失效分析技术及经典案例1概论new

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1、失效分析技术及经典案例 第一讲 失效分析概论,中国赛宝实验室 可靠性研究分析中心,除非特别指出，本讲义所有图片来自于：中国赛宝实验室可靠性研究分析中心,您所知道的可靠性？,寿命,MTBF,故障,赔偿,返修,更大的麻烦。,失效率,一次惨痛的经历！,1986年1月28日,73秒,7名人员,12亿美元,一次惨痛的经历！,挑战者号1986年1月28日执行第十次任务时，于升空过程中突然爆炸,网络新闻图片,一次惨痛的经历！,博伊斯乔利说 “这些钢圈看上去很结实，很牢固，但点火后，每个部分受到巨大压力，都会像气球一样被吹起来。这样，就需要在各部分的接合处采用松紧带来防止热气跑出火箭。” 这份工作由两条名为“

2、圈”的橡胶带完成，它们可以随着钢圈一起扩张，并能弥合缝隙。 这两条橡胶带与钢圈脱离哪怕0.2秒，助推器的燃料就会发生泄露，固态火箭助推器就会爆炸。,一次惨痛的经历！,“挑战者”发射那天，天气非常寒冷。气温降低后，这些“圈”就变得非常坚硬，伸缩就更加困难。坚硬的“圈”伸缩的速度变慢，密封的效果就大打折扣。虽然那可能只是零点几秒的时间，但足以把一次本应成功的发射变成一场灾难。,一次惨痛的经历！,“挑战者”的悲剧在于，博伊斯乔利在发射前6个月就对“圈”提出质疑，因为一年前他曾亲自跑到佛罗里达，对上一次发射时使用的火箭进行了检查，让他吃惊的是，第一层“圈”失灵，热气跑了出来，幸运的是，第二层“圈”拦住

3、了热气。博伊斯乔利仍保存着当时拍摄的“圈”照片，本应是蜜色的润滑油被熏成了黑色。第一层“圈”的很多部分不见了，很显然，它们被烤焦了。他说：“我看到这一切时，心口像堵上了一团棉花。那次发射，航天飞机竟然没有爆炸，简直是奇迹！”,事故并非偶然,中国航天的事故,年月日，中国用“长征号”火箭发射澳星，由于拧动点火控制器时，从螺钉上旋下一点点金属屑，使电路短路，火箭发动机熄火，发射没有成功。 年月日，中国“长征号”发射亚太号卫星时，由于美方没有告之卫星的谐振频率，而凑巧卫星的谐振频率与火箭整流罩的谐振频相同，由于高空切变风对火箭的作用，引起共振，造成星箭爆炸。,有的人这样理解失效分析,医药学的历史与人类

4、的病痛一样长。大量医药科学的进步都是建立在外科医生进行的尸体解剖上。（仁慈的东方人除外） 在我们的专业领域，这一做法通常称为“失效分析”。 每个失效部件都应被视为进行可靠性改进的机会。失效部件有时甚至是“珍贵的”。,我对失效分析的理解,大多数可靠性工作，只要按流程做就能得到结果。 失效分析有时却难以得到期望的结果。 但它却是决定性的！,1. 技术术语、相关标准和资料,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、银电化学迁移短路

5、。工程上，有时会把失效原因说成是失效机理。 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。,2. 失效分析的目的和意义,GJB548A-96微电子器件试验方法和程序，“方法5003 微电路的失效分析程序”对失效分析目的的描述：失效分析是对已失效器件进行的一种事后检查，根据需要，使用电测试以及许多先进的物理、金相和化学的分析技术，以验证所报告的失效，确定其失效模式，找出失效机理。,2. 失效分析的目的和意义,失效分析程序（按试验条件所指明的）应足以得出相应结论，确定失效的原因或相应关系，或者在生产工艺、器件设计、试验或应用方面采取纠正措施，以便消除所报告的失效模式或机理

