微电子器件可靠性失效分析经典案例

1、微电子器件可靠性微电子器件可靠性 哈尔滨工业大学（威海） 信息科学与电气学院 电子科学与技术专业 Reliability of Microelectronic Devices 失效分析经典案例失效分析经典案例 2 （1 1）失效分析全过程案例 （2 2）静电与闩锁失效分析案例 （3 3）电浪涌失效分析案例 （4 4）机械应力失效分析案例 （5 5）结构缺陷失效分析案例 （6 6）热变应力失效分析案例 （7 7）材料缺陷失效分析案例 （8 8）制造工艺缺陷失效分析案例 （9 9）整机设计缺陷失效分析案例 （1010）污染腐蚀失效分析案例 （1111）元器件固有机理失效分析案例 主要内容主要内容

2、失效分析经典案例失效分析经典案例 3 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 失效分析经典案例失效分析经典案例 分析对象：分析对象： 电磁继电器失效分析电磁继电器失效分析 4 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 失效分析经典案例失效分析经典案例 基本信息基本信息 n种类、结构、电磁、机械传动、 触点、壳体和支撑 n材料：线圈、触点、机械传动 机构、支架、壳体等 n原理：电磁转换、机械传动 n主要电参数：（线圈、触点） 5 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 失效分析经典案例失效分析经典案例 基本信息基本信息 继电器的主要失效模式 6 1.1.失

3、效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 失效分析经典案例失效分析经典案例 基本信息基本信息 继电器的主要失效机理 7 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 失效分析经典案例失效分析经典案例 技术信息（现场失效情况）技术信息（现场失效情况） 样品：LEACHLEACH继电器 使用场合：电力系统 使用数量：200200只 失效数量：1515只 失效现象：线包断、壳温度高 失效时间：系统调试至使用过 程一年多陆续失效。 失效品 良品 8 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 技术信息（现场失效情况）技术信息（现场失效情况） 现场继电器 壳温情况 *空调环境 27左

4、右 *无环境温度 异常记录 9 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 取证初期思路取证初期思路 10 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 取证找热源取证找热源 求证：线包与温升 结论：线包与温升相关 1.失效样品线包电阻严重减小， 电阻越小，壳温越高 2.良品线包电阻950欧左右， 壳温55度左右。 3.失效样品线包电阻、壳温异常 11 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 取证找热源取证找热源 求证：触点与温升 结论：触点与温升无关 12 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 取证分析热的程度取证分析热的程度 求证：线包温度到

5、什么程度表面温度表示 13 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：线包温度到什么程度物理特征怎么样求证：线包温度到什么程度物理特征怎么样 RRORO(T-TO)TTO +（V/IRO）/ RO ：为铜的电阻的温度系数，0.00393/ ；V：线包电压48V；I： 为线包电流；T0：线包室温电阻；T线包工作平均温度。 14 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：线包温度到什么程度物理特征怎么样 15 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 小结小结 n线包是唯一热源 n线包温度异常高 n线包电阻异常严重减小 n漆包线漆膜已经破裂，铜芯丝裸

6、露漆包线短路漏电 漆膜破裂漆膜破裂线包匝间或层间短路（漏电）线包匝间或层间短路（漏电）引起线引起线 包电阻减小包电阻减小线包温度高。线包温度高。 漆膜为什么破裂漆膜为什么破裂? ? 16 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 继续推进的思路：继续推进的思路： 17 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：漆特性对比结果：漆级别低、性能差 18 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：漆的物理表现结果：附着差 19 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：材料成分对比结果：某种成分已变化 红：良品漆包线漆膜 蓝：失效品未

7、变黑漆包线漆膜 黑：失效品已变黑漆包线漆膜 羟基特征吸收峰 羰基特征吸收峰 20 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 21 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：材料成分变化的温度对比 结果：失效品有放热反应170 170 22 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：气相质谱色谱分析什么材料成分氧化而放热 23 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：气相质谱色谱分析什么材料成分氧化而放热 温度：170 环境气氛：氩气无 氧化反应 结果 “邻苯二甲酸酐”是“增塑剂” 氧化的产物，是黑样品独有的脱 附成份增塑剂氧化

8、变为更小分 子量的分子可脱附 24 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 小结：小结： n失效样品漆包线性能不合格 n良品漆包线性能合格 n失效样品150213存在氧化放热反应，放热 反应峰值温度170 n失效样品150213发生氧化放热反应是漆膜 中的增塑剂氧化而放热 n良品300 以内无放热反应 在线包历磁功率产生的温度下：在线包历磁功率产生的温度下：漆膜增塑剂发生漆膜增塑剂发生 氧化反应氧化反应增塑剂退化增塑剂退化漆膜失去柔软性漆膜失去柔软性开裂开裂 脱落脱落线包短路或漏电线包短路或漏电线包电阻减小线包电阻减小线包历线包历 磁功率增大磁功率增大线包温度上升线包温度上升漆膜

