電子器件失效分析及可靠應用課件

1、(最新整理)電子器件失效分析及可靠應用2021/7/261電子器件失效分析及可靠應用硬件內部培訓2021/7/262電子器件失效分析及可靠應用培訓培訓內容1 失效分析基礎2 典型失效模式（重點內容）3 典型失效機理4 器件失效分析流程5 破壞性物理分析（DPA）介紹6 靜電損傷7 CMOS集成電路的閂鎖效應8 如何和器件供應商交流失效分析2021/7/263電子器件失效分析及可靠應用培訓培訓內容9 典型失效分析案例10 各類器件的失效模式、機理和可靠性應用要點（重點內容）2021/7/264電子器件失效分析及可靠應用培訓一 、失效分析基礎開展電子可靠性工程的意義 僅僅依靠個人經(jīng)驗和責任心是無法

2、提高設計水平的，最重要的是缺乏一套完整的系統(tǒng)方法。 電子可靠性工程可以顯著降低器件失效率以及器件失效造成的影響，是提高產(chǎn)品可靠性的重點，也是最容易產(chǎn)生效果的措施，投入一分可以獲得十分的效果2021/7/265電子器件失效分析及可靠應用培訓一 、失效分析基礎電子可靠性工程產(chǎn)生的價值現(xiàn)狀： 國內很多電子企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)一次通過率低于90，市場返修率高于5，這類企業(yè)的質量成本將會達到銷售收入的15應用可靠性工程的價值提升： 據(jù)經(jīng)驗，年產(chǎn)值為1億元，年返修率為5，直接損失500萬元。據(jù)經(jīng)驗，失效率排在前3位的器件一般占該單板總失效率的80以上，找出這三個器件的失效原因，進行改進，則產(chǎn)品返修率可以在很短時

3、間內降低到1，則失效分析改進帶來的直接收益為400萬元2021/7/266電子器件失效分析及可靠應用培訓一 、失效分析基礎電子可靠性工程的主要內容電子可靠性工程選型認證設計應用加工維護失效分析 流程保障2021/7/267電子器件失效分析及可靠應用培訓一 、失效分析基礎通過選型認證產(chǎn)品物料的基本可靠性 物料選型與認證是一項產(chǎn)品工程，是硬件開發(fā)活動的重要組成部分。 選型認證包括的內容有： （1）確定物料的規(guī)格 （2）識別不同廠家的物料優(yōu)劣 （3）對物料廠家進行認證 （4）監(jiān)控物料廠家的質量波動 企業(yè)需要建立各類器件的認證規(guī)范和選型指導，提升器件選用過程的效率2021/7/268電子器件失效分析及

4、可靠應用培訓一 、失效分析基礎通過合理的設計方法保證應用可靠性 種可靠性設計方法 （1）可靠性預計（2）FMEA（3）可靠性指標論證、分配與冗余設計（4）電應力防護設計（5）ESD防護設計（6）容差分析（7）降額設計（8）升額設計（9）熱分析和設計（10）EMC設計（11）安全設計（12）環(huán)境適應性設計（13）環(huán)境適應性設計（14）壽命與可維護性設計 國內企業(yè)應該研究和追蹤業(yè)界最新的進展，建立自己的設計規(guī)范，幫助電子工程師迅速掌握這些方法并指導實踐。 2021/7/269電子器件失效分析及可靠應用培訓一 、失效分析基礎加工維護過程中不引入對器件的損傷 在生產(chǎn)加工過程中，影響可靠性的最主要的因素

5、是ESD、MSD和焊點可靠性。 ESD控制不好引發(fā)的可靠性問題，往往是在產(chǎn)品到用戶手里半年以上才會大量爆發(fā)。 2021/7/2610電子器件失效分析及可靠應用培訓一 、失效分析基礎通過流程保障保證可靠性 可靠性保障流程主要有三個 1）選用可靠性物料流程 包括物料選型、供應商認證流程、供應商質量控制 2）產(chǎn)品開發(fā)中的可靠性設計流程 3）故障數(shù)據(jù)的分析處理流程 找出異常問題，啟動原因分析，找到解決措施和預防措施，使所有問題都能夠閉環(huán)。2021/7/2611電子器件失效分析及可靠應用培訓二、典型失效機理失效機理的定義 是指由于物理、化學、機械、電、人等原因引起產(chǎn)品失效的機理。失效的類型 （1）設計缺

6、陷（2）內部退化（3）表面退化（4）金屬化退化（5）氧化層退化（6）鍵和缺陷（7）封裝失效（8）應用失效2021/7/2612電子器件失效分析及可靠應用培訓四、失效分析流程失效分析程序 解剖前的過程 解剖 解剖后的分析報告 編寫失效分析報告 逆向分析：即從器件的失效模式和機理中推測器件的主要失效原因 正向分析：即從檢視器件應用是否正確的角度分析。2021/7/2613電子器件失效分析及可靠應用培訓五、破壞性物理分析（DPA）介紹DPA的含義 是判斷電子器件質量好壞的有效方法。該法是在成品元器件中隨機抽取適當樣品進行解剖分析，在物理解剖的各個階段都應進行系統(tǒng)、合理、詳細的檢查和分析。DPA的方法

