 失效分析技術(shù)與設(shè)備 CF3 CF3 CF3 F O O O O O P PP N N N F3C CF3 TOF-SIMS 失效分析技術(shù)與設(shè)備 XPS 用途：主要用于固體樣品表面的 組成、化學(xué)狀態(tài)分析。能進(jìn)行定 性、半定量及價(jià)態(tài)分析。 XPS 失效分析技術(shù)與設(shè)備 FT-5268-05 . Contamination from machine

13、 719.10 1040.78 1071.69 1117.07 1269.20 1376.06 1397.54 1459.54 1507.72 1537.42 1731.08 2851.41 2918.42 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 %Transmittance 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 W avenumbers (cm-1) Condensed smear from compressed air FTIR 失效分析技術(shù)與設(shè)備 內(nèi)部無(wú)損分析技術(shù)內(nèi)部無(wú)損分析技術(shù) X-Ray透視觀察 SAM掃描聲學(xué)顯微鏡 P

14、IND內(nèi)部粒子噪聲分析 氣密性分析 失效分析技術(shù)與設(shè)備 故障定位技術(shù)故障定位技術(shù) 電參數(shù)檢測(cè)分析定位（探針檢測(cè)） 形貌觀察定位 液晶敏感定位 紅外熱成像定位 光輻射顯微定位 失效分析技術(shù)與設(shè)備 目的：確認(rèn)失效模式和失效管腳定位， 識(shí)別部分失效機(jī)理。 方法：與同批次好品同時(shí)進(jìn)行功能測(cè) 試和管腳直流特性（I-V特性）測(cè)試， 對(duì)照良好樣品、產(chǎn)品規(guī)范，解釋差異。 結(jié)果：可識(shí)別參數(shù)漂移、參數(shù)不合格、 開路、短路與失效現(xiàn)場(chǎng)不一致等失效 模式和機(jī)理。 良好樣品的I-V特性曲線 失效樣品的I-V特性曲線 電參數(shù)檢測(cè)分析電參數(shù)檢測(cè)分析 紅外熱像技術(shù)紅外熱像技術(shù) 改進(jìn)前的混合電路熱分布圖改進(jìn)前的混合電路熱分布圖改

15、進(jìn)后的混合電路熱分布圖改進(jìn)后的混合電路熱分布圖 失效分析技術(shù)與設(shè)備 失效分析技術(shù)與設(shè)備 應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析 環(huán)境應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析 電應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析 機(jī)械應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析 失效案例分析 失效案例分析 LEACHLEACH繼電器失效分析全過(guò)程繼電器失效分析全過(guò)程 應(yīng)了解的信息（相關(guān)知識(shí)、失效樣品信息、失效相關(guān)信息） 失效模式確認(rèn) 制定分析方案（動(dòng)態(tài)） 證據(jù)提取、分析推進(jìn) 綜合分析和結(jié)論 編寫報(bào)告 失效案例分析 了解繼電器相關(guān)知識(shí) 種類：電磁繼電器、固體繼電器 結(jié)構(gòu)：電磁系統(tǒng)、觸點(diǎn)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 電磁繼電器的工作原理： 電驅(qū)動(dòng)線圈 產(chǎn)生磁力 機(jī)械力 帶動(dòng)觸點(diǎn) 完 成電連接 簧片或彈簧力 斷開觸點(diǎn) 完

16、成電切斷 失效案例分析 繼電器主要失效模式和失效機(jī)理 失效模式接觸失效線圈失效絕緣失效密封失效 表現(xiàn)形式 接觸電阻增大或時(shí)斷時(shí)通、 觸點(diǎn)粘結(jié)、觸點(diǎn)斷開故障、 吸合/釋放電壓漂移。 線圈電阻超差、 線圈開路、 線圈短路。 絕緣電阻變 小、介質(zhì)耐 壓降低。 外殼損壞 失效機(jī)理 觸點(diǎn)表面電化學(xué)腐蝕；觸點(diǎn)表 面高溫氧化；燃弧破壞觸 點(diǎn)表面，粘連，產(chǎn)生碳膜；觸 點(diǎn)表面金屬電遷移；內(nèi)部多余 物殘留；內(nèi)部有機(jī)材料退化產(chǎn) 生多余物；觸點(diǎn)動(dòng)作撞擊；諧 振；外部強(qiáng)電磁場(chǎng)等。 漆膜材料缺陷； 漆膜電壓擊穿、 漏電；漆膜溫度、 紫外光、輻射退 化；漆包線機(jī)械 損傷。 絕緣材料退 化 密封漏氣 失效案例分析 了解失效樣

17、品產(chǎn)品信 息 氣密封裝 工作電壓DC48V 觸點(diǎn)電壓125V 觸點(diǎn)電流5A 觸點(diǎn)電阻955 了解現(xiàn)場(chǎng)失效信息 使用場(chǎng)合：空調(diào)環(huán)境（27C） 失效現(xiàn)象：殼溫高 使用時(shí)間：一年多 失效率：12.5% 失效案例分析 確定失效模式 線圈溫度異常 線圈電阻異常（嚴(yán)重減?。?漆包線漆膜破裂，銅芯絲裸露 漆包線短路漏電 結(jié)論：線圈失效 失效案例分析 失效原因分析 FTIR分析結(jié)果 失效案例分析 差熱分析結(jié)果 失效案例分析 氣相色譜質(zhì)譜分析結(jié)果 良品漆包線未變黑失 效樣品漆 包線 變黑失效樣品漆包線 脫氣量（g/g）2.17922.71515.322 脫付的有機(jī)成 份 有機(jī)溶劑 （苯酚、呋 喃等） 有機(jī)溶劑 （苯酚、 呋喃等）