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1、信息产业部电子五所分析中心http:/电子元器件失效分析技术信息产业部电子五所信息产业部电子五所分析中心http:/课程安排 1 失效分析方法和技术 2 失效机理与失效分析方法 3 失效分析案例信息产业部电子五所分析中心http:/第1章 失效分析方法和技术 1失效分析基本概念 2失效分析的程序 3失效分析方法和技术测试、 模拟、无损分析、样品制备、失效定位、缺陷的形貌观察失效分析的概念失效分析的定义失效分析的目的确定失效模式确定失效机理提出纠正措施，防止失效重复出现信息产业部电子五所分析中心http:/信息产业部电子五所分析中心http:/失效模式的概念和种类 失效的表现形式叫失效模式 按失
2、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、功能失效信息产业部电子五所分析中心http:/失效机理的概念 失效的物理化学根源叫失效机理。例如 开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMOS电路的闩锁效应 漏电和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔信息产业部电子五所分析中心http:/失效机理的概念（续） 参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤信息产业部电子五所分析中心
3、http:/失效分析的作用 确定引起失效的责任方 确定失效原因 为实施整改措施提供确凿的证据象，提高产品竞争力信息产业部电子五所分析中心http:/失效分析的受益者 元器件厂：获得改进产品设计和工艺的依据 整机厂：获得索赔、改变元器件供货商、改进电路设计、改进电路板制造工艺、提高测试技术、设计保护电路的依据 整机用户：获得改进操作环境和操作规程的依据 提高产品成品率和可靠性，树立企业形信息产业部电子五所分析中心http:/失效分析技术的延伸 进货分析的作用：选择优质的供货渠道，防止假冒伪劣元器件进入整机生产线 良品分析的作用：学习先进技术的捷径失效分析的一般程序收集失效现场数据电测并确定失效模
4、式非破坏检查打开封装镜检通电并进行失效定位对失效部位进行物理化学分析，确定失效机理 综合分析，确定失效原因，提出纠正措施信息产业部电子五所分析中心http:/信息产业部电子五所分析中心http:/收集失效现场数据 作用：根据失效现场数据估计失效原因和失效责任方根据失效环境：潮湿、辐射根据失效应力：过电、静电、高温、低温、高低温根据失效发生期:早期、随机、磨损 失效现场数据的内容水汽对电子元器件的影响电参数漂移外引线腐蚀金属化腐蚀金属半导体接触退化信息产业部电子五所分析中心http:/信息产业部电子五所分析中心http:/辐射对电子元器件的影响 参数漂移、软失效 例：n沟道MOS器件阈值电压减小
5、http:/失效应力与失效模式的相关性 过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁 静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁 热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电 热电：金属电迁移、欧姆接触退化 高低温：芯片断裂、芯片粘接失效 低温：芯片断信息产业部电子五所分析中心裂信息产业部电子五所分析中心http:/失效发生期与失效机理的关系 早期失效：工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分 随机失效：静电损伤、过电损伤 磨损失效：元器件老化 随机失效有突发性和明显性 早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性失效发生期与失效率失效率试验时间内失效的元件 数试验初始的元件数 试验时间失效率随机时间
6、信息产业部电子五所分析中心http:/磨损早期信息产业部电子五所分析中心http:/以失效分析为目的的电测技术 电测在失效分析中的作用重现失效现象，确定失效模式，缩小故障隔离区，确定失效定位的激励条件，为进行信号寻迹法失效定位创造条件 电测的种类和相关性连接性失效、电参数失效和功能失效信息产业部电子五所分析中心http:/电子元器件失效分析的简单实用测试技术（一） 连接性测试：万用表测量各管脚对地端/电源端/另一管脚的电阻，可发现开路、短路和特性退化的管脚。电阻显著增大或减小说明有金属化开路或漏电部位。 待机(stand by)电流测试:所有输入端接地（或电源），所有输出端开路，测电源端对地端
7、的电流。待机(stand by)电流显著增大说明有漏电失效部位。待机(stand by)电流显著减小说明有开路失效部位。信息产业部电子五所分析中心http:/电子元器件失效分析的简单实用测试技术（二） 各端口对地端/电源端的漏电流测试（或IV测试）,可确定失效管脚。 特性异常与否用好坏特性比较法确定。信息产业部电子五所分析中心http:/烘焙技术 1应用范围：漏电流大或不稳定、阻值低或不稳定、器件增益低、继电器接触电阻大 2用途：确定表面或界面受潮和沾污 3方法：高温储存、高温反偏信息产业部电子五所分析中心http:/清洗技术 应用范围：离子沾污引起的表面漏电 用途：定性证明元器件受到表面离子
