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1、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,本章主要讨论： 失效分析概论 失效分析的目的意义、基本内容、要求、失效模式及分布、失效机理及定义 失效分析程序 失效环境调查、失效样品保护、失效分析方案设计、外观检查、电测、应力试验分析、故障模拟分析、内部分析、纠正措施、结果验证 失效分析技术 以失效分析为目的的电测技术、无损失效分析技术、样品制备技术、显微形貌像技术、以测量电压效应为基础的失效分析定位技术、以测量电流效应为基础的失效分析定位技术、电子元器件化学
2、成分分析技术、失效分析技术列表 失效分析主要仪器设备与工具 光学显微镜、x射线透视仪、扫描声学显微镜、塑封器件喷射腐蚀开封机、等离子腐蚀机、反应离子腐蚀机、聚集离子束系统、扫描电子显微镜及x射线能谱仪、俄歇电子能谱仪、二次离子质谱仪、透射式电子显微镜、电子束测试系统、显微红外热像仪、光辐射显微镜、内部气氛分析仪、红外显微镜,第四章 失效分析,3,4.2 失效分析程序,回顾 基本技术术语 失效丧失功能或降低到不能满足规定的要求。 失效模式失效现象的表现形式，与产生原因无 关。如开路、短路、参数漂移、不稳定等 失效机理失效模式的物理化学变化过程，并对导 致失效的物理化学变化提供了解释。如电迁移开路
3、，银电化学迁移短路 应力驱动产品完成功能所需的动力和加在产品上的环境条件。是产品退化的诱因。 继电器、铝电解、DC/DC、连接器的失效原因,4,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。 失效分析的内容，是指为完成失效分析应进行哪些工作； 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,5,失效分析的目的: 找出失效原因 追溯产品的设计（含选型）制造使用、管理存在的不良因素 提出纠正措施，预防失效的再发生，改进管理 提高产品可靠性，降低全寿命周期成本 问题: 某器件发生失效，请你分析处理，你如何
4、进行这一工作?,6,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,8,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。 先外部分析，后内部（解析分析）。 先进行非破坏性分析，后进行破坏性分析。,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。 (1)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:,10,（2）鉴别失效模式： a电特
5、性测试 b用立体显微镜检查外观 （3）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:,11,(4)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，假设可能的失效内因和外因。 (5)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。 (6)提出纠正措施： 根据失效分析结果，提出防止产生失
6、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:,12,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。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:,14,一、失效环境调查 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
7、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:,15,二、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
8、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 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因的数据，准确判断失效机理。 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 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）,18,19,2
9、0,Ball 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,X 射线能量色散光谱仪,二次离子质谱仪,22,四、外观检查 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 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
10、 确定元器件安全工作的极限应力水平,25,七、故障模拟分析 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 全温度参数测试 瞬时短路、断路的试验分析 高温和高温电偏置试验,26,八、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
11、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；,27,八、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,28,29,九、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 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,
12、31,32,33,34,35,36,37,开封前：,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：不是自己的器件 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。 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
13、 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，由差别估计失效部位与原因。 腿与腿之间的测试，外观镜检 对管壳进行密封性检查，是否存在漏气。水汽含量的测试。 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。 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。 TO-5型金属管壳,可用金属管壳开启器或机械方式打开。 双列直插式陶瓷封装，将样品底座夹紧，在盖板密封处
14、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，将盖板撬起。 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：,39,集成电路封装的打开技术：,40,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
15、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.引言,41,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
16、时的。,2.陶瓷封装的打开,42,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.陶瓷封装的打开,43,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