6、产生的原因或防止其重新出现。,引言,2. 失效分析的目的和意义,失效分析在可靠性工程中的支撑,CPK：Process Capability index,2. 失效分析的目的和意义,失效分析技术有广泛的应用对象，包括物理对象和过程对象。 物理对象包括已发生失效或发生重要变化的测试结构、半成品、试制品、试验品、整机应用以及外场应用失效品。 过程对象包括元器件的研发过程与应用过程。 研发过程可细分为设计优化、制造工艺优化（如成品率优化）、测试筛选与评价试验优化等过程。 在应用过程中，元器件选型、二次筛选条件优化、设备研制生产中的故障控制对策、可靠性增长、全寿命期维护等。,2. 失效分析的目的和意义,

7、换句话说，这些技术过程需要失效分析工作才能得以完成或完善。 最简单不过的道理，就是因为可靠性是以不断地与失效作斗争才能得以维持或提高。如果对失效的本质不了解，就不能做到知己知彼，就难以获得取胜的条件。,2. 失效分析的目的和意义,2. 失效分析的目的和意义,意义： 加深对客观世界的认识 提高产品质量的有效技术手段 具有可靠性的一般意义：潜在经济效益、质量效益、品牌效益、环境效益、国家利益,3. 失效分析的要求,GJB548A-96 微电子器件试验方法和程序，“方法5003微电路的失效分析程序” ，要求收到器件的同时还应收到：试验条件：应包括使器件失效的试验或应用类型，使用时间（可提供时）、温度

8、及其他应力条件；,系统条件：应包括在设备中失效的确切位置、日期、首次记录到缺陷的试验和（或）检验、取出失效器件时所注意到的任何异常环境条件及有关系统的全部情况。还应记录设备的征兆；器件的一般资料：应包括器件型号和序列号（适用时）、日期代码和其他识别信息，以及生产批和检验批的大小（适用时）。,3. 失效分析的要求,GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲 5.1.3 失效分析报告承制方应随同鉴定保持报告一起向鉴定机构提交失效分析报告的摘要，此摘要应包括 5.2.4b 条规定的失效分析但不包括使用方通报的失效分析。对于使用方通报的失效和现场失效，承制方应在收到失效的元器件及有关的支撑资料后的

9、30天内提交分析报告。当鉴定机构需要了解某些具体失效时，承制方应提交详细的失效分析报告。,3. 失效分析的要求,GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲5.2.4 失效和缺陷分析程序a.关键加工过程超出规定的界限时，应对加工过程中的材料和元器件进行缺陷分析;b.鉴定试验和质量一致性检验期间的失效数超过规范所允许的数量时，或现场使用发生失效时，对元器件进行失效分析。,3. 失效分析的要求,GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲5.2.4 失效和缺陷分析程序 5.2.4.3 失效和缺陷分析能力承制方应具有适合其产品失效和缺陷分析所需的能力和设备（可以是有资格的签约单位的设备）。设备配置指

10、南如下。,3.失效分析的要求,GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲5.2.4.3 失效和缺陷分析能力 具有足够放大倍数的X射线设备； 解剖元器件而不损伤或污染内部零件的设备； 微量化学分析设备 显微检测技术设备； 粗细检漏仪； 电参数分析设备； 抛光、研磨等金相分析设备。 ,3. 失效分析的要求,其实最重要的要求是“证据”！,3. 失效分析的要求,失效模式就是失效的外在表现形式，不需要验证和深入说明其物理原因。 按失效的持续性分类：致命性失效、间歇失效、缓慢退化 按失效时间分类：早期失效、随机失效、磨损失效 按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效,4. 失效模式,失效模式

11、的概念和种类,失效模式的概念和种类,4. 失效模式,JPL Publication 96-25 (GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications),在这里给出部分电子元器件现场使用失效主要失效模式及其分布的数据统计结果（资料来源：电子工业部可靠性管理办公室“八五”成果汇编）。,4. 失效模式,失效模式的例子,4. 失效模式,分立器件使用中的失效模式及分布,集成电路使用中的失效模式及分布,4. 失效模式,电阻器使用中的失效模式及其分布,电容器使用中的失效模式及其分布,4. 失效模式,继电器使用中的失效模式及其分布,

