電子元器件失效分析技術(shù).ppt

IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,1,電子元器件失效分析_培訓(xùn)總結(jié)報(bào)告,尤利寧 賀永紅 2006-7-6,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,2,提綱：,可靠性的基本概念和新的觀念； 失效分析的8個(gè)步驟； 3. 失效分析的概念，目的，作用，對(duì)象和分類(lèi)； 4. 與我們生產(chǎn)有關(guān)的例子； 5. 失效分析的新技術(shù)。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,3,一. 關(guān)于可靠性？,電子產(chǎn)品可靠性定義： 是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下及規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，它是電子產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要組成部分。 可靠性的表征： 壽命；失效率；故障；MTBF；返修；賠償 注：電子產(chǎn)品的壽命：包括硬件壽命到期；技術(shù)壽命到期（過(guò)了換代期的電子產(chǎn)品）,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,4,傳統(tǒng)可靠性觀念： 是以失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析為手段，表征產(chǎn)品的可靠性，比如MTBF。 可靠性的新觀念： 是以失效分析為手段，尋找失效的根本原因，并加以解決以達(dá)到從根本上提高可靠性的目的。 幾個(gè)概念： 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)(RET, Reliability Enhancement Testing）,或稱為步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)；高加速壽命試驗(yàn)HALT，高加速應(yīng)力篩選HASS等面向失效分析的可靠性新技術(shù) 失效物理學(xué)（Pof，Physics of Failure），把失效作為主體研究，通過(guò)激發(fā)，研究和根治失效達(dá)到提高可靠性的目的,可靠性工程新舊觀念對(duì)比,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,5,可靠性觀念變化比較,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,6,失效物理方法的8個(gè)步驟：,確定真正的系統(tǒng)要求； 確定使用環(huán)境；（包括生產(chǎn)環(huán)境，但這點(diǎn)經(jīng)常被忽略） 驗(yàn)明潛在的失效部位和失效機(jī)理； 采用可靠的原材料的元器件； 設(shè)計(jì)可靠的產(chǎn)品； 鑒定加工和裝配過(guò)程； 控制加工和裝配過(guò)程；（從設(shè)計(jì)和制造過(guò)程加強(qiáng)可靠性） 對(duì)產(chǎn)品的壽命期成本和可靠性進(jìn)行管理（采購(gòu)后到達(dá)到使用壽命結(jié)束這中間的所有管理，培訓(xùn)，控制等等成本之和）,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,7,另一領(lǐng)域的失效分析,醫(yī)藥學(xué)的歷史與人類(lèi)的病痛一樣長(zhǎng)，大量醫(yī)藥科學(xué)的進(jìn)步都是建立在外科醫(yī)生的尸體解剖上。（仁慈的東方人除外）； 在這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，這一做法通常稱為“失效分析”； 每個(gè)失效部件都應(yīng)被視為進(jìn)行可靠性改進(jìn)的機(jī)會(huì)，從這個(gè)角度講，失效部件有時(shí)甚至是“珍貴的” 這個(gè)例子可以幫助我們理解失效分析的作用和失效部件的重要性。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,8,二. 失效分析基本概念,失效：功能退化或著功能喪失； 失效模式：失效現(xiàn)象的表現(xiàn)形式，如開(kāi)路，短路，參數(shù)漂移，不穩(wěn)定等； 失效機(jī)理：導(dǎo)致失效的物理化學(xué)變化過(guò)程，和對(duì)這一過(guò)程的解釋，如電遷移開(kāi)路，銀電化學(xué)遷移短路。工程上，也會(huì)把失效原因說(shuō)成失效機(jī)理。 應(yīng)力：驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品完成功能所需的動(dòng)力和產(chǎn)品經(jīng)歷的環(huán)境條件。是產(chǎn)品退化的誘因； 缺陷：,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,9,失效分析的目的和作用,失效分析:是對(duì)已失效的器件進(jìn)行的一種事后檢查，使用電測(cè)試和先進(jìn)的物理，進(jìn)行和化學(xué)分析技術(shù)，驗(yàn)證所報(bào)告的失效，確定其失效模式，找出失效機(jī)理。 失效分析程序應(yīng)得出相應(yīng)結(jié)論，確定失效原因或相應(yīng)關(guān)系，或著在生產(chǎn)工藝，器件設(shè)計(jì)，試驗(yàn)或應(yīng)用方面采取措施，以消除失效模式或機(jī)理產(chǎn)生的原因，或防止其重新出現(xiàn)。