微电子器件 可靠性 失效分析程序04-2

1、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 第四章 失效分析2 第四章第四章 失效分析失效分析34.2 失效分析程序失效分析程序 4n失效分析是器件失效后进行的一种检查，以验证所报告的失效模式和确定失效机理。n失效分析的内容，是指为完成失效分析应进行哪些工作；n而失效分析程序是指进行失效分析的计划和步骤，它们是密切相关的，是对同一问题的不同侧面的叙述。失效分析的内容与程序失效分析的内容与程序5失效分析的目的失效分析的目的: :n找出失效原因n追溯产品的设计（含选型

2、）制造使用、管理存在的不良因素n提出纠正措施，预防失效的再发生，改进管理n提高产品可靠性，降低全寿命周期成本6铝电解电容器潜在失效因素铝电解电容器潜在失效因素7失效分析的基本方法与程序失效分析的基本方法与程序8n先调查了解与失效有关的情况（线路、器件类型、运用时应力条件、失效现象等），后分析失效元器件。n先外部分析，后内部（解析分析）。n先进行非破坏性分析，后进行破坏性分析。失效分析的原则：失效分析的原则：9 包括：失效情况调查，失效模式鉴别，失效特征描述，假设失效机理，证实失效机理，提出纠正措施和新的失效因素的考虑等。失效分析着重于查明失效模式，追查失效机理以及探讨改进方法。n(1)(1)失

3、效情况的调查：失效情况的调查： a器件的有关信息。 b使用信息。 c环境信息。 d失效现象。 e失效的过程。失效分析的基本内容失效分析的基本内容:10n（2 2）鉴别失效模式：）鉴别失效模式： a电特性测试 b用立体显微镜检查外观n（3 3）失效特征描述：）失效特征描述： 利用高倍立体和金相显微镜和扫描电子显微镜等设备观察失效部位的形状、大小、位置、颜色、机械和物理结构、物理特性等，科学的表征和阐明与上述失效模式有关的各种失效现象。失效分析的基本内容失效分析的基本内容:11n(4)(4)失效机理假设：失效机理假设： 以半导体器件失效机理的有关理论为根据，结合线路材料、工艺、设计理论及经验，假设

4、可能的失效内因和外因。n(5)(5)失效机理证实：失效机理证实： 选用有关的分析、试验和观测设备对失效样品进行仔细分析，验证失效机理的假设是否属实，有时需拿合格同种器件进行类似的破坏性试验，观察是否产生相似的失效现象。n(6)(6)提出纠正措施：提出纠正措施： 根据失效分析结果，提出防止产生失效的设想和建议，它包括工艺、设计、结构、线路、材料、筛选方法和条件、使用方法和条件、质量控制和管理等。失效分析的基本内容失效分析的基本内容:12失效分析的程序：失效分析的程序： 对失效器件的分析，每一个步骤都要根据器件失效情况合理制定，每一个步骤都要取得必要的信息。但是许多分析步骤是破坏性的，不能重复进行

5、。安排失效分析程序时，应先非破坏，后破坏的原则进行。失效样品往往只有一个，十分宝贵，所以分析时应按程序小心进行，防止静电、电浪涌、机械应力损伤器件，造成新的失效，使原来的失效无法真正的找出原因。13失效分析流程图失效分析流程图:14一、一、失效环境调查失效环境调查围绕失效必须详细了解如下信息：围绕失效必须详细了解如下信息：批次认可。产品数据、存货量和储存条件。 发现失效的地点和时间。工艺过程、外场使用情况及失效日期。产品记录。产品在制造和装配工艺过程中的工艺条件、交货日期、条件和可接受的检查结果，装配条件和相同失效发生的有关记录等。工作条件。电路条件、热/机械应力、操作环境（室内/外、温度、湿

6、度、大气压）、失效发生前的操作失效详情。失效类型（特性退化、完全失效或间歇性失效）、失效比例和批次情况、失效现象（无功能、参数变坏、开路、短路）失效分析流程失效分析流程:15二、失效样品保护失效样品保护对于由于机械损伤和环境腐蚀引起的失效结果，必须对元器件进行拍照保存其原始形貌为避免进一步失效，样品在传递和存放过程中必须特别小心以保证避免环境（温度和湿度）应力、电和机械对应力元器件的进一步损伤，在传递一些小的元器件时必要的装载必须保证。 16三、失效分析方案设计失效分析方案设计目的：目的：严格按顺序有目的选择试验项目，避免盲目性、失误甚至丢失与失效有关的痕迹，节省时间，以便快速准确地得到失效原

