电子器件失效分析及可靠应用课件

1、(最新整理)电子器件失效分析及可靠应用2021/7/261电子器件失效分析及可靠应用硬件内部培训2021/7/262电子器件失效分析及可靠应用培训培训内容1 失效分析基础2 典型失效模式（重点内容）3 典型失效机理4 器件失效分析流程5 破坏性物理分析（DPA）介绍6 静电损伤7 CMOS集成电路的闩锁效应8 如何和器件供应商交流失效分析2021/7/263电子器件失效分析及可靠应用培训培训内容9 典型失效分析案例10 各类器件的失效模式、机理和可靠性应用要点（重点内容）2021/7/264电子器件失效分析及可靠应用培训一 、失效分析基础开展电子可靠性工程的意义 仅仅依靠个人经验和责任心是无法

2、提高设计水平的，最重要的是缺乏一套完整的系统方法。 电子可靠性工程可以显著降低器件失效率以及器件失效造成的影响，是提高产品可靠性的重点，也是最容易产生效果的措施，投入一分可以获得十分的效果2021/7/265电子器件失效分析及可靠应用培训一 、失效分析基础电子可靠性工程产生的价值现状： 国内很多电子企业的产品生产一次通过率低于90，市场返修率高于5，这类企业的质量成本将会达到销售收入的15应用可靠性工程的价值提升： 据经验，年产值为1亿元，年返修率为5，直接损失500万元。据经验，失效率排在前3位的器件一般占该单板总失效率的80以上，找出这三个器件的失效原因，进行改进，则产品返修率可以在很短时

3、间内降低到1，则失效分析改进带来的直接收益为400万元2021/7/266电子器件失效分析及可靠应用培训一 、失效分析基础电子可靠性工程的主要内容电子可靠性工程选型认证设计应用加工维护失效分析 流程保障2021/7/267电子器件失效分析及可靠应用培训一 、失效分析基础通过选型认证产品物料的基本可靠性 物料选型与认证是一项产品工程，是硬件开发活动的重要组成部分。 选型认证包括的内容有： （1）确定物料的规格 （2）识别不同厂家的物料优劣 （3）对物料厂家进行认证 （4）监控物料厂家的质量波动 企业需要建立各类器件的认证规范和选型指导，提升器件选用过程的效率2021/7/268电子器件失效分析及

4、可靠应用培训一 、失效分析基础通过合理的设计方法保证应用可靠性 种可靠性设计方法 （1）可靠性预计（2）FMEA（3）可靠性指标论证、分配与冗余设计（4）电应力防护设计（5）ESD防护设计（6）容差分析（7）降额设计（8）升额设计（9）热分析和设计（10）EMC设计（11）安全设计（12）环境适应性设计（13）环境适应性设计（14）寿命与可维护性设计 国内企业应该研究和追踪业界最新的进展，建立自己的设计规范，帮助电子工程师迅速掌握这些方法并指导实践。 2021/7/269电子器件失效分析及可靠应用培训一 、失效分析基础加工维护过程中不引入对器件的损伤 在生产加工过程中，影响可靠性的最主要的因素

5、是ESD、MSD和焊点可靠性。 ESD控制不好引发的可靠性问题，往往是在产品到用户手里半年以上才会大量爆发。 2021/7/2610电子器件失效分析及可靠应用培训一 、失效分析基础通过流程保障保证可靠性 可靠性保障流程主要有三个 1）选用可靠性物料流程 包括物料选型、供应商认证流程、供应商质量控制 2）产品开发中的可靠性设计流程 3）故障数据的分析处理流程 找出异常问题，启动原因分析，找到解决措施和预防措施，使所有问题都能够闭环。2021/7/2611电子器件失效分析及可靠应用培训二、典型失效机理失效机理的定义 是指由于物理、化学、机械、电、人等原因引起产品失效的机理。失效的类型 （1）设计缺