8、沾污 方法：无水乙醇清洗去离子水冲洗（可免去）烘干失效分析的发展方向失效定位成为关键技术非破坏非接触高空间分辨率高灵敏度信息产业部电子五所分析中心http:/信息产业部电子五所分析中心http:/无损失效分析技术 无损分析的重要性 (从质检和失效分析两方面考虑) 检漏技术 X射线透视技术用途：观察芯片和内引线的完整性 反射式扫描声学显微技术用途：观察芯片粘接的完整性，微裂纹，界面断层信息产业部电子五所分析中心http:/检漏技术 粗检：负压法、氟碳加压法 细检：氦质谱检漏法信息产业部电子五所分析中心http:/负压法检漏接机械泵酒精氟碳加压法F113沸点47.6CFC43 沸点180C加热至1
9、25C信息产业部电子五所分析中心http:/种 类应 用 优 势基 本 原 理X 射 线 透 视 象观 察 材 料 高 密 度 区 的 完整 性 ， 如 器 件 内 引 线 断裂透 过 材 料 高 密 度 区X 射 线 强 度 衰 减C -S A M 象观 察 材 料 内 部 空 隙 ， 如芯 片 粘 接 不 良 ， 器 件 封装 不 良超 声 波 传 播 遇 空 气隙 受 阻 反 射信息产业部电子五所分析中心http:/X射线透视与反射式声扫描比较信息产业部电子五所分析中心http:/样品制备技术 种类：打开封装、去钝化层、去层间介质、抛切面技术、去金属化层 作用：增强可视性和可测试性 风险
10、及防范：监控信息产业部电子五所分析中心http:/打开塑料封装的技术去层间介质作用：多层结构芯片失效分析方法：反应离子腐蚀特点：材料选择性和方向性结果信息产业部电子五所分析中心http:/信息产业部电子五所分析中心http:/腐蚀的方向性信息产业部电子五所分析中心http:/去金属化Al层技术 作用 配方：30HCl 或 30H2SO4KOH 、NaOH溶液 应用实例p-SiAl-Si互溶AlSiO2n-SimA信息产业部电子五所分析中心http:/信息产业部电子五所分析中心http:/577.2C时Si在Al中的溶解度为At-12.1%液相固液共存固相温度580C100%10%信息产业部电子
11、五所分析中心http:/形貌象技术 光学显微术：分辨率3600A，倍数1200X景深小，构造简单对多层结构有透明性，可不制样 扫描电子显微镜：分辨率50A，倍数10万景深大，构造复杂对多层结构无透明性，需制样信息产业部电子五所分析中心http:/以测量电压效应为基础的失效定位技术用途：确定断路失效点位置主要失效定位技术： 扫描电镜的电压衬度象 机械探针的电压和波形测试 电子束测试系统的电压和波形测试信息产业部电子五所分析中心http:/SEM电压衬度象原理信息产业部电子五所分析中心http:/电压衬度象和差象示意图信息产业部电子五所分析中心http:/电子束测试技术 用途： （与IC测试系统相
12、比较）测定芯片内部节点的电压和波形，进行芯片失效定位（电镜+电子束探头示波器） 特点：（与机械探针相比较）高空间分辨率，非接触，无电容负载，容易对准被测点机械探针与电子探针比较 电压精度高，用于模拟电路、数字电路 信号注入、信号寻迹 接触性探针，需去钝化层 有负载，波形易变形 空间分辨率差 直流电压、交流电压、 脉冲电压交流电压、脉冲电压电压精度低，用于数字电路信号寻迹非接触性探针，不需去钝化层无负载，波形不变形 空间分辨率高信息产业部电子五所分析中心http:/信息产业部电子五所分析中心http:/波形比较法实例：ASIC电路单元库抗静电单元电路的设计验证信息产业部电子五所分析中心http:
13、/信息产业部电子五所分析中心http:/以测量电流效应为基础的失效定位技术 红外热象技术 用途：热分布图，定热点 光发射显微镜 用途：微漏电点失效定位栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应 电子束感生电流象 用途：pn结缺陷信息产业部电子五所分析中心http:/单端输出束感生电流象（EBIC） EBIC的用途：用SEM观察pn结缺陷 传统EBIC用双端输出，每次只能观察一个结 单端输出EBIC可同时观察芯片所有pn结的缺陷，适用于VLSI失效分析 例某CMOS电路的EBIC信息产业部电子五所分析中心http:/原理信息产业部电子五所分析中心http:/封装内部气体成份分析封装内部水汽和腐蚀性气体的
14、危害： 引起芯片表面漏电，器件电特性不稳定 腐蚀金属化层直至开路检测法 内置传感器 露点检测 质谱分析样品JK256 7923DG13014 3DG13062氮气 99.952.2 99.096.1水汽 0.0238.2 0.210.56信息产业部电子五所分析中心http:/质谱分析结果其它结果为：气体总压强，氧，氩，氢，CO2，酒精，甲醇，碳氢化合物仪器灵敏度：水汽 100ppm,其它气体 10ppm技术指标EDAXAESSIMS原子序数检测范围N10N2全部灵敏度（）101410深 度 分 辨 率（nm）100011横 向 分 辨 率（nm）10003001000信息产业部电子五所分析中心