7、外部目檢 X射線照相 密封 內部水汽分析 基線結構掃描電境等2021/7/2614電子器件失效分析及可靠應用培訓六、靜電損傷器件的ESD失效現(xiàn)象和機理 (1）熱溶化（2）介質擊穿（3）ESD引發(fā)的EOS器件的ESD失效特征（1）隱蔽性：人體感知的靜電放電電壓23KV（2）潛在性：損傷后性能沒有明顯的下降（3）復雜性：分析困難，掩蓋了失效的真正原因（4）隨機性：從一個元件產(chǎn)生以后，一直到它失效以前的所有過程2021/7/2615電子器件失效分析及可靠應用培訓六、靜電損傷器件的ESD失效表象1）10的器件會立即失效 90的器件則是引入潛在性損傷，抗過電應力的能力被減弱，在使用現(xiàn)場容易出現(xiàn)早期失效。

8、2）是一種偶然事件，一般講是與時間無關的，不能通過老化方法加以剔除2021/7/2616電子器件失效分析及可靠應用培訓六、靜電損傷半導體器件ESD失效原因1）半導體器件的靜電放電2）集成電路內部的ESD保護電路。常見的CMOS器件內部電應力保護電路單元有：電阻、二極管、MOS管等。器件內部的電應力保護網(wǎng)絡通常由這幾個保護電路單元的一種或者2021/7/2617電子器件失效分析及可靠應用培訓六、靜電損傷靜電放電損傷的預防措施1）選用ESD等級高的器件2）設計中的靜電防護措施，布局、端口保護網(wǎng)絡3）器件使用中的防靜電措施。例如在生產(chǎn)、測試、試驗、運輸4）人員培訓，加強ESD管理2021/7/261

9、8電子器件失效分析及可靠應用培訓六、靜電損傷ESD防護設計流程ESD防護需求（整機、單板、接口等）器件認證時必須認證ESD等級（2KV)ESD防護設計（電路、工藝、結構等是否滿足要求？ESD測試（整機、單板、接口等）通過NOYES2021/7/2619電子器件失效分析及可靠應用培訓六、靜電損傷ESD測試的國際標準IEC 6100042 是最基本的靜電EMC標準1）被歐盟立法強制要求所有進入歐盟的產(chǎn)品必須符合該標準2）它制定的等級、測試方法和測試程序都比較合理2021/7/2620電子器件失效分析及可靠應用培訓六、靜電損傷系統(tǒng)ESD測試及其標準 大多數(shù)產(chǎn)品和通用標準一般都要求 空氣放電測試達到8

10、KV 接觸放電測試達到4KV一些醫(yī)療設備要求空氣放電8KV和接觸放電6KV2021/7/2621電子器件失效分析及可靠應用培訓六、靜電損傷生產(chǎn)現(xiàn)場ESD控制標準1）器件在生產(chǎn)、測試、試驗、運輸、和使用現(xiàn)場必須采取有效措施以消除靜電的產(chǎn)生和積累2）控制標準按照美國國家標準ANSI/ESD S20.20. Standard for the development of an ESD control program2021/7/2622電子器件失效分析及可靠應用培訓七 、CMOS集成電路的閂鎖效應何謂閂鎖效應 CMOSIC存在一種特殊的（也是主要的）失效機理閂鎖效應。所謂閂鎖（Latchup)是指C

11、MOS電路中固有的寄生可控硅結構被觸發(fā)導通，在電源和地之間形成大電流通路的現(xiàn)象閂鎖的表現(xiàn) 器件燒壞和發(fā)熱嚴重 2021/7/2623電子器件失效分析及可靠應用培訓七 、CMOS集成電路的閂鎖效應閂鎖產(chǎn)生的條件 過壓或過流 很大的di/dt或dv/dt 瞬變電應力，如ESD、浪涌等測試閂鎖的觸發(fā)電流/電壓從 IO管腳：正電流Inorm+100mA or 1.5XInorm 負電流100mA or -0.5XInorm從電源腳:1.5XVmax 2021/7/2624電子器件失效分析及可靠應用培訓八、如何和供應商交流失效分析原則1：提供器件的失效分析是器件供應商的責任原則2：器件供應商的失效分析報

