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1、破坏性物理分析( DPA) 技术在元器件的生产加工过程中用于生产过程的监控, 特别是关键工艺质量分析与监控, 对提升元器件的可靠性水平具有其它试验和检验手段无法替代的作用。从元器件生产过程的控制角度, 详细讨论了 DP A 分析技术的试验项目、试验方法, 并结合实例阐述了 DPA 分析技术的应用程序, 达到了提高元器件生产过程控制能力与提升产品可靠性的目的。,8、破坏性物理分析( DPA),随着整机电子系统的复杂程度与可靠性要求 的提高, 对元器件的可靠性要求也越来越高, 要求 元器件的可靠性水平达(10-810-9) / h, 而统计表明, 电子系统的故障由于电子元器件质量原因引起的占60%
2、 , 电子元器件的质量问题主要包括: 镀层起皮、锈蚀, 玻璃绝缘子裂纹, 键合点缺陷, 键合 点脱键, 键合尾丝太长, 键合丝受损, 铝受侵蚀, 芯 片粘结空洞, 芯片缺陷, 芯片沾污, 钝化层缺陷, 芯片金属化缺陷, 存在多余物, 激光调阻缺陷, 包封层裂纹, 引线虚焊, 引线受损, 焊点焊料不足和粘润不良, 陶瓷裂纹, 导电胶电连接断路等等, 这些均能引起元器件失效, 而这些失效来自于元器件设计、制造的缺陷, 在一定外因的作用下会引起系统的质量问题。,这些质量问题已经严重影响了整机系统的可靠性水平, 如何进一步提高元器件的可靠性水平,如何进一步提高元器件的可靠性水平，仅仅依靠传统的筛选和试
3、验验证的手段已经不能满足整机系统的需求, 也无法解决和保证生产出高 可靠的元器件,下面将探讨的通过 DPA 分析技术 在电子元器件生产过程中的应用可以有效地指导设计, 改进工艺, 提高元器件的可靠性水平。,1 DPA 分析技术试验项目与在 元器件生产过程中的作用,DPA( Destructive physical analysis ) 是指验证电子元器件的设计、结构、材料、制造的质量和工艺情况是否满足预订用途或有关规范的要求, 以及是否满足器件规定的可靠性和保障性, 而对元器件样 品进行一系列的寻找失效机理分析与试验的过程, 并确定失效是偶然的还是批次性的, 然后依据结论采取改正措施。,1.
4、1 DPA分析技术的基本试验项目,电子元器件DPA试验项目通常包括以下内容: 照相、外部目检、射线检查、超声波检测、颗粒碰 撞噪声检测、密封检验、引出端强度、轴向引线抗拉 试验、内部水汽含量检测、物理检查、接触件检查、 开封、内部目检、内部检查、结构检测、键合强度试 验、扫描电镜检查、芯片剪切强度、芯片粘接强度、 显微洁净检查。共20 个试验内容, 包括在13 个试验 项目内。根据所采用的生产工艺与封装形式对不同 元器件种类应采取不同的项目和程序。如颗粒碰撞 噪声检测、密封检验和内部水汽含量检测仅针对气 密性封装的元器件, 键合强度试验仅针对有内引线 键合的元器件, 超声波检测和芯片剪切强度仅
5、针对 内部芯片采用烧结与粘结工艺的元器件, 引出端强度仅针对有外引线的元器件等。,2 DPA分析技术在光元件 生产过程中的作用,DPA分析技术在微电子器件生产过程中的试验分析方法和程序检测的主要内容和作用如表1所示。,DPA分析技术区别于筛选试验、质量一致性检验以及失效分析, 虽然DPA分析技术的试验项目与之相类似, 但筛选试验、质量一致性检验以及 失效分析是事后检验的手段。DPA 分析技术以发现设计与生产加工过程的缺陷为目的, 无论是在生产加工过程中还是在评价元器件的质量水平方面都可得到广泛的应用, 尤其是在生产加工过程中的 应用, 用于生产过程的监控, 特别是关键工艺质量 分析与监控, 对
6、提升元器件的可靠性水平具有其它 试验和检验手段无法替代的作用。,DPA 分析技术 主要应用于:,( 1 ) 可在元器件的生产过程中进行运用; ( 2) 通过 DPA 分析可以发现潜在的材料、工 艺等方面的缺陷, 而这些缺陷 往往一般的筛选试 验、考核试验是无法发现的; ( 3 ) 用于 器件失效的原 因分析, 从而发现材 料、加工工艺中存在的缺陷; ( 4) 用于控制与产品设计、结构、装配等工艺 相关的失效模式。,2 DPA 分析技术的应用 2. 1 DP A分析技术的应用程序,产品的质量是设计、制造出来的。通过DPA分析技术的运用, 在实际操作中可以通过PDCA 循环 进行, 从而达到不断改
7、进、提高元器件生产过程控 制能力, 提升产品质量的目的。,具体程序如下: ( 1 ) 通过 DP A 分析技术, 寻求设计和加工工艺 中存在的缺陷; ( 2) 进行机理分析, 确定与之相关的工艺参数 与设计参数, 这样就将 DPA 分析出的缺陷表征为 对有关的工艺与设计控制要求; ( 3 ) 通过分析与研究, 进行工艺条件的优化, 并 进行验证试验; ( 4) 工序能力分析, 尽管采取了优化的工艺与 设计, 实际的工艺操作中工艺参数仍然会出现一定 的分布, 这时应采集足够的工艺参数, 进行工序能 力分析, 以确定实际满足规范要求的能力; ( 5) 为了保证能够持续、稳定的生产出高可靠 的元器件