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,10,失效分析的對(duì)象,實(shí)物對(duì)象：包括已發(fā)生失效或發(fā)生重要變化的測(cè)試結(jié)構(gòu)，半成品，試制品，試驗(yàn)品，整機(jī)應(yīng)用以及外場(chǎng)應(yīng)用失效品。 過(guò)程對(duì)象：包括元器件的研發(fā)過(guò)程和應(yīng)用過(guò)程。 研發(fā)過(guò)程:可細(xì)分為設(shè)計(jì)優(yōu)化，制造工藝優(yōu)化，測(cè)試篩選與評(píng)價(jià)試驗(yàn)優(yōu)化等過(guò)程（比如Hexfred Ir漂移事件的解決，我們?cè)O(shè)計(jì)新的篩選程序）； 應(yīng)用過(guò)程：元器件選型，二次篩選條件優(yōu)化，設(shè)備研制生產(chǎn)中的故障控制對(duì)策，可靠性增長(zhǎng)，全壽命維護(hù)等（更偏向用戶）,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,11,失效模式的概念和種類(lèi),失效模式：就是失效的外在表現(xiàn)形式，不需要深入說(shuō)明其物理原因 按持續(xù)性分類(lèi)：致命性失效，間歇失效，緩慢退化； 按失效時(shí)間分類(lèi)：早期失效，隨即失效，磨損失效； 按電測(cè)試結(jié)果分類(lèi)：開(kāi)路，短路或漏電，參數(shù)漂移，功能失效 按失效原因分類(lèi)：EOS（Electrical over Stress/ESD (Electrostatic Discharge);制作工藝不良。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,12,三. 一些例子 Eg1. ESD失效機(jī)理解釋,定義：處于不同靜電電位的兩個(gè)物體間發(fā)生的靜電電荷轉(zhuǎn)移就形成了ESD，這種靜電放電將給電子元件帶來(lái)?yè)p傷，引起產(chǎn)品失效。 電子元器件由靜電放電引發(fā)的失效可分為：突發(fā)性失效和潛在性失效兩種模式。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,13,突發(fā)性失效： 是指元器件受到ESD損傷后，突然完全喪失其規(guī)定的功能，主要表現(xiàn)為開(kāi)路，短路或參數(shù)嚴(yán)重漂移。 潛在性失效： 是指靜電放電能量較低，僅在元器件內(nèi)部造成輕微損傷，放電后器件電參數(shù)仍能合格或略有變化，但器件的抗過(guò)電的能力已經(jīng)明顯削弱，再受到工作應(yīng)力后將進(jìn)一步退化，使用壽命將明顯縮短。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,14,ESD失效的不同機(jī)理,過(guò)電壓場(chǎng)致失效： 發(fā)生于MOS器件，包括含有MOS電容或鉭電容的雙極性電路和混合電路； 過(guò)電流熱致失效：多發(fā)生于雙極器件，包括輸入用pn結(jié)二極管保護(hù)電路的MOS電路，肖特基二極管以及含有雙極器件的混合器件 實(shí)際發(fā)生哪種失效，取決于靜電放電回路的絕緣程度！ 如果放電回路阻抗較低，絕緣性差，器件往往會(huì)因放電期間的強(qiáng)電流脈沖導(dǎo)致高溫?fù)p傷，這屬于過(guò)電流損傷； 相反，因阻抗高，絕緣性好，器件接受高電荷而產(chǎn)生高壓，導(dǎo)致強(qiáng)電場(chǎng)損傷，屬于過(guò)壓損傷。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,15,ESD 損傷圖片,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,16,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,17,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,18,Eg2. 塑封器件分層效應(yīng)（“爆米花效應(yīng)”）,”爆米花效應(yīng)“是指塑封器件塑封材料內(nèi)的水份在高溫下受熱發(fā)生膨脹，使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層，拉斷鍵合絲，發(fā)生開(kāi)路失效或間歇失效。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,19,TOHD,TODD,TPost,分層效應(yīng) CSam圖片,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,20,1. 基本思路： 信息分析（失效環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范，經(jīng)驗(yàn)） 失效模式確認(rèn)（通過(guò)測(cè)試，試驗(yàn)，對(duì)比分析） 可能的失效機(jī)理（在前兩項(xiàng)的基礎(chǔ)上） 尋找證據(jù)（物理，化學(xué)，試驗(yàn)） 原因推演 必要的驗(yàn)證和結(jié)論,四. 失效分析技術(shù)與設(shè)備,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,21,2. 基本流程：,失效現(xiàn)場(chǎng)信息調(diào)查,外觀檢查,失效模式確認(rèn),方案設(shè)計(jì),非破壞性分析,破壞性分析,綜合分析,報(bào)告編寫(xiě),操作原則： 先外部后內(nèi)部； 先非破壞性后半破壞性； 最后破壞性； 避免引進(jìn)新的失效機(jī)理。