9、加剧氧化而加漆膜加剧氧化而加 剧退化。剧退化。 25 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 求证：求证：就漆膜退化的机理的寿命试验就漆膜退化的机理的寿命试验 n3 3只样品 n1100h1100h n无失效 1010法则、点估计 1000h263192000h， 约22年。 26 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 总结论：继电器失效分析总结总结论：继电器失效分析总结 nLEACH 99年批次继电器（失效品），漆包线漆膜退 化引起线圈匝间和层间漏电、短路失效。励磁功率产 生温升漆膜增塑剂退化（170放热氧化）漆膜开 裂、脱落线包匝间或层间漏电或短路加剧线包励

10、磁功率增大线包温度上升的恶性循环。 nLEACH 02年批次继电器，漆包线的漆膜由1级漆膜改 进为2级漆膜；350以下无化学反应发生，漆膜性能 稳定。 n3只02年批（良品）寿命试验结果以10法则粗略推 算，试验样品线包室温（25）工作寿命大于22年 27 1.1.失效分析全过程分析案例失效分析全过程分析案例 控制措施：控制措施： n建议淘汰在用的LEACH 99年批次的继电器 n通过继电器外壳温度监测，判断继电器退化 n建议对LEACH 02年批次的样品作批次评价确定 是否采用02年批产品作为替换品 n采用CACA技术评价采购批的可靠性 28 2.2.静电与闩锁失效案例静电与闩锁失效案例 n

11、ESD静电放电损伤失效 n闩锁效应失效 失效分析经典案例失效分析经典案例 29 ESD静电放电损伤失效 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 30 ESDESD静电放电损伤失效静电放电损伤失效 n静电(Electrostatic，static electricity): 静电就是静止不动的电荷。它一般存在于物体的 表面。是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。 静电是通过电子或离子转移而形成的。静电可由 物质的接触和分离、静电感应、介质极化和带电微 粒的附着等物理过程而产生。 n静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）: 处于不同静电电位的两个物体间的静

12、电电荷的转 移就是静电放电。这种转移的方式有多种，如接触 放电、空气放电。 一般来说，静电只有在发生静电放电时，才会对 元器件造成伤害和损伤。如人体带电时只有接触金 属物体、或与他人握手时才会有电击的感觉。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 31 n对于微电子器件而言，通常有三种放电模式， 可以用三种模型来描述，即带电人体的静电放电 模型（HBM）、带电机器的静电放电模型（MM）、 充电器件的静电放电模型（CDM）。常用的是人体 模型（HBM），放电时间RbCb和总能量 E=CbV02/2是主要参数，它决定了放电功率。 n栅极接地的nMOS晶体管的典型IV击穿特性ESD 作

13、用时间小于10s时遵守Wunsch-Bell关系 nHBMESD失效电压与二次击穿的脉冲电流的关 系为： Vfail=1500It2 静电放电模型静电放电模型 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 32 ESDESD人体模型特征人体模型特征 R1 = 10 6 ohms to 10 7 ohms C1 = 100 picofarads 10 percent (Insulation resistance 10 12 ohms minimum) R2 = 1,500 ohms 1 percent S1 = High voltage relay (Bounceless, mercur

14、y wetted, or equivalent) S2 = Normally closed switch (Open during discharge pulse and capacitance measurement) Tri (rise time) -Less than 10 nanoseconds. Tdi (delay time) -150 20 nanoseconds. Ip (peak current) -Within 10 percent of the Ip value shown in table II for the voltage step selected. Ir (ri

15、nging) -The decay shall be smooth, with ringing, break points, double time constants ordiscontinuities less than 15 percent Ip maximum, but not observable 100 nanoseconds after start of the pulse. 图3.1 HBM模型的电路及波形 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 33 n力学作用吸引或排斥静电吸附灰尘，降 低元器件绝缘电阻（缩短寿命）。 n电学作用静电电位静电放电（ESDESD）

16、破坏， 造成电子元器件失效或功能退化。 n电磁作用静电放电产生的电磁场幅度很大 （达几百伏/ /米）频谱极宽（从几十兆到几千兆）， 对电子产器造成干扰甚至损坏（电磁干扰） 静电损害的形式静电损害的形式 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 34 n电弧注入的电荷/电流产生以下损坏和故障： 穿透元器件内部薄的绝缘层，损毁MOSFET和CMOS 元器件的栅极，常见； CMOS器件中的触发器锁死，常见； 反偏的PN结短路，也就是PN结反向击穿，常见； 正向偏置的PN结短路，较少见； 熔化有源器件内部的连接（键合）线或铝（金属 化）线，较少发生。 nESD会通过各种各样的耦合途径找到设

