應(yīng)用總結(jié)-電子元器件失效分析

1、無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料1電子元器件失效分析與案例分析電子元器件失效分析與案例分析華潤(rùn)矽科市場(chǎng)營(yíng)銷部應(yīng)用組華潤(rùn)矽科市場(chǎng)營(yíng)銷部應(yīng)用組 無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 一、失效分析的意義一、失效分析的意義 在電子元器件的研制階段、失效分析可糾正設(shè)計(jì)和研制中的錯(cuò)誤，縮短研制周期；在電子元器件的生產(chǎn)、測(cè)試和使用階段，失效分析可找出電子元器件的失效原因和引起失效的責(zé)任方。 根據(jù)失效分析結(jié)果，元器件生產(chǎn)廠改進(jìn)元器件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，元器件適用方改進(jìn)電路板設(shè)計(jì)，改進(jìn)元器件或整機(jī)的測(cè)試、試驗(yàn)條件及程序，甚至以此為根據(jù)更換不合格的元器件供貨商。 因此失效分析對(duì)加快電子元器件的研制速

2、度，提高元器件和整機(jī)的成品率和可靠性有重要意義。電子元器件失效分析的意義電子元器件失效分析的意義無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 二、失效分析的主要內(nèi)容二、失效分析的主要內(nèi)容- -思路思路 2.1 2.1、明確分析對(duì)象、明確分析對(duì)象 明確分析對(duì)象及失效發(fā)生的背景。在對(duì)委托方提交的失效樣品進(jìn)行具體的失效分析操作之前，失效分析人員應(yīng)該和委托方進(jìn)行溝通，了解失效發(fā)生時(shí)的狀況，確定在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測(cè)、儲(chǔ)存、傳送或使用哪個(gè)階段發(fā)生的失效，如有可能要求委托方詳細(xì)描述失效發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象以及失效發(fā)生前后的操作過(guò)程。 2.22.2、確定失效模式、確定失效模式 失效的表面現(xiàn)象或失效的表現(xiàn)形式就是失效模式。

3、失效模式的確定通常采用兩種方法，即電學(xué)測(cè)試和顯微鏡觀察。 立體顯微鏡觀察失效樣品的外觀標(biāo)志是否完整，是否存在機(jī)械損傷，是否有腐蝕痕跡等； 金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等設(shè)備觀察失效部位的形狀、大小、位置、顏色，機(jī)械和物理特性等，準(zhǔn)確的掃描失效特征模式。 電學(xué)測(cè)試判斷其電參數(shù)是否與原始數(shù)據(jù)相符，分析失效現(xiàn)象可能與失效樣品中的哪一部分有關(guān)。 失效分析的主要內(nèi)容失效分析的主要內(nèi)容無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 2.3 2.3、判斷失效原因、判斷失效原因 失效可能由一系列的原因造成，如設(shè)計(jì)缺陷、材料質(zhì)量問題、制造過(guò)程問題、運(yùn)輸或儲(chǔ)藏條件不當(dāng)、在操作時(shí)的過(guò)載等，而大多數(shù)的失效包括一系列串行發(fā)生

4、的事件。 2.4 2.4、研究失效機(jī)理、研究失效機(jī)理 在確定失效機(jī)理時(shí)，需要選用有關(guān)的分析、試驗(yàn)和觀測(cè)設(shè)備對(duì)失效樣品進(jìn)行仔細(xì)分析，驗(yàn)證失效原因的判斷是否屬實(shí)，并且能把整個(gè)失效的順序與原始的癥狀對(duì)照起來(lái)，有時(shí)需要用合格的同種元器件進(jìn)行類似的破壞性試驗(yàn)，觀察是否產(chǎn)生相似的失效現(xiàn)象，通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證（模擬實(shí)驗(yàn)），確定真實(shí)的失效原因，以電子元器件失效機(jī)理的相關(guān)理論為指導(dǎo)，對(duì)失效模式、失效原因進(jìn)行理論推理，并結(jié)合材料性質(zhì)、有關(guān)設(shè)計(jì)和工藝的理論及經(jīng)驗(yàn)，提出在可能的失效條件下導(dǎo)致該失效模式產(chǎn)生的內(nèi)在原因或具體物理化學(xué)過(guò)程，如有可能，更應(yīng)以分子、原子學(xué)觀點(diǎn)加以闡明或解釋。 失效分析的主要內(nèi)容失效分析的主要內(nèi)容無(wú)錫

