半导体故障解析技术

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1、2012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.2012/09/03瑞萨电子（中国）有限公司 中国质量保证中心半导体故障解析技术半导体故障解析技术致致: : 珠海格力电器股份有限公司珠海格力电器股份有限公司No.: No.: No.: No.: RESHRESH- -MRMR- -CQACCQAC- -000230002322012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.1 1. . 故障解析技术故障解析技术2 2. . 破坏的原因破坏的原因（ESDESD

2、和和EOSEOS）3 3. . 半导体故障原理和不良事例介紹半导体故障原理和不良事例介紹目录目录32012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.故障解析技术故障解析技术42012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.当根据故障判断标准判断出对象器件已丧失基本功能时，就开始进行 故障分析。从完全老化到功能下降，故障所包含的范围非常广。最近，由 于电子设备系统变得非常复杂，不只是部件故障，而且经常因整个系统匹 配不良而发生故障。因此在进行故障分析时，如果不

3、充分地考虑以上事项， 就会因得出错误结论而看错改善活动的方向。故障分析是指通过仔细斟酌故障内容，明确故障机理，运用恰当的电 气、物理和化学分析技术解明故障原因。在进行实际的故障分析时，需要 在着手分析操作之前尽可能详细地调查故障发生时的状况，准确地把握故 障内容，并且还需要对特性值的变化内容、故障发生的经过、使用环境、 应力条件、实际设备上的问题以及人为的错误等进行分析。通过充分调查 这些问题，在某种程度上推定故障模式和故障机理非常重要，并以此为基 础决定最佳的分析方法和步骤。如果不充分地进行故障分析，就有可能因 错选了分析方法并损坏了贵重的分析样品而无法查明故障原因。另外，在 进行故障分析时

4、，比较故障产品和良品也是尽快解决问题的突破口。1.1 1.1 什么是故障分析什么是故障分析52012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.LSI很小，却没有比他再大的地方了。LSI发生的不良一般只是涉及10nm程度的缺陷。但 对于芯片的面积来说这个缺陷却又如此的小。做个比喻的话，发现单片机的缺陷就好 比从整体日本（37万平方公里）找到一个1m1m的洞。地址不知道，在日本的哪个位置也不知道的情况下要找到1m1m的一个洞是困难之极的。 在不良解析中最重要的是确定不良部位所花费的时间。只要确定了位置，之后的工作就 简单多了。在不

5、良解析中最大的问题是确定不良位置。1m1m不良部位 =10nm26mm6mm=36mm2370,000km21.2 1.2 为什么故障解析非常的难为什么故障解析非常的难？62012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.故障分析的方法和步骤取决于上述故障的发生状况，一般按照下页所示的 步骤实施。对于故障产品，首先检查封装的外观，然后评价电特性并将故障模 式进行分类。其次，按照故障模式，在分析封装内部和芯片内部后，用光学显 微镜或者电子显微镜SEM: Scanning Electron Microscope）观察故障位置 （物

6、理分析）。最后，通过综合判断，确定故障机理并制定对策。1.3 1.3 故障分析的步骤故障分析的步骤72012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.1.3 1.3 故障分析的步骤故障分析的步骤发生故障样品的保存封装外观的检查电特性的评价 (故障模式分类)封装的内部分析封装的开封芯片内部故障位置的确定芯片的物理分析故障机理的确定建立对策案故障发生状况的调查可靠性试验通过实际电路进行评价漏电故障不再现断线,漏电故障功能 漏电故障82012. Renesas Electronics Corporation, All rights

7、reserved.1 1.3.1 .3.1 故障状况的调查故障状况的调查有关发生故障时的状况，对以下项目进行调查：1. 批次的确认（生产日期、库存期间（保管环境）2. 发生故障的场所和时间（发生的制造过程、使用场所等、发生日期）3. 故障产品的履历（晶片组装工艺中的处理条件、交货日期、验收检 查的结果和条件、部件安装或者组装工序的条件、以前调查的故障内容）4. 使用条件（工作条件、热应力和机械应力、使用条件（室内/室外、 温度、湿度和环境空气）、发生故障的时间）5. 缺陷内容（特性老化、完全故障、间歇故障、故障率、批次的特点）92012. Renesas Electronics Corpora

8、tion, All rights reserved.1 1.3.3.2 2 样品的保存样品的保存在器件有机械损伤或者环境腐蚀等情况下，需要确认在开始分 析前是否保持了故障状态，因此需要预先用照片等记录样品的最初 外观。在保存样品时，必须注意温度和湿度等环境，防止电破坏的 发生和机械损伤的恶化等。对于微小样品，使用处理夹具和固定工 具等。目测外部状态非常重要，它能为以后的分析提供许多有用的信 息。首先用肉眼观察整个样品，认真把握与良品的差异，然后用 4 80 倍左右的立体显微镜观察细微部位。在用立体显微镜观察 时，要从各个方向调节照明角度，使之最能看清细微部位。另外， 根据需要，可以将高倍率的光

9、学显微镜放大到50 2000 倍，找出 异常位置。在需要对断面、异物附着、晶须、变色、迁移等进行详 细观察时，使用扫描电子显微镜（SEM）；在需要进行元素分析以及 采集大量样品时，使用原子吸光法等；对于在微小区域中很难采集 异物的样品，使用电子探针微量分析（EPMA:Electron Probe Micro Analysis）。1 1.3.3.3 3 封装外观的检查封装外观的检查102012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.1 1.3.3.3 3 封装外观的检查封装外观的检查以下说明外观检查的要点。(1) (1) 尘埃