17、备的薄弱点! ESDESD损伤途径损伤途径 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 35 静电放电静电放电保护保护机理机理 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 36 单片机静电放电击穿单片机静电放电击穿 整机装配工艺中，补焊烙铁接地 线开路，烙铁带电，引起芯片击 穿失效。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 37 单片机静电放电击穿单片机静电放电击穿 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 38 射频、微波器件射频、微波器件 静电极敏感器件， 对环境的静电要求高。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 39 射频、

18、微波器件射频、微波器件 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 40 射频、微波器件射频、微波器件 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 41 射频、微波器件射频、微波器件 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 42 VDMOSVDMOS、IGBTIGBT 良品人体模型小于1000V的ESD 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 43 ESDESD损害的特点损害的特点 n(1)(1)隐蔽性（不可视性） n(2)(2)潜在性和累积性 n(3)(3)随机性 n(4)(4)复杂性 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 44

19、 静电击穿的失效特征静电击穿的失效特征 n大电压、短时间（静电敏感器件）小 尺寸，喷射，飞弧，表层变形。 n下层击穿，表层变形用光学显微镜观察颜色 变化，电镜无效； n击穿发生在表层，面积小，用电镜观察，光学 显微镜无效； n静电放电台放电试验，对比试验样品所发生的 位置，和击穿点的形貌特征，以进一步分辨失效 样品是静电击穿还是脉冲（浪涌）电压击穿。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 45 静电失效判断特点和盲点静电失效判断特点和盲点 n静电失效的特点 （1 1）静电敏感器件 （2 2）首次（整机和器件）测试失效 （3 3）小尺寸，喷射，飞弧 n静电失效判断的盲点 （1 1

20、）使用或试验过程失效： 静电损伤后，样品功能仍然正常，经过电压应力的作用后，损伤 点逐步扩大，产生漏电、甚至短路，最后形成影响功能、参数。这 种状态雷同于缺陷引起的漏电失效。 解决途径：良品ESDESD评价、环境静电控制情况评价，评估受到静 电损伤的可能性；击穿点发生的位置是否发生在与外引脚直接 电气连接的部位，等。 （2 2）静电与浪涌（窄脉冲）电压击穿 静电击穿与窄电压脉冲没有本质的差别，但其来源是完全不同， 控制方法也完成不同。 但静电电压来自环境，脉冲电压来自电路。因此，应从应用电路 入手，确认或排除脉冲电压的来源，并结合“（1 1）”进一步确认。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静

21、电与闩锁失效案例 46 闩锁效应失效闩锁效应失效 集成电路失效的常见机理集成电路失效的常见机理 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 47 n所谓闩锁（latch-up） CMOS电路中固有的寄生可控 硅结构被触发导通，在电源 和地之间形成低阻大电流通 路的现象。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 48 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 49 CMOSCMOS电路闩锁诱发条件电路闩锁诱发条件 n就是可靠性触发导通的条件： 1 阳极阴极之间诱发 电源过电压超过IC电源的耐压（波动电 压、脉冲电压）； 输入、输出端过电压，超过端口的耐压； 输

22、入、输出端高于电源正端电压； 输入、输出端低于电源负端电压； 2 触发端诱发 射线和高能离子诱生内部载流子，内部触发 Latchup。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 50 CMOSCMOS电路闩锁特征电路闩锁特征 nIC中有很多很多n沟、p沟“推挽对管”基本的 电路单元，每个“推挽对管”均有可控硅寄生结构； 每个寄生可控硅都是非理想的可控硅难触 发导通，导通电压大，维持电流大等等（与可控 硅产品相比） Latchup被诱发，“推挽对管”失去本来作用， 变为性能较差的可控硅，这时IC功能失效； 一个“推挽对管”被触发Latchup，由于电流 在体电阻中的压降，可能触发邻近

23、“推挽对管” 被触发Latchup，从而，发生大面积的Latch up。 n一个性能较差的可控硅所提供的电流并不大，但 很多很多个这种电流汇集到IC的电源端 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 51 CMOSCMOS电路闩锁特征电路闩锁特征 CMOS集成电路发生Latchup后的典型特征 保护网络通常有电压击穿现象； 电路单元通常没有烧毁特征； 电源供电回路出现大电流特征； n此电流可以引起IC烧毁（失效）；也可能未导致IC 烧毁则IC停止供电后，下次开机又能正常使用。 nLatchup通常有损伤，多次发生Latchup，最终 IC将失效。不稳定失效的一种。 失效分析经典案例