5、華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 2.52.5、提出預(yù)防措施及設(shè)計(jì)改進(jìn)方法、提出預(yù)防措施及設(shè)計(jì)改進(jìn)方法 根據(jù)分析判斷、提出消除產(chǎn)生失效的辦法和建議，及時(shí)地反饋到設(shè)計(jì)、工藝、使用單位等各個(gè)方面，以便控制乃至完全消除失效的主要失效模式的出現(xiàn)。 這需要失效工程師與可靠性、工藝、設(shè)計(jì)和測(cè)試工程師一起協(xié)作，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)力量，根據(jù)失效分析結(jié)果，提出防止產(chǎn)生失效的設(shè)想和建議，包括材料、工藝、電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、篩選方法和條件、使用方法和條件、質(zhì)量控制和管理等方面。失效分析的主要內(nèi)容失效分析的主要內(nèi)容無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料三、失效模式與失效機(jī)理三、失效模式與失效機(jī)理 失效模式與失效機(jī)理的

6、對(duì)應(yīng)關(guān)系 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理失效模式主要失效機(jī)理開路EOS、ESD、電遷移（EM）、應(yīng)力遷移（SM）、腐蝕、鍵合點(diǎn)脫落、紫斑、機(jī)械應(yīng)力、熱變應(yīng)力短路（漏電）pn結(jié)缺陷、pn結(jié)穿釘、EOS、介質(zhì)擊穿（TDDB效應(yīng)、針孔缺陷）、水汽、金屬遷移、界面態(tài)、離子導(dǎo)電參漂氧化層電荷、鈉離子玷污、表面離子、芯片裂紋、過(guò)載流子（HC）、輻射損傷功能失效EOS、ESD、Latch-Up無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料各相關(guān)失效機(jī)理的概念和定義簡(jiǎn)述如下： 3.1 3.1、過(guò)電應(yīng)力、過(guò)電應(yīng)力EOSEOS指元器件承受的電流、電壓應(yīng)力或功率超過(guò)其允許的最大范圍。 過(guò)電應(yīng)力的來(lái)源： （1）電浪

7、涌損傷 瞬間 瞬時(shí)功率很大 電浪涌來(lái)源有 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料（2）操作失誤造成的電損傷 2-1 雙列直插式封裝的集成電路當(dāng)測(cè)試時(shí)不慎反插，往往就會(huì)造成電源和地兩端插反，其結(jié)果是集成電路電源與地之間存在的PN結(jié)隔離二極管就會(huì)處于正偏(正常情況是反偏)，出現(xiàn)近100毫安的正向電流，這種電過(guò)應(yīng)力損傷隨著通電時(shí)間的增長(zhǎng)而更加嚴(yán)重。這種損傷如果不太嚴(yán)重，雖然電路功能正常，只表現(xiàn)出靜態(tài)功耗增大，但這種受過(guò)損傷的電路，可靠性已嚴(yán)重下降，如果上機(jī)使用，就會(huì)給機(jī)器造成隱患。 2-2 T0-5型金屬管殼封裝的集成電路，電測(cè)試時(shí)容易出現(xiàn)管腳插錯(cuò)或管腳間相碰

8、短路。這種意外情況有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致集成電路內(nèi)部某些元器件的電損傷。 2-3 電路調(diào)試時(shí)，不慎出現(xiàn)“試筆頭”橋接短路管腳，這種短接有時(shí)會(huì)造成電損傷。 2-4 在電子設(shè)備中設(shè)置的“檢測(cè)點(diǎn)”，如果位置設(shè)置不當(dāng)又無(wú)保護(hù)電路時(shí)，維修時(shí)就可能將不正常的電壓引入該端而損傷器件。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料（3）多余金屬物引起短路 管腳浸錫時(shí)在管腳根部殘留的焊錫碴或者是印制板上留下的多余錫碴、導(dǎo)線頭、細(xì)金屬絲、金屬屑等可動(dòng)多余物，容易引起集成電路輸出對(duì)電源或?qū)Φ囟搪罚@種短路引起的過(guò)大電流會(huì)損傷集成電路。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有

