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浅谈失效分析 张波2010 11 29 读 电子元器件失效分析 后感 1 什么是电子元器件失效 1 失效术语简介2 失效模式介绍3 失效分析程序4 失效分析技术5 失效分析使用的仪器 2 失效分析术语简介 什么是失效 器件性能发生剧烈的或是缓慢的变化 这些变化达到一定程度 器件不能正常工作 这种现象叫做失效 什么是失效模式 指失效的表现形式 一般指器件失效时的状态 如开路 短路 漏电或参数漂移等 3 失效分析术语简介 失效机理失效的物理和化学根源叫失效机理 物理和化学根源包括 环境 应力和时间 环境和应力包括温度 湿度 电 机械等 4 失效模式介绍 失效模式主要有 开路 短路 电参数超差 漏电按失效的持续性致命性 间歇性 缓慢退化按失效时间早期失效 随机失效 磨损失效 5 失效分析程序 6 失效分析技术 以失效分析为目的的电测技术无损失效分析技术样品制备技术失效定位分析技术 7 不同与质量检验为目的的测试 采用非标准化的测试方法 可以简化 包括引脚测试和芯片测试两类可以确定失效的管脚和模式 但不能确定失效的确切部位 1 以失效分析为目的的电测技术 8 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 standby 电流测试 所有输入端接地 或电源 所有输出端开路 测电源端对地端的电流 待机 standby 电流显著增大说明有漏电失效部位 待机 standby 电流显著减小说明有开路失效部位 9 管脚测试管脚测试可以确定失效的模式和管脚 无法确定失效的确切部位例1 桥堆的 AC1电性失效 其余管脚OK 则可以只对 AC1的晶粒做后续分析 如X RAY等例2 TO220AB的一端测试显示HI VF 我们可以估计可能的失效模式为晶粒横裂等 10 芯片测试 DECAP后的测试 芯片测试可以缩小失效分析的范围 省去一些分析步骤例 做过PCT的失效器件在去黑胶后测试电性恢复 后续的去铜可以不做 可以初步判定失效机理为水汽进入封装本体引起 导致失效 11 定义 不必打开封装对样品进行失效分析的方法 一般有 显微镜的外观检验X RAY检查内部结构C SAM扫描内部结构及分层 反射式声学扫描显微技术 2 无损失效分析技术 12 X RAY原理与医用的X射线透视技术完全相同 器件的不同材料造成不同的吸收系数 收集穿透的X射线通过图象处理可反映不同部位的影象可以观察器件内部结构 焊锡的状况 本体气孔等例 DF M的焊锡气孔 手动与自动制程的差异 13 C SAM 反射式声学扫描显微技术 原理 利用超声脉冲探测样品内部的空隙缺陷等 超声波对于不同的介质都会产生发射波 如果遇到空气即100反射 该技术是对器件分层最有效的检测方法可以检测材料结构界面的粘连和分层状况 及塑封材料的空洞 芯片开裂等 例 分层器件与正常器件的C SAM图片 14 X射线透视与反射式声扫描比较 15 3 样品制备技术 DE CAP分析利用强酸将器件的封装去处 展示材料的内部结构 是一个破坏性的分析技术 不可逆转 因此在进行此步分析时请确认所有非破坏性的分析已经完成 通常用烧杯中加热的方式 更高级的DE CAP有专门的设备分析人员须考虑潜在的损坏和每项分析的目的 16 2020 3 20 17 高级的DE CAP设备原理图 18 步骤一 去黑胶配比 发烟HNO3 H2SO4 3 1加热时间 煮沸后5 10分钟 根据材料大小 注意 酸液不能超过烧杯的规定刻度 以防加热过程酸液溅出来显微镜观察焊接件结构 芯片的外观检查等烘烤后测试 19 步骤二 去铜配比浓硝酸加热时间 沸腾后3 5分钟离开电炉至铜反应完注意 加热沸腾比较剧烈 加酸液的液面不要超过烧杯的规定刻度 显微镜观察 焊锡的覆盖面积 气孔 位置 焊锡颗粒 芯片Crack等 20 步骤三 去焊锡配比浓硝酸加热时间 沸腾后30分钟左右注意 加酸液的液面不要超过烧杯规定刻度 以防止酸液溅出显微镜观察 芯片正反两面观察 Surgemark点 结构电性确认 21 去钝化层的技术 湿法 如用HF H2O 1 1溶液去SiO285 HPO3溶液 温度160C去Si3N4干法 CF4和O2气体作等离子腐蚀去SiNx和聚酰亚胺干湿法对比 22 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 23 去金属化Al层技术 作用配方 30 HCl或30 H2SO4KOH NaOH溶液应用实例 pn结穿钉 24 4 失效定位分析技术 定位技术 HOTSPOT 红外热像仪 液晶探测原理 将失效的芯片通电 在失效点附近会有大的漏电通过 这部分的温度会升高 利用红外热像仪或芯片表面涂液晶用偏振镜观察 可以找到失效点 从而可以进一步针对失效点作分析 对于在芯片上明显的异常点 如Surgemark Microcrack 氧化层脱落 比较容易定位对于目视或显微镜下无法观察到的芯片 可以加电后借助红外热像仪或液晶测试找到失效点 25 红外热像仪 液晶 例 分别用红外热像仪和液晶方法获得的失效点照片 26 为更进一步确认失效点的失效机理 我们需要对失效点进行电子放大扫描 SEM 和能谱分析 EDX 以找到失效点的形貌和化学元素组成等 作为判定失效原因的依据 27 电子扫描 SEM 及能谱分析 EDX 原理 利用阴极所发射的电子束经阳极加速 由磁透镜聚焦后形成一束直径为几百纳米的电子束流打到样品上激发多种信息 如二次电子 背散射电子 俄歇电子 射线 经收集处理 形成相应的图象 通常使用二次电子来形成图象观察 同时通过特征 射线可以进行化学成分的分析 28 扫描电子显微镜与光学显微镜的比较 29 扫描电镜的应用用来观察光学显微镜下