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1、电子元器件失效 分析技术 Failure Analysis编著：张红波一、电子元器件失效分析技术?1.1、失效分析的基本概念?1.2、失效分析的重要意义?1.3、失效分析的一般程序?1.4、收集失效现场数据?1.5、以失效分析为目的的电测技术?1.6、无损失效分析技术?1.7、样品制备技术?1.8、显微形貌像技术?1.9、以测量电压效应为基础的失效定位技术?1.10、以测量电流效应为基础的失效定位技术?1.11、电子元器件化学成份分析技术1.1 失效分析的基本概念?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，
2、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。?引起开路失效的主要原因：?过电损伤、静电击穿（SEM、图示仪）、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。典型的闩锁效应电源对地的IV曲线VI?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、SiAl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?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
3、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。?失效物理模型：?1、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（Latch up）等。?2、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。3、温度应力时间模型 反应速度符合下面的规律kTE AedtdM=（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）)(00ttAeMMkTEt=积分产品平均寿命的估算CdtdML=kTEBLAeLkTE
4、+=ln11 TBlnL21 T1.2失效分析的重要意义?电子元器件研制阶段 纠正设计和研制中的错误，缩短研制周期?电子元器件生产阶段、测试和使用阶段 查找失效原因，判定失效的责任方?根据分析结果，生产厂可以改进元器件的设 计和工艺，用户可以改进电路板的设计、改 进器件和整机的测试和使用的环境参数或者 改变供货商。失效分析案例?案例1：GaAs微波器件的失效分析，表现为 缓慢减小，通过研究金属半导体接触退化的机 理，确定了金半接触处原子互扩散是根本原因， 提出了增加阻挡层作为改进措施，通过对比改进 前后的可靠性评价，证明了失效分析的有效性。DSSIMESFET端面图半绝缘GaAs衬底SGD导电
5、沟道NDSSI为最大饱和漏电流 1.3失效分析的一般程序?1、收集失效现场数据?2、电测并确定失效模式?3、非破坏性分析?4、打开封装?5、镜检?6、通电激励芯片?7、失效定位?8、对失效部位进行物理、化学分析?9、综合分析，确定失效原因，提出纠正措施1.4 收集失效现场数据应力类型 试验方法可能出现的主要失效模式或机理电应力静电、过电、噪声MOS器件的栅击穿、双极型器件的PN结击穿、 功率晶体管的二次击穿热应力高温储存金属半导体接触的Al-Si互溶，欧姆接触退 化，PN结漏电、AuAl键合失效 低温应力 低温存储芯片断裂 低温电应力 低温工作热载流子注入 高低温应力 高低温循环芯片断裂、芯片
6、粘接失效 热电应力 高温工作金属电迁移、欧姆接触退化 机械应力 振动、冲击、加速度芯片断裂、引线断裂 辐射应力 X射线辐射、中子辐射电参数变化、软错误、CMOS电路的闩锁效应 气候应力 高湿、盐雾外引线腐蚀、金属化腐蚀、电参数漂移1.4.1、应力类型与元器件失效模式或机理的关系举例、应力类型与元器件失效模式或机理的关系举例?1.4.2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：
7、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。1.5以失效分析为目的的电测技术?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） 多数是集成电路。电子元器件电测失效之间的相关性?例如数字集成电路，连接性失效可引起电参 数失效和功能失效。 输入端漏电输入电流Iin、输入电压Vin达 不到要求功能失效、静态电流IDDQ失效 输入端开路和输出端开路功能失效 电源对地短路功能失效、静态电源电流 IDDQ失效电测的重要结论
8、：?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。1.6无损失效分析技术?定义：不必打开封装对样品进行失效定位和失效 分析的技术。?无损失效分析技术：X射线透视技术和反射式扫描 声学显微技术（CSAM）表2、X射线透视技术和反射式扫描声学显微术（CSAM）的 比较超声波（5 100MHz)遇空隙 受阻反射以高密度区为背景， 观察材料
