可靠性测试与效应分析

可靠性测试与效应分析第一页，共68页。2022/10/312可靠性测试与失效分析可靠性的基本概念第二页，共68页。2022/10/313可靠性测试与失效分析前言

1.前言

质量（Quality）与可靠性（Reliability）是IC产品的生命，良好的品质及使用的耐力是一颗优秀IC产品的竞争力所在。在做产品验证时我们往往会遇到三个问题，验证什么，如何去验证，以及哪里去验证，验证后的结果分析(Failureanalysis),如何进行提高(Improvement).如果解决了这些问题，质量和可靠性就有了保证，制造商才可以大量地将产品推向市场，客户才会放心地使用产品。本文中将介绍可靠性的定义,测试方法和标准,失效机理以及失效分析方法。第三页，共68页。2022/10/314可靠性测试与失效分析质量与可靠性2.质量与可靠性质量是一组固有特性满足要求的程度

质量是对满足程度的描述，满足要求的程度的高低反映为质量的好坏，在比较质量的优劣时，应当注意在同一等级上进行比较。可靠性:产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力可靠性的概率度量称可靠度(即完成规定功能的概率)。产品或产品的一部分不能或将不能完成规定功能(Spec)的事件或状态称故障，对电子元器件来说亦称失效。

第四页，共68页。2022/10/315可靠性测试与失效分析质量与可靠性质量与可靠性的相关性质量提高，器件的一致性变好(如参数分布等)器件的一致性更好，可靠性则更均匀(uniform)。质量缺陷的问题被解决，则该缺陷引起的可靠性失效则不会发生。更进一步说，高质量等于高可靠性。

第五页，共68页。2022/10/316可靠性测试与失效分析可靠性试验

3.可靠性试验

可靠性试验是评估产品一定时间内可靠性水平,暴露存在的问题。规定条件—环境条件(温度/湿度/振动等)，负载大小，工作方式等。规定时间—随时间推移，产品可靠度下降。规定功能—所有功能和技术指标。可靠性是设计并制作在产品内的，而不是试验出来的。可靠性试验只能降低用户的风险。新的可靠性评估方法是改评估产品为评估生产线，相信合格的生产线能把可靠性做到产品中去。第六页，共68页。2022/10/317可靠性测试与失效分析失效率4.失效率(Failurerate)

失效率是可靠性测试中最关键的参数。

失效率某时刻尚未失效的器件继续工作下去时在单位时间内失效的几率。通常以FIT（FailureInTime）作单位，1FIT=10亿个产品1小时内失效1个或1000小时内1ppm的失效率。失效率的倒数表示两个失效之间的间隔时间，即MTBF（MeanTimeBetweenFailure）。第七页，共68页。2022/10/318可靠性测试与失效分析失效率

例有100块IC，在1000小时内失效5块，在1000～1010小时失效38块，求t＝1000，和t＝1010h的失效率的估计值？

λ(0）＝5/1000(100-0)=5×10－5/h＝50000Fit

λ(1000)＝38/(1010-1000)(100-5)＝0.4%h－1第八页，共68页。2022/10/319可靠性测试与失效分析失效率失效率曲线示意图(Bathtubcurve)TimeFailureRateInfantMortalityProductLifeTimeWearOutCommercial 5yearsIndustrial 10yearsAutomotive 10-20yearsCustom Various随机失效早期失效有用寿命期磨损失效第九页，共68页。2022/10/3110可靠性测试与失效分析失效率早期失效：产品本身存在的缺陷（设计缺陷/工艺缺陷）造成，改进设计/材料/工艺的质量管理，可明显改善早期失效率偶然失效：失效率低且稳定，不当应用是失效主要原因耗损失效：磨损、老化、疲劳等引起产品性能恶化。如缓慢的化学变化使材料退化，压焊点氧化等第十页，共68页。2022/10/3111可靠性测试与失效分析失效率TierTypicalApplicationUse-TimePower-OnHoursExamplesofTypicalApplicationsCommercial5yearsParttimePC’s,consumerelectronics,portabletelecomproducts,PDA’s,etc.Industrial10yearsParttime/FulltimeInstalledtelecomequipment,workstations,servers,warehouseequipment,etc.Automotive10-20yearsParttime/Fulltime“underthehood”,drivetraincontrol,orsafetyequipmentCustomVariousParttime/FulltimeApplicationswithspecificcustomerrequirements第十一页，共68页。2022/10/3112可靠性测试与失效分析失效机理5.失效机理热效应 金线热疲劳而断开、塑封体裂纹引起密封性失效、粘片层空洞引起热阻增大、钝化层开裂、芯片开裂、铝再结构造成开/短路、键合处出现紫斑开路等化学效应 引脚腐蚀、塑封/界面/裂纹吸湿引起铝线腐蚀/键合区电化学腐蚀、水汽带入的离子引起漏电、塑封体中的杂质离子引起漏电等电效应 强电场导致栅氧击穿/MOS电容击穿、大电流发热导致多晶电阻烧毁/PN结区硅烧熔/金属间电弧/铝烧熔/塑封碳化等。机械应力 振动、加速度、应力等第十二页，共68页。2022/10/3113可靠性测试与失效分析抽样数和可接受失效数6.抽样数和可接受失效数抽样数和可接受失效数由可接受的产品不合格质量水平及可信度推算。通常的抽样77pcs允许1pc失效对应的可接受不合格质量水平的不合格率为5%/1000hrs(50ppm)第十三页，共68页。2022/10/3114可靠性测试与失效分析可靠性测试第十四页，共68页。2022/10/3115可靠性测试与失效分析可靠性工程师工作内容

