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)第第 2 頁頁內(nèi)容o 失效分析概論o 主要失效模式及機理o 失效分析基本程序o 失效分析技術(shù)與設(shè)備o 失效案例分析第第 3 頁頁失效分析概論第第 4 頁頁失效分析概論1. 基本概念o 失效產(chǎn)品喪失功能或降低到不能滿足規(guī)定的要求。o 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。o 失效機理導(dǎo)致失效的物理化學(xué)變化過程，和對這一過程的解釋。o 應(yīng)力驅(qū)動產(chǎn)品完成功能所需的動力和產(chǎn)品經(jīng)歷的環(huán)境條件，是產(chǎn)品退化的誘因。第第 5 頁頁失效分析概論2. 失效分析的定義和作用o 失效分析是對已失效器件進行的一種事后檢查。使用電測試以及先進的物理、金相和化學(xué)的分析技術(shù)

2、，驗證所報告的失效，確定試銷模式，找出失效機理。o 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、試驗或應(yīng)用方面采取糾正措施，以消除失效模式或機理產(chǎn)生的原因，或防止其再次出現(xiàn)。第第 6 頁頁主要失效模式及機理第第 7 頁頁失效模式失效模式就是失效的外在表現(xiàn)形式。o 按持續(xù)性分類：致命性失效，間歇失效，緩慢退化o 按失效時間分：早期失效，隨機失效，磨損失效o 按電測結(jié)果分：開路，短路或漏電，參數(shù)漂移，功能失效o 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)致的失效第第 8 頁頁失效模式及分布集成電路集成電路分立元件分立元件第第 9

3、 頁頁電阻器電阻器電容器電容器失效模式及分布第第 10 頁頁繼電器繼電器按插元件按插元件失效模式及分布第第 11 頁頁失效機理1. 過應(yīng)力失效o電過應(yīng)力電源輸出輸入的電源、電壓超過規(guī)定的最大額定值。o熱過應(yīng)力環(huán)境溫度、殼溫、結(jié)溫超過規(guī)定的最大額定值。o機械過應(yīng)力振動、沖擊、離心力或其他力學(xué)量超過規(guī)定的最大額定值。第第 12 頁頁失效機理2. CMOS電路閂鎖失效o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。o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。o失效特點點現(xiàn)象，內(nèi)部失效判別。o測試標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD78 IC Latch-Up Test。第

4、第 13 頁頁3. ESD失效機理靜電放電給電子元器件帶來損傷，引起的產(chǎn)品失效。失效機理o過電壓場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)致電場損傷，多發(fā)生于電容器件。o過電流熱致失效放電回路阻抗較低，元器件因放電期間產(chǎn)生強電流脈沖導(dǎo)致高溫損傷，多發(fā)生于雙極器件。第第 14 頁頁4. 金屬腐蝕失效o當(dāng)金屬與周圍介質(zhì)接觸時，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。o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。o腐蝕產(chǎn)物形貌觀察和成分測定對失效分析很有幫助。失效機理第第 15 頁頁失效機理5. 銀離子遷移o銀離子遷移是一種電化學(xué)現(xiàn)象，在具備水份和電場的條

5、件時發(fā)生。第第 16 頁頁失效機理6. 金鋁化合物失效o金和鋁鍵合，在長期儲存和使用后，金鋁之間生成AuAl2，AuAl，Au2Al，Au5Al2，Au4Al等金屬間化合物（IMC）o這些IMC的物理性質(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。o鍵合點生成金鋁化合物后，鍵合強度降低、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。IMCIMC第第 17 頁頁失效機理7. 柯肯德爾效應(yīng)o金鋁鍵合系統(tǒng)中，若采用Au絲熱壓焊工藝，由于高溫，金向鋁中迅速擴散，在金層一側(cè)留下部分原子空隙，這些原子空

6、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)。o當(dāng)柯氏效應(yīng)（空洞）增大到一定程度后，將使鍵合界面強度急劇下降，接觸電阻增大，最終導(dǎo)致開路失效。第第 18 頁頁失效機理8. 金屬化電遷移o在外電場作用下，導(dǎo)電電子和金屬離子間相互碰撞發(fā)生動量交換而使金屬離子受到與電子流方向一致的作用力，金屬離子由負極向正極移動，這種作用力稱為“電子風(fēng)”。o對鋁，金等金屬膜，電場力很小，金屬離子主要受電子風(fēng)的影響，使金屬離子朝正極移動，在正極端形成金屬離子的堆積，形成小丘，而在負極端生產(chǎn)空洞，使金屬條斷開。第第 19 頁頁9. “爆米花效應(yīng)”（分層效應(yīng)）o“爆米花效應(yīng)”是指塑封器件塑封材料