24、失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 52 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 闩锁例闩锁例1 53 闩锁例闩锁例2 2 驱动驱动ICIC（SN74AHCT16245DGG SN74AHCT16245DGG ） 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 54 闩锁例闩锁例3 3 使用失效：使用失效：VccVcc地之间过流地之间过流 模拟失效：端口大电流模拟失效：端口大电流 使 用 失 效 模 拟 失 效 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 55 使用失效：端口保护网络击穿、过流， 功能电路无过流过热 模拟失效：功能电路过流引起过热 失效分析经典案

25、例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 56 闩锁失效与端口闩锁失效与端口“短路短路”试验比试验比 较较 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 57 闩锁例闩锁例3 3 空封器件闩锁的特征空封器件闩锁的特征 微波开关功能丧失 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 58 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 59 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 60 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 61 上层观察铝熔球；上层观察铝熔球； 下层观察铝迁移下层观察铝迁移 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例

26、62 空封器件闩锁的特征空封器件闩锁的特征 100.00M50ppm 上电时停振，板上CPU无法 启动 频谱测试:主频率为 33.3468MHz，33.33MHz及 100.00MHz处，谱线存在(右 图)可以起振均、倍频 石英晶体未见明显异常 芯片无电击穿特征 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 63 空封器件闩锁的特征空封器件闩锁的特征 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 64 CMOSCMOS电路电路LatchLatchupup外部条件外部条件: : 电源浪涌电压峰值超过器件的击穿电压和使IC的电 源端对地间进入二次击穿状态。 输入或输出电压(Vo或V

27、i)高于VDD或低于VSS。如： 链路上有较大的电感负载。 设备使用两组以上通断延时有差异的电源。 链路上有长线。 接地系统不良。 输入端（空置端）悬空。 地面使用：最终由电压诱发闩锁！ 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 65 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 na)通过电路分析或ESD检测确定电路中抗静电 的薄弱部位和薄弱器件以及外部可能产生过电 压的端口； nb)对薄弱部位加外部抗静电保护和过电压释放 电路； nc)使用抗静电能力、抗Latchup好的器件； nd)在电路制造过程中采取静电防护措施； ne在IC电源端就近并接去耦电容，消除电源的 杂散干扰

28、电压。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 66 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 na)瞬变电压抑制二极管：特点是响应时间短， 动态电阻小，承受瞬时功率容量大，1ms可吸收 脉冲功率高达1000w以上。 nb)压敏电阻：是一种电阻随外加电压变化敏感 元件。特点为当电压增大到阈值时电阻值急剧下 降，有很好的大电流容量和耐大功率冲击的能力。 是混合电路和整机理想的静电保护元件。 nc)铁氧体磁环：将导线穿绕磁环，可减小静电 放电峰值电流。 端口保护元器件主要有：端口保护元器件主要有： 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 67 静电和静电和Lat

29、chLatchupup保护保护 ESDESD、LatchLatchupup端口保护电路的要点：端口保护电路的要点： n泄放大电流 旁路释放保护电路：将静电荷、浪涌能量通过 该保护电路释放掉，避免对功能器件的损伤。 n电压箝位 限压保护电路：减缓静电、浪涌作用到器件端 口的电压电压限定在某个值以下，限制释放的电 流小。钳制器件端口的电位； 外部保护电路外部保护电路 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 68 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 n介质隔离技术 最有效的ESD保护方法，采用绝缘介质如塑料机箱、 空气间隙及绝缘材料等把内部系统和元器件与外界隔 离屏蔽技术

30、 使用金属屏蔽外壳，防止大的ESD电流冲击内部电路 n电气隔离技术 PCB板上安装光耦合器或者变压器(电源)、光纤/无 线和红外线(信号通路) ，实现电气隔离 n使用ESD泄放回路、RC网络、外接ESD保护器件、合 理的PCB板布局布线 外部保护电路外部保护电路 也是Latchup的抑制措施 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 69 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 n外接保护器件须具有的特性 极快的响应时间 低的箝位电压 能泄放大的ESD电流 能承受ESD的重复作用而不受破坏 反向漏电流小 尺寸小 外部保护电路外部保护电路 失效分析经典案例失效分析经典案例-

31、静电与闩锁失效案例 70 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 n减小外接ESD保护器件的电容 采用外接保护电路需注意的几个问题采用外接保护电路需注意的几个问题 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 71 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 n优化保护器件的布局 采用外接保护电路需注意的几个问题采用外接保护电路需注意的几个问题 减少ESD脉冲、浪涌进入点与保护器件之间的寄生电感 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 72 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 n优化ESD保护器件的布局 采用外接保护电路需注意的几个问题采用外