1.可靠性工程师工作内容样品准备可靠性测试失效分析数据处理与归档第十五页，共68页。2022/10/3116可靠性测试与失效分析试验种类2.试验种类环境试验 温度循环/冲击、高压蒸煮、加速湿热、盐雾、耐焊接热、高温储存寿命试验 早期失效率、动态/静态/间歇高温寿命试验机械试验 振动/冲击、加速度、可焊性、键合强度ESD/Latch-up测试第十六页，共68页。2022/10/3117可靠性测试与失效分析可靠性测试计算工作3.可靠性测试计算工作可靠性试验参照标准加速试验加速因子的计算加速环境应力与失效机理的对应关系工艺/封装/设计变动与可靠性试验选择样品数量/批次的选择第十七页，共68页。2022/10/3118可靠性测试与失效分析高温工作寿命4.圆片工艺相关的可靠性试验§4.1高温工作寿命(HTOL/Burn-in)

目的：考核产品在规定条件下全工作时间内的可靠性，发现热/电压加速失效机理，预估长期工作的失效率。条件：125oC（或使结温等于额定值），Vddmax,168hrs（消除早期失效元件，把元件带到随机失效区）1000hrs（进入有用寿命期，试验时间长短对应有用寿命期长短）。失效机理：高温下芯片表面和内部的杂质加速反应，缺陷进一步生长，使器件性能退化。可动离子富集导致的表面沟道漏电，结特性退化，电场加速介质击穿，高温加速电迁移等。

对大功率器件，可采用常温功率负荷的方式使结温达到额定值。检验电迁移问题，采用大电流高温加速。第十八页，共68页。2022/10/3119可靠性测试与失效分析高温工作寿命早期失效实例第十九页，共68页。2022/10/3120可靠性测试与失效分析高温工作寿命ConfidenceLevel=60%,Samplesize=77,Failureallowed:1,Ea=0.7eV125℃→55℃

150℃→55℃

TestTimeFailureRateLifeTtmeTestTimeFailureRateLifeTtme168hours2020FIT0.7years168hours599FIT2years500hours674FIT2years500hours201FIT7years1000hours337FIT4years1000hours100FIT14years2000hours169FIT8years2000hours50FIT28years第二十页，共68页。2022/10/3121可靠性测试与失效分析高温储存§4.2高温储存(HTST)

目的：考核无电应力情况下，长期高温存储对产品的影响。条件：150oC，1000hrs。失效机理：因扩散导致硅铝共熔形成硅化物而使接触电阻增大直致开路、金铝键合因形成合金而退化（紫斑）、高温下钛阻挡层缺陷、塑封料高温下加速老化导致绝缘/防护性能劣化或释放杂质、表面沾污高温下加速腐蚀。