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,22,3. 失效信息調(diào)查與方案設(shè)計(jì) 信息類(lèi)別： 基本信息：包括處于管理需要的信息，包括樣品來(lái)源，型號(hào)，批次，編號(hào)，時(shí)間，地點(diǎn)等。 技術(shù)信息：是判斷可能的失效機(jī)理和失效分析方案設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。 特定使用應(yīng)用信息: 整機(jī)故障現(xiàn)象,異常環(huán)境,在整機(jī)中的狀態(tài),應(yīng)用電路,二次篩選應(yīng)力,失效歷史,失效比例,失效率及隨時(shí)間的變化. 特定的生產(chǎn)工藝: 生產(chǎn)工藝條件和方法;特種器件應(yīng)先用好品開(kāi)封了解和研究其結(jié)構(gòu)特點(diǎn).,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,23,一些分析途徑簡(jiǎn)介,1. 非破壞性分析的基本途徑（先實(shí)施易行的，低成本的） 外觀檢查 模式確認(rèn)（測(cè)試和試驗(yàn)，對(duì)比分析） 檢漏 可動(dòng)微粒檢測(cè)（PIND） X光照相 Csam 模擬試驗(yàn),IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,24,1. CSam 和X射線透視儀,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,25,CSam和X射線透視儀的成像,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,26,2. 半破壞性分析的基本途徑（多余物，污染，缺陷，微區(qū)電特性和電光熱效應(yīng)） 可動(dòng)微粒收集 內(nèi)部氣氛檢測(cè) 開(kāi)封：專用工具，研磨，觀察研磨面塌陷區(qū)域； 濕法腐蝕（化學(xué)法）：硫酸，硝酸； 干法腐蝕：在真空條件下，等離子體轟擊 不加電的內(nèi)部檢驗(yàn)：光學(xué)，SEM，微區(qū)成分； 加電的內(nèi)部檢驗(yàn)： 微探針，熱像，光發(fā)射，電壓襯度像，束感生電流像，電子束探針。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,27,不加電的內(nèi)部檢驗(yàn)設(shè)備 金相顯微鏡，掃描電鏡（SEM）,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,28,能譜儀（EDS）及其特點(diǎn),IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,29,加電的內(nèi)部檢查,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,30,以電流效應(yīng)為基礎(chǔ)的定位技術(shù),IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,31,光發(fā)射顯微鏡定位技術(shù),IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,32,3. 破壞性分析的基本途徑（進(jìn)一步的微區(qū)電特性，污染，缺陷） 加電的內(nèi)部檢驗(yàn)（去除鈍化層，微探針，聚焦粒子束，電子束探針） 剖切面分析（光學(xué)，SEM,TEM),IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,33,去除鈍化層技術(shù),化學(xué)方法去除鈍化層,在真空條件下，等離子體轟擊去除鈍化層。 缺點(diǎn)：對(duì)半導(dǎo)體材料表面有損傷，而且有輻射，會(huì)影響材料的性質(zhì),IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,34,金相切片制備技術(shù),IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,35,注意：金相切片技術(shù)，要觀察金屬見(jiàn)化合物，還要采用適當(dāng)?shù)母g液，使不同金屬或合金成分顯示不同的顏色，并且要注意過(guò)程中不能產(chǎn)生新的失效或破壞原來(lái)的失效。,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,36,金相切片分析方法特點(diǎn),破壞性方法； 試樣制備周期長(zhǎng)，需要1D，最好3D； 3. 試樣制備要求高； 4. 可直觀獲取材料內(nèi)部大量信息； 5. 對(duì)操作和分析人員要求較高,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,37,附錄： 分析技術(shù)與設(shè)備清單,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,38,附錄： 分析技術(shù)與設(shè)備清單,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,39,附錄： 分析技術(shù)與設(shè)備清單,IR CONFIDENTIAL,2019/6/27,40,相關(guān)知識(shí)（軍工企業(yè)的要求）,質(zhì)量問(wèn)題技術(shù)歸零 為徹底解決由于技術(shù)原因造成的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，避免