7、因的数据，准确判断失效机理。明确：明确：分析过程中 选择什么项目、观察什么现象。试验分析中 密切观察和收集证据 如照片、有用数据处理。失效品唯一开封方式17四、外观检查外观检查步骤：步骤：肉眼观察。失效与好的器件之间差异光学显微镜 4-80倍立体 50-2000倍扫描电子显微镜（SEM） 表面击穿、外来物、长须、玷污或迁移原子吸收光谱 元素分析电子探针微分析仪 （EPMA） 181920Ball Grid Array(球栅阵列结构的PCB)，它是集成电路采用有机载板的一种封装法。它具有:封装面积减少功能加大，引脚数目增多PCB板溶焊时能自我居中，易上锡可靠性高电性能好，整体成本低等特点。 21

8、X 射线能量色散光谱仪 二次离子质谱仪 22四、外观检查外观检查目检的项目：目检的项目：灰尘沾污管脚变色由压力引起的引线断裂机械引线损坏封装裂缝金属化迁移晶须23五、电测电测电特性测试直流特性测试波形记录仪、微微安培计、示波器失效模式测试使用条件的24六、应力实验分析应力实验分析温度、电压、电流、功率、湿度、机械振动、冲击、恒定加速度、热冲击、温度循环等评估应力分布 应力范围 确定元器件安全工作的极限应力水平25七、故障模拟分析故障模拟分析重现失效现象重现失效现象过电保护不足、电路布线的干扰、热分布不当 实际电路模拟、示波器沾污引起的参数漂移、间歇性短路、断路 环境应力下模拟试验模拟应用分析模

9、拟应用分析全温度参数测试全温度参数测试瞬时短路、断路的试验分析瞬时短路、断路的试验分析高温和高温电偏置试验高温和高温电偏置试验26八、内部分析内部分析非破坏的内部分析非破坏的内部分析X射线检查 封装内部的缺陷 如芯片的黏结空洞、内部多余物、其它结构上的缺陷声学扫描检测 内部各界面的黏结情况 塑封元器件的分层现象残留气体分析 芯片表面污染是金属或陶瓷封装失效的原因,则需对密封腔体的残余气体进行定量分析，尤其是水汽或腐蚀性气体密封性检查 金属或陶瓷封装在氮气或干燥气体中； 检测方法:氦原子示踪法检测细小的泄漏、氟碳化合物检测较大的漏气 检测小裂缝、焊接材料的虚焊、焊接部位的针孔、密封封装中缺陷；2

10、7八、内部分析内部分析破坏性的内部分析破坏性的内部分析开封失效点定位 芯片：缺陷隔离技术（电子束测试、光发射分析、热分析和OBIC光束感生电流技术）芯片钝化层去除 等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、化学腐蚀物理分析 杂质和合成物分析 二次电子、二次射线、二次离子确定失效机理确定失效机理2829九、纠正措施纠正措施工艺、设计、结构、线路、材料、筛选方法和条件、使用方法和条件、质量控制和管理等各个方面30十、结果验证结果验证生产单位 固有可靠性使用单位 使用可靠性失效分析单位 分析水平31323334353637开封前开封前： n对失效器件本身(线路、结构、版图、工艺、性能，材料等)应作全面了解。 例：

11、不是自己的器件n失效情况的调查，总结失效数据。包括：失效器件类型、外壳、封装类型、生产厂、生产日期和批号；使用单位，使用器件的设备名称，失效部位，累计运行，功能： 例：周围有高压线失效时的环境（调试、运行、高温、振动、冲击、验收和现场使用），失效时间，失效现象（开路、短路、无功能、参数变化、判别标准等），失效判断人。n复测电特性，验证失效情况。所得结果是否与所报告的失效情况是否相符，不符时要考虑是否器件特性改变？是时好时坏的问题，还是原来数据有误？例：拿回来测正常n初步电测试；验证失效数据。分功能参数测试和非功能，前者对全部电参数进行测试，后者为脚与脚之间的测试。并与同类正常器件比较，由差别估