7、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。失效機理第第 20 頁頁失效分析基本程序第第 21 頁頁3. 失效分析程序失效分析基本程序樣品基本信息調(diào)查失效現(xiàn)場信息調(diào)查外觀檢查失效模式確認方案設(shè)計非破壞性分析破壞性分析綜合分析報告編寫第第 22 頁頁非破壞性分析的基本路徑o 外觀檢查o 模式確認（測試和試驗，對比分析）o 檢漏o 可動微粒檢測o X光照相o 聲學(xué)掃描o 模擬試驗失效分析基本程序第第 23 頁頁半破壞性分析的基本路徑o 可動微粒收集o 內(nèi)部氣氛檢測o 開封檢查o 不加電的內(nèi)部檢查（光學(xué)，SEM，微區(qū)分析）o 加電的內(nèi)部檢查（

8、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）o 多余物，污染物成分分析。失效分析基本程序第第 24 頁頁破壞性分析的基本路徑o 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）o 剖切面分析（光學(xué)，SEM，TEM）o 進一步的多余物，污染物成分分析。失效分析基本程序第第 25 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備第第 26 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備技術(shù)技術(shù)探測源探測源探測物理量探測物理量用途用途電參數(shù)測試分析電信號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

9、強度檢測電子元器件及多層PCB板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)X射線光電子能譜（XPS）特征X射線光電子通過測量光電子能量確定殼層能級，利用化學(xué)位移測量化學(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別分子官能團，有機物結(jié)構(gòu)分析二次離子質(zhì)譜（SIMS）離子二次離子元素確定，表面元素分布第第 27 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備技術(shù)技術(shù)探測源探測源探測物理量探測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

10、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)分析第第 28 頁頁制樣技術(shù)制樣技術(shù)o 機械加工工具o 研磨、拋光o 化學(xué)腐蝕o 有機溶解o 反應(yīng)離子刻蝕o 聚焦離子束（FIB）失效分析技術(shù)與設(shè)備FIB第第 29 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備形貌觀察技術(shù)形貌觀察技術(shù)o 目檢o 光學(xué)顯微鏡（立體顯微鏡、金相顯微鏡）o SEM掃描電子顯微鏡o TEM投射電子顯微鏡o AFM原子力顯微鏡o X-RAY透視o SAM掃描聲學(xué)顯微鏡第第 30 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備結(jié)構(gòu)o 主架o 載物臺o 照明系統(tǒng)o

11、目鏡系統(tǒng)o 物鏡系統(tǒng)o 拍照系統(tǒng)光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡第第 31 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備SEM-EDS第第 32 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備Topography of Carbon Particle Sample (BFI)TEM第第 33 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備AFM第第 34 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備X-Ray透視系統(tǒng)透視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)o X射線源o 屏蔽箱o 樣品臺o X射線接收成像系統(tǒng)第第 35 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備SAM結(jié)構(gòu)o換能器及支架o脈沖收發(fā)器o示波器o樣品臺（水槽）o計算機控制系統(tǒng)o顯示器第第 36 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備成分分析技術(shù)成分分析技術(shù)o EDSX射線能量色散譜o AES俄歇電

12、子能譜o SIMS二次離子質(zhì)譜o XPSX光電子能譜o FTIR紅外光譜o GCMS氣質(zhì)聯(lián)用o IC離子色譜o 內(nèi)腔體氣氛檢測分析第第 37 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備0700333.spe: d,2574SAE Magnetic03 Jul 30 10.0 keV 0 FRR1.3480e+004 max2.75 minSur1/Full/1 (S15D5)500100015002000-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5x 1040700333.speKinetic Energy (eV)c/s C O TiAtomic %C1 52.9Ti1 35.9O1 11.2d