32、接保护电路需注意的几个问题 避免电源端上的电感 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 73 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 采用外接保护电路需注意的几个问题采用外接保护电路需注意的几个问题 a) 高压小电流，保护能力不强 b) 低压大电流，保护能力强 用TVS保护交流变压器时，应选择在变压器的低压次级进行保护 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 74 静电和静电和LatchLatchupup保护保护 ESDESD环境控制环境控制 n1 地面防静电 n2 工位防静电连接 n3 接地电阻40ohms n4 温度控制：2030，湿度3070 n5

33、电离器，正负离子风 n6 人体静电防护 n7 包装采用防静电袋，防静电盒，防静电箱等。 n8 特别注意：SMT料带的盖带（Cover Taper）， 达不到理想防静电阻抗（1058ohms）SMT接料胶片 不防静电，棉纤的包装带不防静电，钢刷擦拭布不 防静电。其动态电压的产生低则数千伏，高则达数 万伏。 失效分析经典案例失效分析经典案例-静电与闩锁失效案例 75 过电损伤失效过电损伤失效 场致击穿场致击穿 热致击穿！热致击穿！ 失效分析经典案例失效分析经典案例 76 n外部所施加的电应力超过产品的承受能力而导致产品失效 n电子元器件都在其参数指标中设定了使用时所能承受的最 大应力，包括最高工作

34、环境温度或壳温，最大额定功率，最 大工作电压、电流、峰值电压，最大输入、输出电流/ /电压等。 如果在使用时所加的电应力超过了元器件规定的最大应力 （非产品规定的极限参数，如最大电流），即使是瞬间超过， 也将造成电子元器件的损伤，这种电应力就称为过电应力， 其造成的损伤主要表现为元器件性能严重劣化或失去功能。 过电应力通常分为过压应力和过流应力。在过电应力作用下， 电子元器件局部形成热点，当局部热点温度达到材料熔点时 使材料熔化，形成开路或短路，导致元器件烧毁。 n过电应力的作用机理有两种：热致失效和场致失效。 过电损伤：过电损伤： 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 77 常

35、见的过电：常见的过电： 雷电，交流电源（市电）中的噪声，电源开机的冲击，电感类 （如电机、电磁铁、接触器、继电器、电感滤波器等）断电时产 生的感应电压。浪涌电压大于产品所能承受的电压，引起产品发 生场致失效。 外部引入的浪涌电压通常难以捕捉。 本机系统的产生的浪涌电压通常发生在电源开机、关机瞬间，以 及各种具有电感性质的零部件电流突然关闭电流的过程，通过示 波器单次触发的形式通常可捕捉到浪涌电压。 大能量的浪涌电压的失效特征非常明显；小能量的浪涌电压酷似 静电，其失效特征难以与静电损伤做出界定，通常需要通过浪涌 电压、静电产生的可能性，以及产品抗静电损伤能力的评估做出 偏向性的界定。 半导体器

36、件（二极管、三极管、光电器件、可控硅等）、集成电 路、小容量电容器对浪涌电压敏感，尤其是高频器件，MOSMOS电容器 对浪涌电压极其敏感。电感器、电阻器、连接器、继电器、接触 器等对浪涌电压敏感性比较低。 n浪涌电压 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 78 常见的过电：常见的过电： 通过产品的短时间大电流超过其最大承受能力。 外部引起的浪涌电流从产品（器件）的输出端引入，即从 产品（器件）的负载引入，由于负载短时间等效阻抗的显 著下降而引起产品出现浪涌电流失效，如电机启动的大电 流引起保险丝过流失效，输出短路引起输出管过流失效。 本机系统内部的浪涌电流通常发生在电源开机、关机

37、瞬间 的电流冲击，电容0 0电压充电、大电压放电，推挽工作的晶 体管同时导通，等。 由于浪涌电压失效过程通常伴随浪涌电流，但属于浪涌电 压的后果，通常归类在浪涌电压。 浪涌电流失效主要发生在电容器充电回路、电机驱动回路、 以及由于设计不当引起的内部回路短时间内短路。但浪涌 电流失效比较少见。 n浪涌电流 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 79 常见的过电：常见的过电： 产品承受超过其最大可承受的电压。 过电压主要有交流电源（市电）电压波动，直流电 源电压波动，电路部件产生的高电压（包括浪涌电 压），所使用的元器件（部件）耐压值不足，或由于 设计考虑不周引起元器件（部件）过压，

38、如串联回路 中的有源器件的等效内阻不同、分压不同而引起其中 一只过压。 过压失效主要是浪涌电压失效。其次是设计中对电 路可能出现的高电压考虑不足引起的过压失效。另外， 电源电压波动，输入和输出端电压失配也可见失效的 案例。 n过电压 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 80 常见的过电：常见的过电： 产品承受超过其最大可承受的电流、功率（非产品规范中 的最大电流值）。 产品电流、功率指标是一个与寿命相关的参数，小于或等 于产品规定的电流工作、功率，才能保证产品的应有的寿命 指标，大于产品规定的电流、功率工作，产品并非立即失效， 但其寿命将有所缩短。 可见，工作电流、功率主要属于