6、陷（2）内部退化（3）表面退化（4）金属化退化（5）氧化层退化（6）键和缺陷（7）封装失效（8）应用失效2021/7/2612电子器件失效分析及可靠应用培训四、失效分析流程失效分析程序 解剖前的过程 解剖 解剖后的分析报告 编写失效分析报告 逆向分析：即从器件的失效模式和机理中推测器件的主要失效原因 正向分析：即从检视器件应用是否正确的角度分析。2021/7/2613电子器件失效分析及可靠应用培训五、破坏性物理分析（DPA）介绍DPA的含义 是判断电子器件质量好坏的有效方法。该法是在成品元器件中随机抽取适当样品进行解剖分析，在物理解剖的各个阶段都应进行系统、合理、详细的检查和分析。DPA的方法

7、外部目检 X射线照相 密封 内部水汽分析 基线结构扫描电境等2021/7/2614电子器件失效分析及可靠应用培训六、静电损伤器件的ESD失效现象和机理 (1）热溶化（2）介质击穿（3）ESD引发的EOS器件的ESD失效特征（1）隐蔽性：人体感知的静电放电电压23KV（2）潜在性：损伤后性能没有明显的下降（3）复杂性：分析困难，掩盖了失效的真正原因（4）随机性：从一个元件产生以后，一直到它失效以前的所有过程2021/7/2615电子器件失效分析及可靠应用培训六、静电损伤器件的ESD失效表象1）10的器件会立即失效 90的器件则是引入潜在性损伤，抗过电应力的能力被减弱，在使用现场容易出现早期失效。

8、2）是一种偶然事件，一般讲是与时间无关的，不能通过老化方法加以剔除2021/7/2616电子器件失效分析及可靠应用培训六、静电损伤半导体器件ESD失效原因1）半导体器件的静电放电2）集成电路内部的ESD保护电路。常见的CMOS器件内部电应力保护电路单元有：电阻、二极管、MOS管等。器件内部的电应力保护网络通常由这几个保护电路单元的一种或者2021/7/2617电子器件失效分析及可靠应用培训六、静电损伤静电放电损伤的预防措施1）选用ESD等级高的器件2）设计中的静电防护措施，布局、端口保护网络3）器件使用中的防静电措施。例如在生产、测试、试验、运输4）人员培训，加强ESD管理2021/7/261

9、8电子器件失效分析及可靠应用培训六、静电损伤ESD防护设计流程ESD防护需求（整机、单板、接口等）器件认证时必须认证ESD等级（2KV)ESD防护设计（电路、工艺、结构等是否满足要求？ESD测试（整机、单板、接口等）通过NOYES2021/7/2619电子器件失效分析及可靠应用培训六、静电损伤ESD测试的国际标准IEC 6100042 是最基本的静电EMC标准1）被欧盟立法强制要求所有进入欧盟的产品必须符合该标准2）它制定的等级、测试方法和测试程序都比较合理2021/7/2620电子器件失效分析及可靠应用培训六、静电损伤系统ESD测试及其标准 大多数产品和通用标准一般都要求 空气放电测试达到8

10、KV 接触放电测试达到4KV一些医疗设备要求空气放电8KV和接触放电6KV2021/7/2621电子器件失效分析及可靠应用培训六、静电损伤生产现场ESD控制标准1）器件在生产、测试、试验、运输、和使用现场必须采取有效措施以消除静电的产生和积累2）控制标准按照美国国家标准ANSI/ESD S20.20. Standard for the development of an ESD control program2021/7/2622电子器件失效分析及可靠应用培训七 、CMOS集成电路的闩锁效应何谓闩锁效应 CMOSIC存在一种特殊的（也是主要的）失效机理闩锁效应。所谓闩锁（Latchup)是指C

11、MOS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大电流通路的现象闩锁的表现 器件烧坏和发热严重 2021/7/2623电子器件失效分析及可靠应用培训七 、CMOS集成电路的闩锁效应闩锁产生的条件 过压或过流 很大的di/dt或dv/dt 瞬变电应力，如ESD、浪涌等测试闩锁的触发电流/电压从 IO管脚：正电流Inorm+100mA or 1.5XInorm 负电流100mA or -0.5XInorm从电源脚:1.5XVmax 2021/7/2624电子器件失效分析及可靠应用培训八、如何和供应商交流失效分析原则1：提供器件的失效分析是器件供应商的责任原则2：器件供应商的失效分析报