12、计失效部位与原因。n腿与腿之间的测试，外观镜检n对管壳进行密封性检查，是否存在漏气。水汽含量的测试。n必要时进行X射线照相，以检查器件结构是否正常，有无多余物存在，也可以进行管壳内水汽含量分析，判别失效是否与水汽有关。n失效模式的分类与统计。38 根据器件的结构和封装形式，采取不同方法，确保不损伤晶片、引线等情况下，暴露芯片的表面，以便进行随后的观察和测量。nTO-5型金属管壳金属管壳,可用金属管壳开启器或机械方式打开。n双列直插式陶瓷封装陶瓷封装，将样品底座夹紧，在盖板密封处放一刀片，小心轻敲刀片，直到盖板逐步松开、分离。也可对封接处用锉刀或砂纸研磨，待磨薄后或出现小孔时，用尖针插入，将盖板

13、撬起。n塑封器件：塑封器件： 使用发烟硝酸(7080)或硫酸(200250)溶解，去离子水洗净，无水乙醇脱水。 利用氧等离子体进行干法腐蚀，将环氧树脂裂解变成粉末。开封：开封：39集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：40集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术： 在集成电路的反向设计和失效分析中，封装需要部分打开或全部打开。在失效分析中的大多数情况下，应对集成电路进行部分打开，外引线则被完整地保留下来这样我们就可以IC加电工作，同时又不影响在显微镜下观察管芯。在失效分析时采用液晶热记录仪或热电子分析仪定位IC芯片的缺陷都需先将电路 封装部分打开。对于陶瓷管壳来说，部分打开比较

14、容易,而对于塑料封装，则要复杂得多，常常需要使用多种腐蚀方法才能达到目的。1.1.引言引言41集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：2.1移去被焊接好的金属帽 带有金属帽的陶瓷封装可以通过解焊金属帽打开封装(软焊料250,硬焊350)用于解脱管芯合金的设备对此很适合。 另一种简单而又常用的方法是通过在金属盖和陶瓷之间插入硬刀片或薄凿子,金属盖一旦跷起一点整个盖子便很容易脱下。这种方法不仅操作 简单而且不会引入热应力;但应注意这种方法有破坏管壳的危险。如果这一危险性是不可接受的,那么采用在金钢磨盘上磨掉管帽可以得到期望的结果,但是这一过程是相当耗时的。2.2.42集成电路封装的打开技术

15、：集成电路封装的打开技术：2.2移去粘在一起的陶瓷盖 有些封装(如PGA)常常通过粘合陶瓷盖来密封电路，这可以将IC放入发烟硝酸中蒸煮分解环氧树脂的粘附而移去肉瓷盖由于粘附强度不同这一过程常常需要几个小时并辅助以锤子和锋利的凿子，用力机械地 移去盖子则是一种既快又无侵蚀性的方法，但是粘附剂首先必须加热软化。 这里有一个技巧问题,就是仅加热盖帽(至550600) 而保持封装和管芯尽可能地冷。 .2.2.43集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术： 当前许多IC封装都采用塑封,因此打开塑封IC的技术是一种常用技术。IC用的塑封料大多是高聚合(硬化)环氧树脂或有机硅，只有用化学方法才能剥开封

16、装。此法带有腐蚀性，常采用发烟硝酸和浓硫酸。其它化学品,如碱性溶液和有机溶剂的混合物对胺硬化的酚醛环 氧树脂 (目前使用较广)有一定的作用。它们还可以用来腐蚀特殊的物质或用来移去保护层。44集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：45集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：46集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：47集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：48集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：49集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：50集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：51集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术

17、：52集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：53集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：54集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：55集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术： 子中，并浸入热酸中反应时间依赖于塑封材料的多少和它的硬度，正常情况下为3-7分钟。对于相当大的封装器件，可以先用金刚锯将多余部分锯掉，这样既保证了网篮有足够的空间盛放IC，又可以避免大量塑封树脂不必要的分解。 完全暴露的芯片用与部分打开封装相同的方法清洗和吹干。先用丙酮喷洗，再将盛芯片的篮子依次浸入丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗( 各5-10秒钟 )。超声在很大程度上保证了清洗效果，