8、, 通过DPA 分析技术的运用, 在以上工作的基础上, 进一步采用统计过程控制技术( SPC) ,保证生产线处于统计受控状态。,2. 2 DPA分析技术应用实例,引线键合是发光二极管最基本的工艺环节, 随着瓦级大功率发光二极管的出现, 使得 LED产品开始进入照明市场。由于高功率、大电流的应用, 对引线键合工艺的可靠性提出了更高的要求, 数据表明有约30% 的故障是由于引线键合不良引起的, 因 此, 实现引线键合的高可靠也显得越来越重要, 引 线键合的质量直接决定了大功率 LED 产品的可靠 性, 以下是利用 DPA 分析技术在某型号的大功率 LED 产品上的应用。,第一步, 进行产品开发初始
9、阶段的质量状态分 析, 发现引线键合工 艺存在引线拉力不够高的现 象, 而且在大电流工作状态下有开路现象; 第二步, 分析原因, 发现该型号产品的键合工 艺设计引用了传统小功率产品Au -Al 键合工艺, 从 机理上进行分析认为, Au -Al 键合系统在大电流下 工 作或者高 温的条件 下会产 生多种 金属 间化合 物 3 , 如: Au-Al 、Au 4-Al、Au 5-Al2 、Au 2 -Al ( 白斑)、Au -Al 2 ( 紫斑) 等, 它们不但热膨胀系数不同, 键合 点表现出较大的内应力, 而且电导率低, 导致接触电阻变大, 因而会产生大电流工作状态下的开路现象;,第三步, DP
10、A分析验证, 对未出现故障的产品 进行开帽分析, 图1是产品的键合点扫描电镜图, 发现在键合接触面出现了衍 生物质, 分析成分是 Au-Al化合物, 验证了机理分析的结论, 图2是Au -Al 键合化合物产生示意图, 进一步进行引线拉 力试验,发现引线拉力仅为 0. 9 g , 已经严重偏离 了正常的水平, 而且引线直接从键合点脱落, 因而 可以得到结论: Au -Al 键合的工艺设计不能满足新型大功率 LED 的实际使用要求, 已经严重影响了器件的可靠性, 需要更改工艺设计;,第四步, 研究其它键合工艺, 更改工艺设计。设 计中采用了高可靠的 Au -Au 键合系统, 以工艺能 力指数为表征
11、量, 得到初期的工艺能力指数C PK 值仅为0. 5。为了提高工艺能力, 提升CPK , 以键合力作为键合工艺的优化的正交试验参考指标, 分析影响键合力的主要工艺因素是: 键合加热温度, 劈刀压力, 超声功率。在此基础上进行试验设计,并取得试验结果, 试验情况见表 2。 对以上数据进行数据分析, 得到最大拉力的工 艺条件组合是 1 20 、3 5 g 、200 mW ; 第五步, 对优化的工艺条件进行CPK 统计, 得到 经过优化后的 C PK= 1.5 。 以上 DPA 分析技术的运用, 使得新型的大功率LED 产品存在的可靠性问题得到了有效的解决。,微波器件声学扫描图片，空洞面积超过50%
12、。,DPA典型分析图例,单个空隙贯穿芯片的整个长度或宽度，并超过整个预定接触面积的10%。,IC声学扫描图片,空洞面积超过50%,9. 失效分析实例,9.1 漏电流过大某厂生产的CMOS 4011电路，在l 000小时例行试验中发现IDD漏电流过大。 初步认为IDD大的原因为栅氧化层中存在过多可动电荷所致，后经多方分析，确认为是F+玷污所致。9.2 管内水汽某型号整机，在例行试验的常温测试中出现异常情况(电参数不稳定)，最后确定是所使用的高精度运算放大器XFC-78失效。器件拆下后测试，结果是Uos超标且发生漂移。,分析过程如下： 气密性检查。 电参数测试。 清洗电路外管脚根部。 电参数随温度
13、变化的实验。 验证试验。 模拟对比试验。 分析结果说明水汽是引起电路XFC一78参数漂移失效的原因。,9.3 钝化层过薄,某厂生产的三端稳压器CW7805，塑封后测试发现功能失效比例很高，乃进行失效分析。从对比试验可以看出，CW7805原始芯片表面钝化层质量不好，太薄且表面有裂纹。芯片塑封时条件比较苛刻，由于材料间的热膨胀系数不匹配，在芯片表面产生很强的应力，而钝化层质量又不好，导致钝化层开裂，并引起铝条的弯曲平移。局部区域有可能出现断裂，引起电路功能失效。,9.4氧化层缺陷,原始失效情况：运算放大器F011在某设备上工作数分钟后，其输出信号不正常，关机后稍待片刻再开机，电路又恢复正常工作。对此进行失效分析：原始失效情况的验证。功能、参数测试。模拟试验。电路气密性检查管脚间特性测试解剖分析。,