39、退化引力的性质，但当电 流、功率增大到引起元器件内部局部温度达到熔融或合金， 电流、功率将成为失效应力。显然，电流、功率作为失效应 力与产品的工作温度密切相关，散热良好，引起产品失效的 电流、功率要大得多。 电流和功率有所不同，功率大，产品的温升大，但电流大， 功率可以不大，但由于电流分布的问题，电流密度大的部位 已经出现热致失效，而产品还没有出现过功率的问题。 n过电流和过功率 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 81 常见的过电：常见的过电： 电流失效与功率失效均为热致失效，但在不同类别的元器 件上两者有本质区别，如电阻器的热功率=IV=I=IV=I2 2R R，其热功 率

40、仅由I I决定，而三极管热功率=IV=IV，I I和V V不相关，I I完全在 产品规范以内，但IVIV超过其最大承受能力；I I超过其承受能 力，但IVIV在其承受能力范围内。 过电流、功率失效通常发生在电流驱动、输出回路，如整 流二极管、滤波电解电容器，尤其是钽电解电容器，放大 器输出管，各种控制、驱动器的输出部件，各种能量输出 及传输部件。 数字集成电路、电压信号放大电路、微电流工作的元器件 交少出现过电流失效。 n过功率 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 82 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 供电电源浪涌电压引 起DCDC脉冲调制器 （IC）过电压击穿 失效分析经典案例失

41、效分析经典案例-过电损伤过电损伤 83 DC/DCMGDSDC/DCMGDS10JC10JC（法国特色）（法国特色） 输出端引入过电压:过流或 过功率引起二极管短路 浪涌电压击穿浪涌电压击穿：失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 84 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： DC/DCDC/DC（电源类）过电压可能：（电源类）过电压可能： 输入电源浪涌或波动 DC/DCDC/DC设计不良，内部电感产生大峰值电 压 DC/DCDC/DC绝缘、耐压测试过程引入过电压击 穿 DC/DCDC/DC负载存在大电压 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 85 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： I

42、C浪涌电压击穿 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 86 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 现场可编程门阵列XCS30XL 工程失效 P102端口网络过压击穿，击穿形 成的短路通路导致端口金属化连 线过电烧毁 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 87 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： XCS30XL工程失效 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 88 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： XCS30XL浪涌试验失效 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 89 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： XCS30XLXCS30XL分析启发分析启发 失效分析经典案例失效分析

43、经典案例-过电损伤过电损伤 90 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 控制措施：控制措施： 通信接口通信接口ICIC端口保护措施：端口保护措施： 数据传输线最容易产生浪涌电压，传输线越长，出现浪 涌电压的机会越大。 浪涌电压通常来自雷击、传输线路感应、线路漏电等。 485485之类的接口芯片，其数据端口自身通常已经安排了 端口保护网络，但其保护能力受到芯片面积的限制，往 往需要外部保护才能有效预防传输线的浪涌电压。 长线传输的ICIC端口外部（电路上）一定要加强浪涌电压 的释放能力。通常使用瞬变二极管释放浪涌能量。另外， 传输线路的屏蔽，以及采用专用的数据传输线可降低线 路受外界干扰而产生浪涌电压（脉

44、冲电压）。并确保有 良好的接地。 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 91 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 可控硅可控硅电压击穿例电压击穿例 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 92 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 可控硅可控硅电压击穿例电压击穿例 其他案例 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 93 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 马达关时，产生大于 100V反向电压，该电 压通过管子SG及S D，引起SG或SD击 穿而失效 马达产生的 反向电压 产品外观产品外观 样品外观 芯片全貌 FAFA案例电案例电 路中脉冲电路中脉冲电 压引起失效压引起失效 失效分析

45、经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 94 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： nDSP多组电源：1.5V、3V、5V等，加电的先 后，可引起DSP启动不正常 n高频电路（射频、微波）电源切换时刻的不 同可引起功率放大器过功率烧毁 n载体静电可发生大能量的放电（设备吊装至 轮船，火箭壳体在大气层中的摩擦产生强静电 等） 特殊过电特殊过电 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 95 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 电流极限应力的失效（热致）电流极限应力的失效（热致） 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 96 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 电流极限应力的失效（热致）电流极限应