18、因此这一步是必不。残余的键合金丝可以在立体显微镜处理下用镊子拉掉，以方便后面进一步的分析。 在有银存在的情况下，有时也能观察到枝蔓状晶体的生长。56集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术： 另一种快速全部打开塑封的方法是将塑封 IC放在热板电炉上加热，热至约400时，将 它放在一种特殊的台钳之间，使得台钳的两 边刀刃一边对准IC上半边封装树脂，另一边 对准其下半边封装树脂,然后用力夹割便可使塑封IC上下两半分开。如果塑封粘附很牢，则 有可能损坏管芯。但如果芯片上面有一层有机硅或聚酞亚胺涂层，那么裂解是非常可靠的。 这种方法的主要优点除节省时间外，还有 在开封过程中管芯不会受化学侵蚀,因

19、此可以 获得有关芯片表面可能腐蚀的准确情况。当怀 疑IC芯片表面被腐蚀失效时，常采用这种方法。3.43.4机械方法全部打开塑封机械方法全部打开塑封57集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术： 在封装之前半导体IC经常用塑料涂层覆盖芯片，这种涂层有以下几个作用：保护芯片免受机械力(如：封装热张力)影响;接触孔的机械稳定性防止化学侵蚀 ;对于存储器可以起屏蔽射线的作用。 有机硅和聚酞亚胺因其带有不同的化学结构，可以适应特殊应用而成为涂层常选用材料。一般的工艺是将涂层材料在没有硬化的状态下滴到完好合格的管芯上并经硬化处理。涂层厚为20-400m不等。亚胺材料也可以在光刻以后沉淀在芯片表面并且

20、硬化处理。 这些塑料都是高度聚合的，因此通常本质上是不溶解的，象封装用化合物一样，只能用化学方法分解，或者通过适当溶剂的延伸行为引起塑料膨，膨胀物可以通过机械方法移去(例如:反复运用超声 )。3.53.5去掉保护层去掉保护层58集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术： 市场上虽有许多化学物品，但是用来移去徐层材料的大多 数是几种试剂的混合物。各种混合物的作用是不同的,应根据实验进行选择。由于涂层硬度对腐蚀过程起着重要的作用。所以本文仅给出总的指标。(1)去掉聚酷亚胺 下面列出的方法适合于移去聚酞亚胺涂层。由于这些方法 都需要在高温下进行，因此务必在通风柜中操作。将几种方法介绍如下：14

21、0下, 在乙二胺中煮15-60分钟。 .120-1 30下在乙二胺与醋酸的混合物(体积比为31)中煮1030分钟(开始时必须小心地慢慢倒入混合物并搅拌之)。90下在一水氧化肼(80%)和乙二胺的混合物(体积比7：3)中煮1020分钟。用发烟硝酸处理。当塑封树脂在发烟硝酸中被分解时,任何存在的聚酰亚胺同时被去掉，只是在腐蚀之后要移去亚胺残余物。3.53.5去掉保护层去掉保护层59集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术：(2)去掉有机硅 根据其化学组成有机硅也是可以被除去的。若 是胶状有机硅则用异丙醇即可。如果已经固化， 并牢固地粘合，可采用长时间软化或在下列几种 特殊溶剂中反复煮就可得到

22、预期的效果。四甲基胍140，20-30分钟。胆碱溶液，60。 90%的n-butylamine和5%的oleieacid的混合物70-8 0，6.0分钟。3.53.5去掉保护层去掉保护层60集成电路封装的打开技术：集成电路封装的打开技术： 集成电路封装的打开技术是IC设计和失效分析中必不可少的设计和分析人员若能熟练地掌握这些技术，则对开展和进行工作非常有利。上面所提到的许多化学物品对人体是有害的，并且多是易燃物品。因此，在进行操作时，必须遵守有关安全规则。由于热酸和硝酸有强腐蚀性，操作要特别小心。另外废液处理也应符合有关规定。4.4.结束语结束语61开封后：开封后： n内部镜检内部镜检 用立体