12、告必须符合8D规则，提供详细的分析过程、照片、结论和改进措施原则3：器件供应商的失效分析报告必须客观、公正和清晰原则4：有必要和器件供应上的失效分析人员进行直接的交流2021/7/2625电子器件失效分析及可靠应用培训九、典型失效分析案例案例1：大电流导致器件金属溶化 某产品在用户现场频频出现失效，经过对返修单板进行分析，发现大部分返修单板均是某接口器件失效，对器件进行解剖后，发现由于EOS导致内部铝线融化，导致器件失效，该EOS能量较大。进一步分析该电路，发现该电路设计不当，没有采用保护电路，在用户现场带电插拔产生的电浪涌导致该器件失效。 解决方法：在用户手册中强调该产品不支持带电插拔 预防

13、措施：在今后的设计中，考虑用户的使用习惯，增加防护电路设计，对产品进行热插拔设计 Checklist: 接口器件优选带热插拔功能，设计时是否进行防护设计2021/7/2626电子器件失效分析及可靠应用培训九、典型失效分析案例案例2：金丝疲劳断裂 现象： 某产品在用户现场使用半年以后，返修率惊人，达到30，对产品进行分析，对主要失效器件进行失效分析，在扫描电镜下发现金属丝疲劳断裂导致器件失效。进一步分析，发现是该产品的生产加工控制出了问题，导致受潮器件没有按照规定时间进行高温烘烤，在过回流焊时出现“爆米花”效应，导致在用户现场器件失效。解决措施：对用户现场的所有问题的批次产品进行招回预防措施：在

14、生产加工过程中严格进行MSD的管理和控制Checklist: 不得选用MSL在5级以上的器件2021/7/2627电子器件失效分析及可靠应用培训九、典型失效分析案例案例3：电迁移导致器件长期可靠性下降 某产品在用户现场使用3年以后，返修率开始出现明显异常，进行失效分析发现，主要是某功率器件内部电迁移引起。该问题属于器件厂家的设计和制造缺陷解决措施：和厂家联系，确定有问题的批次，更换有问题批次的器件预防措施：对器件可靠性认证体系重新进行设计，减少厂家批次性问题的发生。Checklist:对器件可靠性认证体系重新进行设计，减少厂家批次性问题的发生2021/7/2628电子器件失效分析及可靠应用培训

15、十 各类器件的失效模式、机理和可靠性应用要点器件失效的根本原因 器件强度必须超过器件环境应力，以保证器件正常运行。然而，强度和应力是两个随机变量，总是存在一个应力大于强度的较小区域。在图中表示为两个曲线交叉的区域。交叉区域越大，器件发生失效的几率越大2021/7/2629电子器件失效分析及可靠应用培训十 各类器件的失效模式、机理和可靠性应用要点器件可靠性应用的基本方法：降额降额（Derating):元件使用中承受的应力低于其额定值，以达到延缓其参数退化，提高使用可靠性的目的。额定值(Rating)：元器件允许的最大使用应力值，一般器件手册中都有明确的规定。应力(Stress):影响元器件失效率

16、的电、热等负载，典型的过应力有：温度、浪涌、ESD、噪声和辐射应力应力比(Stress ration):元器件的工作应力与额定应力之比，应力比又称做降额因子。 2021/7/2630电子器件失效分析及可靠应用培训十 各类器件的失效模式、机理和可靠性应用要点降额理论 四个基本的降额方法是：增加平均强度（该方法在尺寸和重量的增加不会引起其它问题的情况下是很有效的）减小平均应力（在不影响器件功能的情况下减小应力不失为一个好的方法）减小应力的方差（变化是很难控制的，但是控制限定外部使用条件则较容易达到）减小强度的方差（对器件工艺的严格控制或测试来消除缺陷和容限的差异变动）2021/7/2631电子器件失效分析及可靠应用培训十 各类器件的失效模式、机理和可靠性应用要点器件失效的主要应力晶体管二极管齐纳二极管数字IC线性IC电阻电容电感继电器温度老化寿命辐射机械应力潮湿存储寿命真空环境2021/7/2632电子器件失效分析及可靠应用培训十 各类器件的失效模式、机理和可靠性应用要点器件降额等级 目前有多个降额标准，如美军标、JPL、RAC、国军标，