46、力的失效（热致） 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 97 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 电流极限应力的失效（热致）电流极限应力的失效（热致） 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 98 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 电流极限应力的失效（热致）电流极限应力的失效（热致） 常见电流极限应力失效主要有： n外部因素 电源负载过载（甚至短路） 放大器输出过载 n内部因素 电路部件选用不当（-保险丝） 设计缺陷（存在大电流可能，存在热问题-IGBT-IGBT） 限流或过流保护措施（-钽电容器滤波） 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 99 浪涌电压击穿浪涌电压

47、击穿：失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 100 浪涌电压击穿浪涌电压击穿： 控制措施：控制措施： 这是试验设备（高温箱）带电，引起试验样品 失效的实例， 告诫： 一定要落实试验设备的接地状态。 试验过程可能引入多种机理的失效，如人体静 电放电，机器静电放电，漏电等，还有试验过程 中的机械应力，腐蚀作用，等等。必须严格遵守 试验规程，切勿大意！ “控制不严格的应力试验筛选”所引入的潜在 损伤，往往比筛选剔除的早期失效品还要多。 失效分析经典案例失效分析经典案例-过电损伤过电损伤 101 外部机械应力损伤外部机械应力损伤 失效分析经典案例失效分析经典案例 102 失效分析经典案例

48、失效分析经典案例外部解析应力 外部机械应力损伤是常见的失效外部机械应力损伤是常见的失效 n元器件内部的机械损伤 内部微裂纹 内部划、刮、檫、碰等机械损伤 芯片划片引入的机械损伤 芯片健合损伤（弹坑） 等等，这是元器件缺陷，可通过DPADPA、CACA等技术进行评价 n外部因素引起的机械应力损伤 结构不合理引起的应机械力 外部机械作用力 热失配引起不同材料界面的机械应力 安装机械应力 引脚成形不当引起的静态揭晓应力 外部振动应力 103 失效分析经典案例失效分析经典案例外部解析应力 外部机械应力：PCB铜箔断裂 104 失效分析经典案例失效分析经典案例外部解析应力 外部机械应力：PCB铜箔断裂

49、105 失效分析经典案例失效分析经典案例外部解析应力 可插拔结构插拔的次数越多，损伤的机会越多 可插拔结构插拔的板越大，机械损伤的可能越大 多次拆卸、安装的结构容易出现机械损伤 PCBAPCBA传递、安装、使用过程变形，容易引起元器 件出现机械损伤 显然，机壳变形，元器件一样容易出现机械损伤 106 失效分析经典案例失效分析经典案例外部解析应力 装配机械应力引起芯片破裂装配机械应力引起芯片破裂 样品与散热器通过螺丝紧固，螺丝 扭力过大引起芯片基座变形，导致 芯片破裂失效。 107 失效分析经典案例失效分析经典案例外部解析应力 安装机械应力安装机械应力 108 失效分析经典案例失效分析经典案例外

50、部解析应力 安装机械应力安装机械应力 109 失效分析经典案例失效分析经典案例外部解析应力 安装机械应力安装机械应力 温冲、高低温循环、 振动等筛选试验。 110 失效分析经典案例失效分析经典案例外部解析应力 底座机械应力引起芯片裂 111 装配结构缺陷装配结构缺陷 失效分析经典案例失效分析经典案例 112 失效分析经典案例失效分析经典案例-装配结构缺陷 113 失效分析经典案例失效分析经典案例-装配结构缺陷 安装结构不合理安装结构不合理 器件内部结构不合理 引起烧结难控制 114 失效分析经典案例失效分析经典案例-装配结构缺陷 安装结构不合理安装结构不合理 继电器 115 失效分析经典案例失

51、效分析经典案例-装配结构缺陷 安装机械应力安装机械应力 n安装引起的机械引力损伤也是常见的机械损伤 n通常发生在两个结构之间的机械支撑、固定、机 械连接、散热连接、大电流连接 n尤其是发热部件的散热连接：为了散热良好而施 加更大的力，因此而出现静态机械应力甚至变形 n尤其要注意多层陶瓷电容器、玻封二极管是机械 引力非常敏感的元件： 对板变形的机械应力非常敏感 对焊接热变机械应力非常敏感 不合适的焊盘 不合适的焊接温度、焊接时间 多次焊接，多部件共用一个焊接点 116 热应力失效热应力失效 失效分析经典案例失效分析经典案例 117 热应力失效热应力失效 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失

52、效 n热应力失效是指由于外部高温而引起的失效，也包括温度 变化引起的失效。通常指热变引起的机械应力。 n热变机械应力最敏感的元器件是：塑料封装集成电路和多 层陶瓷元件（多层陶瓷电容器和多层陶瓷电感器等）。 n热变应力的作用机理有多种：界面剪切力、”爆米花”、 多层陶瓷元器件焊接热应力等。 n界面剪切力：高温或温度变化，元器件中不同材料热胀冷 缩系数不同，引起材料不同的伸缩长度不同，因此，在界面 之间产生剪切力。通常发生在塑封ICIC的内部界面。这是材料 问题，使用过程非常难克服。 n爆米花：塑封元器件塑封材料内的水和水汽在高温下气化、 膨胀，使塑封料与金属框架、塑料与芯片间发生分层效应， 拉断

