电子元器件失效性分析.doc

电子元器件失效分析技术第一讲 失效物理的概念l失效定义失效的概念1 特性剧烈或缓慢变化2 不能正常工作l失效种类1 致命性失效：如过电应力损伤2 缓慢退化：如MESFET的IDSS下降3 间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效失效物理的概念l 定义：研究电子元器件失效机理的学科l 失效物理与器件物理的区别l 失效物理的用途失效物理的定义l 定义：研究电子元器件失效机理的学科l 失效机理：失效的物理化学根源l 举例：金属电迁移 金属电迁移l失效模式：金属互连线电阻值增大或开路l失效机理：电子风效应l产生条件：电流密度大于10E5A/cm2高温l纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺失效物理与器件物理的区别l 撤销应力后电特性的可恢复性l 时间性失效物理的用途1 失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现2 可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性可靠性评价的主要内容l 产品抗各种应力的能力l 产品平均寿命失效物理模型l应力强度模型失效原因：应力强度强度随时间缓慢减小如:过电应力（EOS）、静电放电（静电放电ESD）、闩锁（latch up)l应力时间模型（反应论模型）失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳应力强度模型的应用l 器件抗静电放电（ESD）能力的测试温度应力时间模型EdMdt=AekTT高，反应速率大，寿命短E大，反应速率小，寿命长温度应力的时间累积效应MtM0=AeEkT(tt0)失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差与力学公式类比dMdt=AeEkTdvdt=FmMtM0=AeEkT(tt0)mvtmv0=F (tt0)失效物理模型小结l 应力强度模型与断裂力学模型相似，不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效和致命性失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显l 应力时间模型（反应论模型）与牛顿力学模型相似，考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显应力时间模型的应用：预计元器件平均寿命l 1求激活能 ELn L2Llnln=LL1A=exp(B+B+EkTEkTEkT)1Ln L1BlnL2=B+EkT21/T11/T2预计平均寿命的方法l 2 求加速系数FE=exp(LAEexp()L2A2kT=)kT2ELA exp()1EkT1L=A exp(L)1F=2= exp(E(11)kTL11kTT21F=L2L1=exp(Ek(1T21)T1设定高温为T1,低温为T2,可求出F预计平均寿命的方法l 由高温寿命L1推算常温寿命L2l F=L2/L1l 对指数分布l L1=MTTF=1/l 失效率失效率试验时间内失效的元件 数初始时间未失效元件数试验时间温度应力时间模型的简化：十度法则l 内容：从室温算起，温度每升高10度，寿命减半。l 应用举例：推算铝电解电容寿命105C，寿命寿1000h（标称值）55C, 寿命1000X2E5=32000h35C，寿命1000X2E7=128000h=128000/365/24=14.81年小结失效物理的定义：研究电子元器件失效机理的学科失效物理的用途：1 失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现2 可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性第二讲 阻容元件失效机理电容器的失效机理l 电解电容l 钽电容l 陶瓷电容l 薄膜电容电解电容的概况l 重要性：多用于电源滤波，一旦短路，后果严重l 优点：电容量大，价格低l 缺点：寿命短，漏电流大，易燃l 延长寿命的方法：降温使用，选用标称温度高的产品电解电容的标称温度与寿命的关系标称温度（）85 105 125标称温度寿命（h) 1000 1000 1000工作温度（）35 35 35工作温度寿命(h) 1000X2E5 1000X2E7 1000X2E932000 128000 9120003.65 年14.6 年59.26年电解电容的失效机理和改进措施l 漏液：电容减小阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。l 短路放电：大电流烧坏电极l 电源反接：大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜增厚，电容量下降l 长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。PDF created with pdfFactory Pro trial version 电解电容的阳极修复功能AlOHPDF created with pdfFactory Pro trial version 改进措施降温使用，不做短路放电，电源不反接，经常通电PDF created with pdfFactory Pro trial version l 过流烧毁l 正负极反接固体钽电容PDF created with pdfFactory Pro trial version 陶瓷电容电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增大PDF created with pdfFactory Pro trial version 陶瓷电容l 银迁移引起边缘漏电和介质内部漏电PDF created with pdfFactory Pro trial version 第三讲 微电子器件失效机理PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效模式的概念和种类l 失效的表现形式叫失效模式l 按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效机理的概念l 失效的物理化学根源叫失效机理。