10、尘埃金属及其氧化物和附着的灰尘，表示此器件有可能在炼铁厂或者发 电厂等非常严酷的环境下使用过，这也是特性老化的原因之一。(2) (2) 污染污染有时因水分、油脂、助焊剂和各种喷雾液体（绝缘材料等）的残留 污垢而引起接触不良和漏电不良。(3) (3) 引脚变色引脚变色为了提高焊接性和耐腐蚀性，通常给半导体器件的引脚框架镀膜。 镀膜变色是由加热产生的氧化或者硫化等引起的变色以及质地缺陷、 不完全的前期处理和镀膜缺陷等引起的变色。112012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.1 1.3.3.3 3 封装外观的检查封装外观的检

11、查(4) (4) 应力腐蚀引起的引脚断裂应力腐蚀引起的引脚断裂如果将因外部应力和剩余应力而受到拉伸应力的Cu-Zn 合金和多种 铜合金置于氨气、胺酸、高温高湿等环境下，有可能发生引脚断裂。 使用SEM 能判断出断裂面形状和晶界状态等。(5) (5) 引脚的机械损伤引脚的机械损伤破坏模式因外部形状、负荷和环境等而有所不同。有冲击破坏、重 复施加应力产生的疲劳破坏、长时间固定应力产生的蠕变破坏。另 外，在塑性变形前有裂纹急剧扩大而造成的脆性破坏，而在塑性变 形后有裂纹缓慢扩大而造成的延性破坏，所以需要充分研究引起损 伤的过程。出现在裂纹面和断裂面的波纹是机械疲劳的表现，此断 裂面如果呈现盘形或者棘

12、爪形，则表示应力集中在此位置。(6) (6) 封装裂纹封装裂纹裂纹会引起外部湿气的侵入。密封的玻璃裂纹不容易发现，必须充 分注意观察。荧光浸透液对于检查微小122012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.1 1.3.3.4 4 电特性的评价电特性的评价(1)(1) 使用使用LSI LSI 测试设备进行评价测试设备进行评价通过用于设计评价的测试程序等评价故障样品的详细电特性。 如图5.1 所示，基于电特性评价的结果，将故障模式进行分类并 推定故障机理来决定以后的分析方法。因为电特性评价能使从故 障发生状况推定的故障机理详细

13、化和高精度化，所以能决定以后 的有效分析方法。存储器LSI 有时能根据此评价结果确定芯片上 的具体故障位置，因此电特性的详细评价极其重要。(2) DC (2) DC 特性评价特性评价DC 特性评价是指使用波形记录器、微量电流计和示波器等调 查芯片DC 特性的试验。在实际的LSI 内部，由于芯片内部的等 效电路中存在没有标绘的寄生二极管等，所以未必只有等效电路 才会流过电流，因此最好边比较好的芯片的特性边进行试验。132012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.1 1.3.3.4 4 电特性的评价电特性的评价(3) (3)

14、 逻辑逻辑/ / 故障模拟分析故障模拟分析如果在通过LSI 测试设备或者DC 特性评价等试验进行功能测 试时判断为故障，就根据功能测试的内容分析来推定芯片内部的 故障模块，并且根据电压、温度和频率等测试条件的故障状况推 定故障模式。活用这些信息并通过逻辑模拟或者故障模拟环境来 高精度地推定故障位置的逻辑功能部位，一般称为故障诊断。通 过故障诊断将故障定位在芯片内部的10 个栅元（10 cells）或 者10 个网格（10 nets）左右，提高故障的定位精度。故障诊断 有4 种类型：使用故障模拟器的故障辞典法、路径跟踪型诊断法、 导向探针诊断法、IDDQ 测试诊断法。IDDQ 测试是指利用在完全

15、 CMOS 构造中电源系统没有DC 通道这一特点，通过测量工作静止 状态下的电流值来判断正常或者故障的方法。IEEE 定义为 Quiescent power supply current in MOS circuits，是CMOS 发明以来有历史性的测试方法。142012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.1 1.3.3.5 5 封装的内部分析封装的内部分析(1)(1)非破坏性内部分析非破坏性内部分析 在不开封的情况下进行封装内部分析的方法有X 射线透视、红外 线观察和超声波探查。X 射线的穿透率因材质和厚度而不同（原

16、子量越小穿透率越高），因此透过X 射线的强度差形成的X 射线 图像，可用于观察封装内部异物的有无、接合线的断线以及环路 异常、树脂塑模内部和芯片粘合部的气孔、剥离等封装内部的状 态（图1.1）。图1.1 通过X 射线观察封装内部的例子152012. Renesas Electronics Corporation, All rights reserved.1 1.3.3.5 5 封装的内部分析封装的内部分析如果存在异物的边界面，超声波就被分为反射波和透射波。反射 波的强度和相位变化取决于异物的声阻抗（当声阻抗由大变小 时，相位发生反转）。如果将树脂塑模的器件置于水中，用超声 波照射封装表面，就会从封装表面、芯片表面和引脚表面接连不 断地返回反射波，但是在边界面有空气层存在的位置，反射强度 和波形的相位将发生很大的变化。利用这一原理，能知道封装内 所产生的气孔、剥离和裂纹的位置以及发生的状况（图1.2）图1.2 通过超声波探查观察封装的内部裂纹162012. Renesas Electronics Cor