现在的半导体器件稳定性已很高，该试验已不足以暴露问题。第二十一页，共68页。2022/10/3122可靠性测试与失效分析表面贴装器件的预处理5.封装可靠性试验§5.1表面贴装器件的预处理（Precondition）目的：模拟表面贴装器件被运输/储存/再流焊到PCB上的过程条件：T/C(-40oC~60oC，5cycles，模拟空运)→Bake（125oC，24hrs，去除湿气)→MoistureSoak（模拟打开防潮包装后的储存，条件由MSL定，1:85oC/85%RH，168hrs；2:85oC/60%RH，168hrs）→Reflow(3cycle，模拟回流焊，条件与是否无铅工艺/塑封大小有关)→ET/SAT失效机理：因富集在塑封体内各界面的水汽在表贴过程中迅速膨胀及材料的不匹配而导致界面分层或塑封体开裂，影响产品可靠性，严重时可导致开路。第二十二页，共68页。2022/10/3123可靠性测试与失效分析表面贴装器件的预处理第二十三页，共68页。2022/10/3124可靠性测试与失效分析表面贴装器件的预处理第二十四页，共68页。2022/10/3125可靠性测试与失效分析温度循环/冲击第二十五页，共68页。2022/10/3126可靠性测试与失效分析温度循环/冲击§5.2温度循环/冲击（T/C，T/S）目的：模拟环境温度变化或开关机造成的温度变化，考核温度交替变化对产品机械/电性能的影响，暴露粘片/键合/塑封等封装工艺/材料缺陷，及金属化/钝化等圆片工艺问题。条件：-65oC~150oC,气体-气体,15min-50sec-15min,100/500cycle,液体--液体（碳氟化物）,5min-3sec-5min（热冲击）。失效机理：不同材料间热膨胀系数差异造成界面热匹配问题，造成金线断裂、键合脱落（开路）、塑封开裂（密封性失效）、界面分层（热阻增大）、铝线再结构（开短路）、钝化层开裂、硅铝接触开路、芯片背面划痕继续长大导致芯片开裂。第二十六页，共68页。2022/10/3127可靠性测试与失效分析温度循环/冲击第二十七页，共68页。2022/10/3128可靠性测试与失效分析高温蒸煮§5.2高温蒸煮(PCT/PTH/Autoclave)

目的：检验器件抵抗水汽侵入及腐蚀的能力，不包括外部腐蚀。条件：

121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs。失效机理：湿气通过塑封体及各界面被吸入并到达芯片表面,在键合区形成原电池而加速铝的腐蚀。另外，水汽带入的杂质在器件表面形成漏电通道。

试验后因管脚腐蚀引起的开路或塑封体表面漏电等失效不计。第二十八页，共68页。2022/10/3129可靠性测试与失效分析高温蒸煮LEADRESINMATERIALCHIPINTERNALWIREPENETRATIONTHROUGHTHERESINMATERIALINTERFACEPENETRATIONPenetrationpathsofwaterintoaplasticencapsulatedIC第二十九页，共68页。2022/10/3130可靠性测试与失效分析高温蒸煮第三十页，共68页。2022/10/3131可靠性测试与失效分析高温高湿电加速§5.3高温高湿电加速（THB/HAST）目的：模拟非密封器件在高温高湿环境下工作，检验塑封产品抗水汽侵入并腐蚀的能力。条件：THB85oC/85%RH，Vccmaxstaticbias，1000hrsHAST130oC/85%RH/2atm，Vccmaxbias，100hrs。失效机理：相对高压蒸煮，偏置电压在潮湿的芯片表面加速了铝线及键合区的电化学腐蚀。同时，水汽带入的杂质及塑封体内的杂质在电应力作用下富集在键合区附近和塑封体内引脚之间而形成漏电通道。

24hrsHAST≈1000hrsTHB。

如果在HAST试验中出现正常工作中不可能出现的失效机理（如塑封体内部的分离），则认为HAST加速条件过于严酷而失去有效性。第三十一页，共68页。2022/10/3132可靠性测试与失效分析栓锁触发试验6.线路设计相关的可靠性试验§6.1栓锁触发试验（Latch-up）目的：检验产品触发栓锁的阀值条件。条件：尽量让器件处于最坏工作条件下，从各引脚输入大电压或电流作为触发源，检查撤去触发源后电源电流判断是否发生栓锁。失效机理：内部寄生的双极正反馈结构在大电应力或瞬变电应力下被激发，导致电源电流无限增大（近似电源与地短路），触发源撤去后，寄生正反馈结构仍在工作，直致电源撤去或电路被烧毁。第三十二页，共68页。2022/10/3133可靠性测试与失效分析静电放电试验§6.2静电放电试验（ESD）目的：检验产品承受静电放电的能力。条件：模拟人体/设备/器件放电的电流波形，按规定的组合及顺序对器件各引出端放电。失效机理：强电场导致栅氧击穿/MOS电容击穿、大电流发热导致多晶电阻烧毁/PN结区硅烧熔/金属间电弧等.在高环境温度下，热致失效所需的静电能量越低。另有潜在性失效，使器件抗静电能力下降，寿命缩短，而实际使用中出现的静电失效大多为潜在性失效。第三十三页，共68页。2022/10/3134可靠性测试与失效分析静电放电试验第三十四页，共68页。2022/10/3135可靠性测试与失效分析静电放电试验第三十五页，共68页。2022/10/3136可靠性测试与失效分析失效分析第三十六页，共68页。2022/10/3137可靠性测试与失效分析失效分析基本概念