12、接插元件使用中的失效模式及其分布,4. 失效模式,有时也会按失效原因对失效模式分布进行统计分类。目前最重要的两大失效模式: 电过应力和静电放电导致的失效EOS/ESD：Electrical over Stress/ElectrostaticDischarge 制造工艺问题导致的失效,张晓明，“对微电子器件失效分析的回顾”，电子元器件，2000，5期,4.失效模式,按失效原因统计失效模式分布,半导体器件、IC和HIC(混合集成电路)失效模式分布,Electrical over stress ; Electrical static discharge,4. 失效模式,按失效原因统计失效模式分布,制

13、造工艺不良的模式分布,来萍，“50例微波器件失效分析结果汇总与分析”，固体电子学研究与进展，2005，4期,混合集成电路污染物及来源,4. 失效模式,5.失效机理,集成电路的失效模式与机理(引用IC失效机理汇总.doc),5. 失效机理,集成电路失效机理与寿命模型,导电材料结构的变化。淀积导电薄膜无定形体结晶化趋势（致密化 电阻下降） 淀积导电薄膜晶粒间气体的吸附和去气（变化12） 导电材料的氧化、粘污 （阻值增大，与温度、湿度有关） 有机材料合成电阻器粘合剂的非可逆变化 有机材料保护层的影响（挥发物扩散到导电材料内部） 导电体与引出线接触电阻变化（接触部粘合剂的改变） 储存期的影响（与温度、

14、湿度有关） 电负荷老化（温度、与潮气有关的电解、氧化）,5. 失效机理,电阻器的失效机理,失效模式与失效机理的关系：铝电解电容器的失效因素,电容器失效,电应力,工艺缺陷,Al2O3介质膜,环境应力,铆接缺陷,温度,铝屑,空洞,缝,少液,纹波电流,浪涌电压,直流偏压,振动,盐雾,水汽,电解液,Cl异常,过碱性,容量下降,短路、开路,漏电、损耗,膜薄,封接缺陷,5. 失效机理,5. 失效机理,在外电场作用下，金属离子受到两种力的作用:一种是电场力，使金属离子由正极向负极移动；另一种是导电电子和金属离子间相互碰撞发生动量交换而使金属离子受到与电子流方向一致的作用力，金属离子由负极向正极移动，这种作用

15、力俗称“电子风”。对铝、金等金属膜，电场力很小，金属离子主要受电子风的影响，结果使金属离子与电子流一样朝正极移动，在正极端形成金属离子的堆积，形成小丘，而在负极端产生空洞，使金属条断开。,金属化电迁移,5.失效机理,金属的腐蚀,当金属与周围介质接触时，由于发生化学反应或电化学作用而引起金属的破坏叫做金属的腐蚀。金属的腐蚀现象十分普遍，在电子元器件中，外引线及封装壳内的金属因化学反应或电化学作用引起电性能恶化直至失效。,5.失效机理,金属的腐蚀,金属在干燥气体或无导电性的非水溶液中，单纯由化学作用而引起的腐蚀就叫做化学腐蚀，温度对化学腐蚀的影响很大。当金属与电解质溶液接触时，由电化学作用而引起的

16、腐蚀叫做电化学腐蚀。其本质是腐蚀电池放电的过程，金属作为阳极被氧化而腐蚀，形成金属氧化物，而阴极反应则根据腐蚀类型而异，可发生氢离子或氧气的还原，析出氢气或吸附氧气。 金属在大气中的腐蚀，在土壤及海水中的腐蚀以及在电解液中的腐蚀都是电化学腐蚀。,5.失效机理,金铝化合物失效,金和铝键合，在长期贮存和使用后，因化学势不同，它们之间能生成AuAl2，AuAl， Au2Al，Au5Al2，Au4Al等金属间化合物（IMC）。 这几种IMC的晶格常数、膨胀系数、形成过程中体积的变化、颜色和物理性质是不同的，且电导率较低。AuAl2、Au5Al2、Au4Al呈浅金黄色，AuAl2呈紫色，俗称紫斑，Au2Al呈白色，称白斑。 在键合点处生成了AuAl间IMC之后，键合强度降低、变脆开裂、接触电阻增大，器件出现性能退化或引线从键合界面处脱落导致开路。,金铝化合物失效,5.失效机理,ISTFA 美国实验室报告,