12、告必須符合8D規(guī)則，提供詳細的分析過程、照片、結論和改進措施原則3：器件供應商的失效分析報告必須客觀、公正和清晰原則4：有必要和器件供應上的失效分析人員進行直接的交流2021/7/2625電子器件失效分析及可靠應用培訓九、典型失效分析案例案例1：大電流導致器件金屬溶化 某產(chǎn)品在用戶現(xiàn)場頻頻出現(xiàn)失效，經(jīng)過對返修單板進行分析，發(fā)現(xiàn)大部分返修單板均是某接口器件失效，對器件進行解剖后，發(fā)現(xiàn)由于EOS導致內部鋁線融化，導致器件失效，該EOS能量較大。進一步分析該電路，發(fā)現(xiàn)該電路設計不當，沒有采用保護電路，在用戶現(xiàn)場帶電插拔產(chǎn)生的電浪涌導致該器件失效。 解決方法：在用戶手冊中強調該產(chǎn)品不支持帶電插拔 預防

13、措施：在今后的設計中，考慮用戶的使用習慣，增加防護電路設計，對產(chǎn)品進行熱插拔設計 Checklist: 接口器件優(yōu)選帶熱插拔功能，設計時是否進行防護設計2021/7/2626電子器件失效分析及可靠應用培訓九、典型失效分析案例案例2：金絲疲勞斷裂 現(xiàn)象： 某產(chǎn)品在用戶現(xiàn)場使用半年以后，返修率驚人，達到30，對產(chǎn)品進行分析，對主要失效器件進行失效分析，在掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)金屬絲疲勞斷裂導致器件失效。進一步分析，發(fā)現(xiàn)是該產(chǎn)品的生產(chǎn)加工控制出了問題，導致受潮器件沒有按照規(guī)定時間進行高溫烘烤，在過回流焊時出現(xiàn)“爆米花”效應，導致在用戶現(xiàn)場器件失效。解決措施：對用戶現(xiàn)場的所有問題的批次產(chǎn)品進行招回預防措施：在

14、生產(chǎn)加工過程中嚴格進行MSD的管理和控制Checklist: 不得選用MSL在5級以上的器件2021/7/2627電子器件失效分析及可靠應用培訓九、典型失效分析案例案例3：電遷移導致器件長期可靠性下降 某產(chǎn)品在用戶現(xiàn)場使用3年以后，返修率開始出現(xiàn)明顯異常，進行失效分析發(fā)現(xiàn)，主要是某功率器件內部電遷移引起。該問題屬于器件廠家的設計和制造缺陷解決措施：和廠家聯(lián)系，確定有問題的批次，更換有問題批次的器件預防措施：對器件可靠性認證體系重新進行設計，減少廠家批次性問題的發(fā)生。Checklist:對器件可靠性認證體系重新進行設計，減少廠家批次性問題的發(fā)生2021/7/2628電子器件失效分析及可靠應用培訓

15、十 各類器件的失效模式、機理和可靠性應用要點器件失效的根本原因 器件強度必須超過器件環(huán)境應力，以保證器件正常運行。然而，強度和應力是兩個隨機變量，總是存在一個應力大于強度的較小區(qū)域。在圖中表示為兩個曲線交叉的區(qū)域。交叉區(qū)域越大，器件發(fā)生失效的幾率越大2021/7/2629電子器件失效分析及可靠應用培訓十 各類器件的失效模式、機理和可靠性應用要點器件可靠性應用的基本方法：降額降額（Derating):元件使用中承受的應力低于其額定值，以達到延緩其參數(shù)退化，提高使用可靠性的目的。額定值(Rating)：元器件允許的最大使用應力值，一般器件手冊中都有明確的規(guī)定。應力(Stress):影響元器件失效率

16、的電、熱等負載，典型的過應力有：溫度、浪涌、ESD、噪聲和輻射應力應力比(Stress ration):元器件的工作應力與額定應力之比，應力比又稱做降額因子。 2021/7/2630電子器件失效分析及可靠應用培訓十 各類器件的失效模式、機理和可靠性應用要點降額理論 四個基本的降額方法是：增加平均強度（該方法在尺寸和重量的增加不會引起其它問題的情況下是很有效的）減小平均應力（在不影響器件功能的情況下減小應力不失為一個好的方法）減小應力的方差（變化是很難控制的，但是控制限定外部使用條件則較容易達到）減小強度的方差（對器件工藝的嚴格控制或測試來消除缺陷和容限的差異變動）2021/7/2631電子器件失效分析及可靠應用培訓十 各類器件的失效模式、機理和可靠性應用要點器件失效的主要應力晶體管二極管齊納二極管數(shù)字IC線性IC電阻電容電感繼電器溫度老化壽命輻射機械應力潮濕存儲壽命真空環(huán)境2021/7/2632電子器件失效分析及可靠應用培訓十 各類器件的失效模式、機理和可靠性應用要點器件降額等級 目前有多個降額標準，如美軍標、JPL、RAC、國軍標，