例如l 开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMCMOS电路的闩锁效应l 漏电和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效机理的概念（续）l 参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效机理的内容l 失效模式与材料、设计、工艺的关系l 失效模式与环境应力的关系环境应力包括：过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力l 失效模式与时间的关系PDF created with pdfFactory Pro trial version 水汽对电子元器件的影响l 电参数漂移l 外引线腐蚀l 金属化腐蚀l 金属半导体接触退化PDF created with pdfFactory Pro trial version 辐射对电子元器件的影响l 参数漂移、软失效l 例：n沟道MOS器件阈值电压减小PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效应力与失效模式的相关性l 过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁l 静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁l 热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电l 热电：金属电迁移、欧姆接触退化l 高低温：芯片断裂、芯片粘接失效l 低温：芯片断裂PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效发生期与失效机理的关系l 早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分l 随机失效：静电损伤、过电损伤l 磨损失效：元器件老化l 随机失效有突发性和明显性l 早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性PDF created with pdfFactory Pro trial version 第四讲失效分析技术PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析的作用l 确定引起失效的责任方（用应力强度模型说明）l 确定失效原因l 为实施整改措施提供确凿的证据PDF created with pdfFactory Pro trial version 举例说明：失效分析的概念和作用l 某EPROM 使用后无读写功能l 失效模式：电源对地的待机电流下降l 失效部位：部分电源内引线熔断l 失效机理：闩锁效应l 确定失效责任方：模拟试验l 改进措施建议：改善供电电网，加保护电路PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析的受益者l元器件厂：获得改进产品设计和工艺的依据l整机厂：获得索赔、改变元器件供货商、改进电路设计、改进电路板制造工艺、提高测试技术、设计保护电路的依据l整机用户：获得改进操作环境和操作规程的依据l提高产品成品率和可靠性，树立企业形象，提高产品竞争力PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析技术的延伸l 进货分析的作用：选择优质的供货渠道，防止假冒伪劣元器件进入整机生产线l 良品分析的作用：学习先进技术的捷径l 破坏性物理分析（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收集失效现场数据l电测并确定失效模式l非破坏检查l打开封装l镜检l通电并进行失效定位l对失效部位进行物理化学分析，确定失效机理l综合分析，确定失效原因，提出纠正措施PDF created with pdfFactory Pro trial version 收集失效现场数据l 作用：根据失效现场数据估计失效原因和失效责任方根据失效环境：潮湿、辐射根据失效应力：过电、静电、高温、低温、高低温根据失效发生期:早期、随机、磨损l 失效现场数据的内容PDF created with pdfFactory Pro trial version 水汽对电子元器件的影响l 电参数漂移l 外引线腐蚀l 金属化腐蚀l 金属半导体接触退化PDF created with pdfFactory Pro trial version 辐射对电子元器件的影响l 参数漂移、软失效l 例：n沟道MOS器件阈值电压减小PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效应力与失效模式的相关性l 过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁l 静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁l 热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电l 热电：金属电迁移、欧姆接触退化l 高低温：芯片断裂、芯片粘接失效l 低温：芯片断裂PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效发生期与失效机理的关系l 早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分l 随机失效：静电损伤、过电损伤l 磨损失效：元器件老化l 随机失效有突发性和明显性l 早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效发生期与失效率失效率试验时间内失效的元件 数试验初始的元件数试验时间失效率早期随机磨损时间PDF created with pdfFactory Pro trial version 以失效分析为目的的电测技术l 电测在失效分析中的作用重现失效现象，确定失效模式，缩小故障隔离区，确定失效定位的激励条件，为进行信号寻迹法失效定位创造条件l 电测的种类和相关性连接性失效、电参数失效和功能失效PDF created with pdfFactory Pro trial version 电子元器件失效分析的简单实用测试技术（一）l连接性测试：万用表测量各管脚对地端/电源端/另一管脚的电阻，可发现开路、短路和特性退化的管脚。