1.失效分析基本概念目的：确定失效模式和失效机理，提出纠正措施，防止这种失效模式和失效机理重复出现。失效模式：指观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能失效等。失效机理：指失效的物理化学过程，如疲劳、腐蚀和过应力等。第三十七页，共68页。2022/10/3138可靠性测试与失效分析失效原因§1.1失效原因引起开路失效的主要原因：过电损伤、静电击穿、金属电迁移、金属的化学腐蚀、压焊点脱落、闩锁效应。其中淀积Al时提高硅片的温度可以提高Al原子的晶块体积，可以改善电迁移。VI闩锁效应电源对地的I－V曲线第三十八页，共68页。2022/10/3139可靠性测试与失效分析失效原因引起漏电和短路失效的主要原因：颗粒引发短路、介质击穿、PN结微等离子击穿、Si－Al互溶。Al穿钉VIVI正常PN结反向曲线微等离子击穿PN结反向曲线第三十九页，共68页。2022/10/3140可靠性测试与失效分析失效原因引起参数漂移的主要原因：封装内水汽凝结、介质的离子粘污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤。

例：

Pad点处无钝化层，有水汽的话，会导致短路，水汽蒸发后又恢复绝缘性，表现为工作时参数不稳定。第四十页，共68页。2022/10/3141可靠性测试与失效分析失效物理模型§1.2失效物理模型应力－强度模型（适于瞬间失效）

失效原因：应力>强度

例如：过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（Latchup）等。应力－时间模型（适于缓慢退化）失效原因：应力的时间积累效应，特性变化超差。例如：金属电迁移、腐蚀、热疲劳等。第四十一页，共68页。2022/10/3142可靠性测试与失效分析失效物理模型温度应力－时间模型应速度符合下面的规律：（M是温度敏感参数，E是与失效机理有关的激活能）（﹡十度法则：从室温开始，每提高10度，寿命减半）BlnL产品平均寿命的估算第四十二页，共68页。2022/10/3143可靠性测试与失效分析失效分析一般程序§1.3失效分析一般程序收集失效现场数据电学测量测并确定失效模式非破坏性分析打开封装镜检通电激励芯片失效定位对失效部位进行物理、化学分析综合分析，确定失效原因，提出纠正措施第四十三页，共68页。2022/10/3144可靠性测试与失效分析收集失效现场数据2.收集失效现场数据应力类型与元器件失效模式或机理的关系举例第四十四页，共68页。2022/10/3145可靠性测试与失效分析收集失效现场数据

收集失效现场数据的主要内容:

失效环境、失效应力、失效发生期以及失效样品在失效前后的电测试结果。失效环境包括：温度、湿度、电源环境、元器件在电路图上的位置和所受电偏置的情况。失效应力包括：电应力、温度应力、机械应力、气候应力和辐射应力。失效发生期包括：失效样品的经历、失效时间处于早期失效、随机失效或磨损失效。第四十五页，共68页。2022/10/3146可靠性测试与失效分析电学测量3.电学测量电子元器件的电测失效分类：连接性失效（开路、短路、电阻变化等）多数是ESD和EOS引起的，比例大概50％。电参数失效（值超出范围和参数不稳定）例如：电流增益、光电流、暗电流等。功能失效（给定输入信号，输出异常)第四十六页，共68页。2022/10/3147可靠性测试与失效分析电学测量431功能失效Ref-Anode电流偏大第四十七页，共68页。2022/10/3148可靠性测试与失效分析电学测量电测的重要结论电测失效模式可能多种模式共存。一般只有一个主要失效模式，该失效模式可能引发其他失效模式。连接性失效，电参数失效和功能失效呈递增趋势，功能失效和电参数失效时常可以归结于连接性失效。在缺少复杂功能测试设备时，有可能用简单的连接性测试和参数测试，结合物理失效分析技术，仍然可以获得令人满意的失效分析结果第四十八页，共68页。2022/10/3149可靠性测试与失效分析电学测量