13、AES第第 38 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備CF3CF3CF3FOOOOOPPPNNNF3CCF3TOF-SIMS第第 39 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備XPSo用途：主要用于固體樣品表面的組成、化學(xué)狀態(tài)分析。能進行定性、半定量及價態(tài)分析。XPS第第 40 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備FT-5268-05 . Contamination from machine719.101040.781071.691117.071269.201376.061397.541459.541507.721537.421731.082851.412918.42 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110

14、%Transmittance 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 W avenumbers (cm-1)Condensed smear from compressed airFTIR第第 41 頁頁內(nèi)部無損分析技術(shù)內(nèi)部無損分析技術(shù)oX-Ray透視觀察oSAM掃描聲學(xué)顯微鏡oPIND內(nèi)部粒子噪聲分析o氣密性分析失效分析技術(shù)與設(shè)備第第 42 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備故障定位技術(shù)故障定位技術(shù)o 電參數(shù)檢測分析定位（探針檢測）o 形貌觀察定位o 液晶敏感定位o 紅外熱成像定位o 光輻射顯微定位第第 43 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備o目的：確認失效模式和失效管腳定位，識別部分

15、失效機理。o方法：與同批次好品同時進行功能測試和管腳直流特性（I-V特性）測試，對照良好樣品、產(chǎn)品規(guī)范，解釋差異。o結(jié)果：可識別參數(shù)漂移、參數(shù)不合格、開路、短路與失效現(xiàn)場不一致等失效模式和機理。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)檢測分析電參數(shù)檢測分析第第 44 頁頁紅外熱像技術(shù)紅外熱像技術(shù)改進前的混合電路熱分布圖改進前的混合電路熱分布圖改進后的混合電路熱分布圖改進后的混合電路熱分布圖失效分析技術(shù)與設(shè)備第第 45 頁頁失效分析技術(shù)與設(shè)備應(yīng)力實驗分析應(yīng)力實驗分析o 環(huán)境應(yīng)力實驗分析o 電應(yīng)力實驗分析o 機械應(yīng)力實驗分析第第 46 頁頁失效案例分析第第 47 頁頁失效案例分析LE

16、ACH繼電器失效分析全過程繼電器失效分析全過程o 應(yīng)了解的信息（相關(guān)知識、失效樣品信息、失效相關(guān)信息）o 失效模式確認o 制定分析方案（動態(tài)）o 證據(jù)提取、分析推進o 綜合分析和結(jié)論o 編寫報告第第 48 頁頁失效案例分析1.了解繼電器相關(guān)知識o種類：電磁繼電器、固體繼電器o結(jié)構(gòu)：電磁系統(tǒng)、觸點系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)o電磁繼電器的工作原理：1)電驅(qū)動線圈 產(chǎn)生磁力 機械力 帶動觸點 完成電連接2)簧片或彈簧力 斷開觸點 完成電切斷第第 49 頁頁失效案例分析o 繼電器主要失效模式和失效機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斷時通、觸點粘結(jié)、觸點斷開故障、吸合/釋放電壓

17、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。外殼損壞失效機理觸點表面電化學(xué)腐蝕；觸點表面高溫氧化；燃弧破壞觸點表面，粘連，產(chǎn)生碳膜；觸點表面金屬電遷移；內(nèi)部多余物殘留；內(nèi)部有機材料退化產(chǎn)生多余物；觸點動作撞擊；諧振；外部強電磁場等。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；漆包線機械損傷。絕緣材料退化密封漏氣第第 50 頁頁失效案例分析2. 了解失效樣品產(chǎn)品信息o氣密封裝o工作電壓DC48Vo觸點電壓125Vo觸點電流5Ao觸點電阻955 3. 了解現(xiàn)場失效信息o使用場合：空調(diào)環(huán)境（27C）o失效現(xiàn)象：殼溫高o使用時間：一年多o失效率：12.5%第第 51 頁頁4. 確定失效模式o線圈溫度異常o線圈電阻異常（嚴重減小）o漆包線漆膜破裂，銅芯絲裸露o漆包線短路漏電o結(jié)論：線圈失效失效案例分析第第 52 頁頁失效案例分析5. 失效原因分析FTIR分析結(jié)果第第 53 頁頁失效案例分析差熱分析結(jié)果第第 54 頁頁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脫付的有機成份有機溶劑（苯酚、呋喃等）有機溶劑（苯酚、呋喃等）鄰