电阻显著增大或减小说明有金属化开路或漏电部位。l待机(stand by)电流测试:所有输入端接地（或电源），所有输出端开路，测电源端对地端的电流。待机(stand by)电流显著增大说明有漏电失效部位。待机(stand by)电流显著减小说明有开路失效部位。PDF created with pdfFactory Pro trial version 电子元器件失效分析的简单实用测试技术（二）l 各端口对地端/电源端的漏电流测试（或IV测试）,可确定失效管脚。l 特性异常与否用好坏特性比较法确定。PDF created with pdfFactory Pro trial version 由反向反IV特性确定失效机理4. 50 E- 0 24. 00 E- 0 23. 50 E- 0 2烧断电源端1对地烧断电源端2对地烧断电源端3对地未烧断电源端对地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反向电压（V）1 01214PDF created with pdfFactory Pro trial version 电 流 （ A ）由反向反IV特性确定失效机理l 直线为电阻特性，pn结穿钉，属严重EOS损伤。l 反向漏电流随电压缓慢增大，pn结受EOS损伤或ESD损伤。l 反向击穿电压下降，pn结受EOS损伤或ESD损伤。PDF created with pdfFactory Pro trial version 由反向IV特性确定失效机理l 反向击穿电压不稳定：芯片断裂、芯片受潮PDF created with pdfFactory Pro trial version 烘焙技术l 1应用范围：漏电流大或不稳定、阻值低或不稳定、器件增益低、继电器接触电阻大l 2用途：确定表面或界面受潮和沾污l 3方法：高温储存、高温反偏PDF created with pdfFactory Pro trial version 清洗技术l 应用范围：离子沾污引起的表面漏电l 用途：定性证明元器件受到表面离子沾污l 方法：无水乙醇清洗去离子水冲洗（可免去）烘干PDF created with pdfFactory Pro trial version 烘焙和清洗技术的应用举例PDF created with pdfFactory Pro trial version 烘焙和清洗技术的应用举例l 双极型器件的反向靠背椅特性是钝化层可动离子沾污的结果，可用高温反偏和高温储存来证实。PDF created with pdfFactory Pro trial version 失效分析的发展方向l 失效定位成为关键技术l 非破坏l 非接触l 高空间分辨率l 高灵敏度PDF created with pdfFactory Pro trial version 无损失效分析技术l 无损分析的重要性 (从质检和失效分析两方面考虑)l 检漏技术l X射线透视技术用途：观察芯片和内引线的完整性l 反射式扫描声学显微技术用途：观察芯片粘接的完整性，微裂纹，界面断层PDF created with pdfFactory Pro trial version 检漏技术l 粗检：负压法、氟碳加压法l 细检：氦质谱检漏法PDF created with pdfFactory Pro trial version 负压法检漏酒精PDF created with pdfFactory Pro trial version 接机械泵焊点染色法PDF created with pdfFactory Pro trial version F113沸点47.6C氟碳加压法FC43 沸点180C加热至125CPDF created with pdfFactory Pro trial version X射线透视与反射式声扫描比较种 类应 用 优 势基 本 原 理X 射 线 透 视 象 观 察 材 料 高 密 度 区 的 完整 性 ， 如 器 件 内 引 线 断裂透 过 材 料 高 密 度 区X 射 线 强 度 衰 减C-SAM 象观 察 材 料 内 部 空 隙 ， 如芯 片 粘 接 不 良 ， 器 件 封装 不 良超 声 波 传 播 遇 空 气隙 受 阻 反 射样品制备技术l 种类：打开封装、去钝化层、去层间介质、抛切面技术、去金属化层l 作用：增强可视性和可测试性l 风险及防范：监控PDF created with pdfFactory Pro trial version 打开塑料封装的技术PDF created with pdfFactory Pro trial version 去钝化层的技术l 湿法：如用HF：H2O1：1溶液去SiO85HPO3溶液，温度160C去 Si3N4l 干法：CF4和O2气体作等离子腐蚀去SiNx和聚酰亚胺l 干湿法对比PDF created with pdfFactory Pro trial version 去层间介质l 作用：多层结构芯片失效分析l 方法：反应离子腐蚀l 特点：材料选择性和方向性l 结果PDF created with pdfFactory Pro trial version l 作用去金属化Al层技术l 配方：30HCl 或 30H2SO4KOH 、NaOH溶液l 应用实例PDF created with pdfFactory Pro trial version 形貌象技术l 光学显微术：分辨率3600A，倍数倍1200X景深小，构造简单对多层结构有透明性，可不制样l 扫描电子显微镜：分辨率50A，倍数10万景深大，构造复杂对多层结构无透明性，需制样PDF created with pdfFactory Pro trial version 以测量电流效应为基础的失效定位技术l 红外热象技术l 光发射显微镜用途：热分布图，定热点用途：微漏电点失效定位栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应l 电子束感生电流象 用途：pn结缺陷PDF created