23、或金相显微镜检查芯片，确认内部材料、设计、结构、工艺上是否有误用、缺陷、或异常情况，是否有烧毁、腐蚀迹象，链合丝的形状、尺寸、位置是否正确，芯片有无裂纹、外来异物，颜色是否正常，特别要观察失效部位的形状、尺寸、大小、颜色、结构等。必要时要进行照相纪录。n电学测试电学测试 与开封前测试结果加以比较，是否有改变，管壳内是否有水汽的影响。进一步可将表面氧化层、铝条去掉，用机械探针扎在有关节点上进行静态(动态)测试、判断被隔离部分是否性能正常，分析失效原因。内部节点测试，内部探针确定失效部位；扫描电镜分析（必要时）；去铝、去SiO2、去钝化层；各种涂层或薄膜可用不同方法去除(对芯片表面涂层可用化学法腐

24、蚀去除；钝化层可用氖等离子腐蚀，对SiO2及PSG层也可用稀氢氟酸腐蚀等；铝层 用激光束切断，或用稀硫酸（盐酸）溶去。)。62开封后：开封后： n断面观察断面观察 芯片剖面分析（磨角染色）对失效可疑部位如PN结、芯片断面、管壳封接处等，可取下相关部分浇入石蜡或塑料中，制成磨片。对磨片经过研磨、抛光、腐蚀及染色等步骤，将观察目标暴露出来，在金相显微镜下观察、拍照。n必要时进行微区表面分析。必要时进行微区表面分析。 n有关物质或材料的成分分析。有关物质或材料的成分分析。63芯片表面质量缺陷判定标准芯片表面质量缺陷判定标准： n芯片是一个由许多用肉眼看不见的微小的电容、电阻、晶体管等多种等效器件组成

25、并由细微线路连接形成的具有一定功能的电器元件。 按照芯片表面可观图形分为四大部分边缘无图区：由绝缘材料制造与相邻芯片形成隔离的区域；压焊区：由一个个正方形高纯铝制成，用于与其他电器元件连接的区域；线路区：由许多微小器件组成并由细微线路连接压焊区的区域;钝化层：是芯片表面的一层保护膜，整个芯片除压焊区外其余都被保护膜所覆盖。 64芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺陷的示例： n红点n边缘缺陷n崩边n残骸（多边）n黑痣n线路区缺陷n压焊区缺陷65芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺陷的示例：n红点红点66芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺陷的示例：n红点67芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺

26、陷的示例：n边缘缺陷：是在划片、裂片或其他制造过程中造成的废品，主要有如下四种。 划偏：由于切割机刀片偏离正确方向，伤及到压焊区或线路区的，判为废品。（图2）68芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺陷的示例：n崩边：主要由于芯片切割深度不够，从而在裂片工序造成的芯片边缘崩缺，触及到芯片的保护环、压焊区或线路区，判为废品。（图3）69芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺陷的示例：n残骸（多边）：一粒完整的芯片附带有另一粒芯片的一部分，判为废品。（图4）70芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺陷的示例：n黑痣：制造商在大圆片边缘刻上字母做标记，当该标记进入芯片的有效区域内，这就形成如痣状的黑点，判

27、为废品。（图5）71芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺陷的示例：n线路区缺陷：是由于制造过程中造成的线路变形、断裂、短缺等废品。包括：“外力损伤”（探针扎偏）、“线路缺铝” 。 探针扎偏划伤 72芯片表面质量缺陷的示例芯片表面质量缺陷的示例：n压焊区缺陷：包括：“无针测点”、“沾污”等。压焊区变色 无针测点73总结总结： 整理、分析试验结果，提出分析报告。对整理、分析试验结果，提出分析报告。对失效原因作出结论，并据此提出改进、解决措失效原因作出结论，并据此提出改进、解决措施。施。我国军标GJB-883中方法5003中具体规定了失效分析程序，可以参考。74实用微电路失效分析程序实用微电路失效分析程序：n失效背景材料收集与分析样品结构，生产单位，时间，批号等失效前样品的经历（筛选 运输 工作）同类产品的主要失效模式和机理失效