9、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）反射式扫描 声学显微术 （CSAM）透视X光被样品 局部吸收后成像 的异常以低密度区为背景， 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）X射线透视 技术(X-Ray)主要原理应用优势名称C-SAM的工作原理图典型的CSAM扫描出的图片红色区域为芯片与 L/F之间有空隙1.7样品制备技术?主要步骤： 1、打开封装 2、去钝化层 3、去除金属化层 4、剖切面 5、染色1.7.1打开封装?机械开封（磨，撬，加热等方法） 主要针对金属封装的器件。?化学开封（磨，钻，发烟硝酸、发烟硫酸腐 蚀法等） 主要针对塑料封装的器件。
10、去除塑料封装机器(decapsulator)1.7.2 去钝化层技术 1为什么要去除钝化层？?2去除钝化层的方法：化学腐蚀（各向同性）等离子腐蚀PIE （各向同性）反应离子刻蚀RIE（各向异性）?各向同性腐蚀和各向异性腐蚀金属介质1.7.3去除金属化层技术?用途： 观察CMOS电路的氧化层针孔和AlSi互溶 引起的PN结穿钉现象，以及确定存储器的字 线和位线对地短路或开路的失效定位?配方： 30的硫酸或盐酸溶液，3050，该配方 不腐蚀氧化层和硅。1.7.4机械剖切面技术?一般步骤：?固定器件（石蜡、松香和环氧树脂Epoxy）?研磨（毛玻璃、粗砂纸）?粗抛光（金相砂纸）?细抛光（抛光垫加抛光膏
11、）?染色?金相观察测量结深的抛光染色图片1.8显微形貌像技术仪 器 名 称真 空 条 件 样 品 要 求理 论 空 间 分 辨 率最 大 放 大 倍 数景 深光 学 显 微 镜无开 封360nm1200 小扫 描 电 子 显 微 镜高 真 空开 封 、 去 钝 化 层5nm50万大光学显微镜和扫描电子显微镜的比较光学照片与SEM照片对比1.9基于测量电压效应的失效定位技术?1.9.1、扫描电子显微镜的电压衬度像 工作原理 ：电子束在处于工作状态下的被测芯片表 面扫描，仪器的二次电子探头接收到的电子数量与 芯片表面的电位分布有关。从而得到包含器件中电 极的电势信息的SEM图象（IFA Image
12、based Failure Analysis）。 判定内容：芯片的金属化层开路或短路失效。1、某芯片的电压衬度像2、应用电压衬度像做失效分析实例?现象描述：4096位MOS存储器在电测试时发现，从 一条字线可以存取的64个存储单元出现故障，现只 能存储“0”信号。?初步推断：译码电路失效，译码器与字线之间开 路，0V或12V的电源线短路。?电压衬度像分析：照片中发现一处异常暗线，说明 其电压为12V，而有关的译码器没有异常，说明字 线与12V电源之间存在短路。由二次电子像证实， 在铝条字线与多晶硅电源线之间的绝缘层中有一个 小孔。1.9.2芯片内部节点的波形测量空间分辨率低 （1um左右）简单
13、方便，带宽高 （100GHz），无 侵扰激光探针 （EOS）带宽低（30Mhz） 需高真空空间分辨率高，无 侵扰电子束探针 （EBT）空间分辨率低带 宽低，有侵扰简单方便机械探针缺点优点对比项目机械探针台EBT测试原理EBT在线检测的芯片照片有信号时的照片无信号时的照片局部放大图片有信号时的图象无信号时的图象EBT测试波形参考信号待测信号 斩波器锁相放大器 示波器监视器二色镜物镜CCD650nm激光器偏振分束镜Pianzhen照明系统Si探测器GaP探头待测电路EOS激光测试系统1.10基于测量电流效应的失效定位技术?1、显微红外热像分析技术?2、液晶热点检测技术?3、光辐射显微分析技术（PE
14、M） (Photo Emission Microscope)液晶热点检测的特点1、速度快，大概10分钟就能做一次分析。 2、空间分辨率（1um）和热分辨率（3uw） 3、适用不良种类： 确定芯片能耗分布，确定漏电通道，PN结内 不规则的电流分布，CMOS电路闩锁区域等1.10.1显微红外热像分析技术?1、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。?2、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80180。?3、显微红外热像仪的应
15、用?主要是功率器件和混合集成电路10.2 液晶热点检测技术1、什么是液晶： 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。它具有一个独特性质，当温度高于某 一临界温度Tc时，就会变成各向同性。 2、液晶热点检测设备要求?偏振显微镜（长工作距离）?温控样品台（温度精度0.1 ）?样品的电偏置（prober或packaged device）3、液晶热点检测的关键技术?显微镜在正交偏振光下观察，提高图象对液 晶相变的灵敏度?应控制样品温度在临界温度上下反复变化， 以便找到合适的工作点?检测时若偏置电压偏高，图象会变模糊，可 改用脉冲偏置电压以改善图象质量灵敏区温度各向同性各向异性临界温度
16、 液晶工作点的选择10.3 光辐射显微分析（PEM）1、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。 2、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。3、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（Latch up）、热载流子、 饱和晶体管及开关管等4、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。5、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/