53、键合丝，损伤芯片，从而发生开路失效。通常发生在塑 封ICIC的内部界面。根本原因是水，可在焊接前作适当的处理 进行有效的控制。 118 热应力失效热应力失效 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 n温度变化引起元器件内部残存机械应力，在元器件使用过程 出现失效。 n多层陶瓷元器件焊接热应力失效：多层陶瓷电容器、电感器、 延迟线等无源元件焊点焊接过程中，焊点温度变化而导致破裂。 nPCBA爆板：回流焊接过程温度的急剧上升，引起PCB内部 水气化膨胀，使PCB内部发生分层。与“爆米花”的机理相同。 n元器件寿命过程中，回流焊接的热变应力最强，通常热变应 力引起的失效主要发生在PCBA的焊接

54、过程。在使用过程中也 有热变应力的作用，但主要表现为界面剪切力，和热疲劳，属 于退化应力，如塑封器件的界面剪切，焊点的疲劳等。 119 塑料封装内部结构示意图塑料封装内部结构示意图 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 120 热应力失效热应力失效1 11 1 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 121 热应力失效热应力失效1 12 2 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 122 热应力失效热应力失效2 21 1 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 123 热应力失效热应力失效2 22 2 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 124 热应力失效热

55、应力失效2 23 3 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 125 回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 BGA封装 内部芯片倒装 端口大量短路 电源之间短路 126 回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 127 回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 128 回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路 失效分析经典案例失效分析经典

56、案例-热应力失效 129 回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 130 回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 131 回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路回流焊接高温引起倒装芯片的焊球短路 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 132 热应力失效热应力失效3 31 1 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 靠近金丝键合点， 位于芯片边缘，具有 机械破裂的形貌特征 133 热应力失效热应力失效3 32 2 失效分析经典案例失效分

57、析经典案例-热应力失效 热变应力 机械应力 谁先？ 谁后？ 134 热应力失效热应力失效3 33 3 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 芯片面线状 分布过热点 热点放大形貌 135 热应力失效热应力失效3 34 4 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 塑料面线状分布过热点 136 热应力失效热应力失效3 35 5 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 137 热应力失效热应力失效3 36 6 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 n验证 自动生产线装配的板，失效消除 n启示 布线多层多、芯片面积大的IC，对热变 应力敏感； “新”IC：既要功能验证，也要可

58、靠性 评价；（可靠性评价：耐焊接热；ESD水 平，抗闩锁能力） 138 热应力失效热应力失效封装界面分层启示封装界面分层启示 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 n界面分层是塑料封装器件常见的失效 n水气侵蚀更易导致塑料封装器件界面分离 n焊接热应力是界面分层的主要应力，尤其是无 铅焊接。 n必须重视塑料封装器件的耐焊接热评价（可参 考IPC相关评价规定） nCSCAN、XRAY是界面分析的有效手段 139 PCBAPCBA爆板爆板 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 140 PCBAPCBA爆板爆板 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 爆板分层存在外层粘结材料与

59、内层芯板 之间、芯板内部存在分离 141 PCBAPCBA爆板爆板 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 热应力试验预处理：在110烘箱中分别烘烤6小时及24小时； 通过试验后的外观检查发现未经过预处理的PCB样品3个测试 样中均发生明显的爆板失效，而经过6小时的预处理的PCB样 品同样存在爆板失效，而经过24小时的预处理的PCB样品未 发生爆板失效。 板内潮气是导致PCB板发生爆板失效的原因 142 PCBAPCBA爆板爆板 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 失效现象：波峰焊接后存在爆板 143 PCBAPCBA爆板爆板 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 起泡

60、分层均发生在PCB外层，在起 泡分层最严重的中心区域的内层铜 棕化面上几乎无树脂粘附，粘接材 料的底面树脂断面较平整，说明在 层压之后，此处的树脂与内层铜没 有粘接在一起形成一个整体 144 PCBAPCBA爆板爆板 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 泡分层均发生在内层铜的棕化面与外层粘接材料的树 脂之间，内层铜棕化面上无树脂粘附，表面颜色发红 而非良好的深棕色，而相对应部位的树脂面很平整 145 PCBAPCBA爆板爆板 失效分析经典案例失效分析经典案例-热应力失效 n金相切片：结果显示起泡分层均发生在PCB外层，起泡分层最严重 的中心区域的内层铜棕化面上几乎无树脂粘附，粘接材料