15、http:/固态器件微区化学成份分析信息产业部电子五所分析中心http:/聚焦离子束技术用途： 1 制备探测通孔，实现多层布线VLSI的下层金属节点的电压和波形测试 2 为对准下层金属制备通孔，可同时显示CAD设计版图和芯片实时图象，可根据版图确定钻孔部位。 3 在VLSI芯片上进行线路修改，省去重新制板和流片的手续，加快产品研制信息产业部电子五所分析中心http:/用FIB制备探测通孔信息产业部电子五所分析中心http:/聚焦离子束技术 4 为观察内部缺陷，对样品进行局部剖切面 5 扫描离子显微镜可用于形貌观察信息产业部电子五所分析中心http:/第2章 电子元器件主要失效机理和失效分析程序
16、 元件 半导体器件信息产业部电子五所分析中心http:/失效分析的基本方法 根据失效现场数据和失效模式提出失效机理的假设 选择适当的失效分析方法对假设进行验证信息产业部电子五所分析中心http:/本章的学习目的 了解各种常用电子元器件的主要失效部位、失效机理和确定失效机理的实验方法，加快失效分析的进程信息产业部电子五所分析中心http:/薄膜电阻器的主要失效机理和分析技术 薄膜电阻器分为金属膜电阻器和碳膜电阻器 失效模式是烧毁开路和参数超差。 失效分析技术：观察外部颜色变化，去漆观察信息产业部电子五所分析中心http:/失效机理 开路失效的主要失效机理是：电阻膜烧毁或大面积脱落，基体断裂，引线
17、帽与电阻体脱落。 参数超差的主要失效机理是：引线帽与电阻体接触不良，电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良。信息产业部电子五所分析中心http:/电容器的失效机理和分析技术 主要失效模式为：击穿、电参数超差、开路击穿的主要失效机理是：电介质缺陷、电介质老化，电解液干涸电参数超差的主要失效机理是：潮湿的影响、离子迁移、电极损坏、接触不良、电解液干涸 主要失效机理是：引线断、电解液干涸 主要失效分析技术半导体器件的主要失效部位、失效机理和失效分析方法 过电应力（EOS）损伤 静电放电（ESD）损伤封装失效引线键合失效金属半导体接触失效钠离子沾污芯片粘接失效信息产业部电子五所分析中心ht
18、tp:/信息产业部电子五所分析中心http:/EOS损伤的定义和EOS来源 过度的电应力（电流或电压）作用于电子元器件引起的失效 操作失误：如反接元器件、电池，带电插拔 使用环境不良：电网、电路设计、温度、湿度浪涌电压和电流的产生交流电压不稳定交流电网负载通断雷击接地不良电容电感元件通断信息产业部电子五所分析中心http:/EOS损伤的种类和机理过流(引起过热）内引线熔断金属化互连线熔断Pn结漏电Pn结穿钉 金属热电迁移过压: 氧化层针孔 热电子注入信息产业部电子五所分析中心http:/信息产业部电子五所分析中心http:/过电EOS与静电ESD的区别电源和地烧毁多为EOS输入端烧毁难区分，有
19、可能是ESD电路板上烧毁为EOS，未使用失效多为ESDEOS直观性强，ESD较隐蔽EOS有明显的热效应，ESD无信息产业部电子五所分析中心http:/EOS和ESD的失效分析方法 1 端口电流明显增大或减小是失效信号 2 颜色变化是EOS的信号 3 模拟试验重现失效是重要方法信息产业部电子五所分析中心http:/封装失效 封装泄漏 气密性封装封入水汽 塑封器件的水汽渗透信息产业部电子五所分析中心http:/封装失效模式和机理 离子导电引起pn结反向漏电流增大和不稳定 电化学腐蚀引起金属化开路 爆米花效应引起塑封器件内引线开路信息产业部电子五所分析中心http:/封装泄漏检测 负压法（酒精） 氟
20、碳加压法信息产业部电子五所分析中心http:/气密性封装封入水汽的检测 内装湿度传感器 露点法 质谱法进口产品国内产品54hc4520电路54hc4520电路中功率晶体管3DG130晶体管3DG130晶体管混合集成电路集成电路气压torr3.53.523.527.530.551823.0氮气%80.379.999.999.096.198.193.7氧气18217.8-0.502.07未测到2.84水汽ppm454458未测到21005600未测到27100信息产业部电子五所分析中心http:/质谱法分析气密封装内气体表 3.2 部分进口产品和国内产品内部水汽测试数据注：表中阴影处的数据超出了
21、GJB548 标准要求。信息产业部电子五所分析中心http:/引线键合失效 失效外因：高温试验、振动试验、过电应力、工艺不良 主要失效机理：AuAl化合物（紫斑）过电烧毁爆米花效应引起塑封器件内引线开路管脚松动引起塑封器件内引线开路包封料键合点分层引起塑封器件内引线开路信息产业部电子五所分析中心http:/引线键合失效 失效分析方法：X射线透视、扫描声学显微镜、打开封装、显微观察、X射线能谱分析 质检方法：引线拉力测试信息产业部电子五所分析中心http:/金属半导体接触失效 失效模式：IDSS Vp 减小，pn结短路 包封料键合点分层引起塑封器件内引线开路 欧姆接触退化的失效机理 肖特基失效接触退化的机理 Si-Al互溶引起pn结失效 改进措施：加阻档层信息产业部电子五所分析中心http:/钠离子沾污 失效模式：反向漏电流不稳定 失效分析方法：高温反偏试验、高温存储