从第46页的测试曲线可以看出，电路的大管子应该有损伤(Cathode-Anode)。但同时也伴随Ref-Anode电流变大的现象。REFAnodeCathode

左图是开盖后看到的结果，与上面的猜测相符。输出管击穿是各种失效模式的原因。第四十九页，共68页。2022/10/3150可靠性测试与失效分析无损分析技术4.无损失效分析技术不必打开封装对样品进行失效定位和失效分析的技术。X射线透视技术反射式扫描声学显微技术（C－SAM）名称应用优势主要原理X射线透视技术(X-Ray)以低密度区为背景，观察材料的高密度区的密度异常点（主要用来判定引线断裂）透视X光被样品局部吸收后成像的异常反射式扫描声学显微术（C－SAM）以高密度区为背景，观察材料内部空隙或低密度区（主要用来判定封装内的空隙和芯片粘接失效）超声波（5－100MHz)遇空隙受阻反射第五十页，共68页。2022/10/3151可靠性测试与失效分析无损分析技术红色区域为芯片与L/F之间有空隙X-rayC-SAM第五十一页，共68页。2022/10/3152可靠性测试与失效分析光学显微镜和扫描电子显微镜5.失效定位技术§5.1光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)第五十二页，共68页。2022/10/3153可靠性测试与失效分析光学显微镜和扫描电子显微镜

光学显微镜SEM第五十三页，共68页。2022/10/3154可靠性测试与失效分析显微红外热像分析技术§5.2显微红外热像分析技术测试原理：芯片通电过程中会发热，由于芯片各部位电流强度不同，导致芯片表面温度不同，红外热像仪扫描整个芯片，可以获得芯片温度分布图。输出图的颜色对应该点的温度。仪器性能指标：热分辨率0.1℃,空间分辨率5um，测温范围30℃～550℃,最灵敏温度范围80℃～180℃。第五十四页，共68页。2022/10/3155可靠性测试与失效分析显微红外热像分析技术第五十五页，共68页。2022/10/3156可靠性测试与失效分析液晶热点检测技术§5.3液晶热点检测技术液晶是一种既具有液体的流动性，又具有晶体各向异性的物质。具有一个独特性质，当温度高于某一临界温度Tc时，就会变成各向同性。灵敏区温度各向同性各向异性临界温度第五十六页，共68页。2022/10/3157可靠性测试与失效分析液晶热点检测技术

该技术存在的缺点是电流检测灵敏度不高，需要mA级电流第五十七页，共68页。2022/10/3158可靠性测试与失效分析光辐射显微分析§5.4光辐射显微分析(PEM)原理：半导体许多缺陷类型在特定电应力下会产生漏电，并伴随电子跃迁而导致光辐射。操作方法：首先，在外部光源下对制品进行数码照相。然后对此局部加偏压(直流偏压或信号)，并在不透光的暗箱中进行微光照相。最后两相片叠加。适用范围：漏电结、接触尖峰、氧化缺陷、栅针孔、静电放电（ESD）损伤、闩锁效应（Latchup）、热载流子、饱和晶体管及开关管等第五十八页，共68页。2022/10/3159可靠性测试与失效分析光辐射显微分析缺点：有些光辐射是正常的器件，如饱和晶体管，正偏二极管等。有些很明显的失效并不产生光辐射，如欧姆型短路等。还有些缺陷虽产生辐射，但由于在器件的深层或被上层物质遮挡，无法探测优点：操作简单、方便，可以探测到半导体器件中的多种缺陷和机理引起的退化和失效，尤其在失效定位方面具有准确、直观和重复再现性。无需制样，非破坏性，不需真空环境，可以方便的施加各种静态和动听过的电应力。精度：几十PA/um2，定位精度为1微米。另外还有光谱分析功能，通过对辐射点的特征光谱分析来确定辐射的性质和类型。第五十九页，共68页。2022/10/3160可靠性测试与失效分析光辐射显微分析第六十页，共68页。2022/10/3161可靠性测试与失效分析

电子元器件化学成份分析技术6.电子元器件化学成份分析技术器件失效主要原因是污染（颗粒污染和表面污染），确认污染源是实施改进措施的先决条件。另外，界面之间原子互扩散也会引起特性退化和失效，也许要化学分析确认。分析项目特性（Item)X射线能谱分析（EDAX）俄歇电子能谱（Auger）二次离子质谱（SIMS）傅立叶红外光谱（FTIR）分析深度1～5um表面2nm表面1～10mm灵敏度0.10%0.10%PPM～PPT