9、限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料（4）電烙鐵或儀器設(shè)備漏電引起的電損傷 集成電路或晶體管的引出端與漏電的電烙鐵、儀器或設(shè)備機(jī)殼相碰，或者在儀器設(shè)備上更換元器件以及修補(bǔ)焊點(diǎn)等，都會(huì)帶來(lái)電損傷。最容易被損傷的集成電路有：帶有MOS電容的集成電路、MOS電路、微波集成電路、STTL和LSTTL電路、單穩(wěn)電路和振蕩器、A/D和D/A電路、高精度運(yùn)算放大器、LSI和VLSI電路。其中單穩(wěn)電路和振蕩器在調(diào)試時(shí)發(fā)生的這種電損傷很不容易發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閾p傷的表現(xiàn)形式往往是表現(xiàn)為單穩(wěn)電路的脈沖寬度發(fā)生漂移；振蕩器的振蕩頻率發(fā)生漂移，調(diào)試人員往往把這種現(xiàn)象錯(cuò)誤地認(rèn)為是沒有將電路調(diào)試好。 當(dāng)更改定時(shí)元件R.C后，參數(shù)可以恢復(fù)正常，

10、但這種“恢復(fù)正?！钡碾娐罚ぷ饕欢螘r(shí)間后又會(huì)出現(xiàn)上述的參數(shù)漂移現(xiàn)象。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料（5）CMOS電路發(fā)生可控硅效應(yīng)(閂鎖效應(yīng)) CMOS電路的靜態(tài)功耗極小，但可控硅效應(yīng)被觸發(fā)后功耗會(huì)變得很大(50200毫安)，并導(dǎo)致電路發(fā)生燒毀失效。CMOS電路的硅芯片內(nèi)部，在VDD與VSS之間有大量寄生可控硅存在，并且所有輸出端和輸入端都是它的觸發(fā)端，在正常條件下工作，由于輸入和輸出電壓滿足下式要求：VDDVoutVss VDDVinVss。 所以正常工作條件下CMOS電路不會(huì)發(fā)生可控硅效應(yīng)。但在某些特殊情況下，上述條件就會(huì)不滿足，凡是出現(xiàn)以

11、下情況之一，可控硅效應(yīng)(閂鎖)就可能發(fā)生，發(fā)生閂鎖的CMOS電路如果無(wú)限流保護(hù)就會(huì)被燒毀。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料（6）CMOS電路振蕩引起功率過(guò)荷 6-1 當(dāng)CMOS電路的任何一個(gè)輸入端發(fā)生浮空時(shí)，CMOS電路都會(huì)發(fā)生自激振蕩。 6-2 CMOS電路輸入緩慢變化的脈沖時(shí)容易引起振蕩。輸入緩慢變化的脈沖使輸入端處于VDD/2的時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)不穩(wěn)定的時(shí)間增長(zhǎng)，容易誘發(fā)CMOS電路發(fā)生振蕩。振蕩后電路功耗增大(高達(dá)200mA)，發(fā)生電過(guò)應(yīng)力損傷。 6-3 防止振蕩的方法有： a.在任何意外情況下都不允許CMOS電路的任何一個(gè)輸入端出

12、現(xiàn)浮空狀態(tài)； b.輸入脈沖的上升和下降時(shí)間應(yīng)有要求：普通CMOS電路的上升時(shí)間應(yīng)小于10s，而計(jì)數(shù)器和移位寄器電路，5V時(shí)應(yīng)小于5s，10V時(shí)應(yīng)小于1s，15V時(shí)應(yīng)小于200ns； c.利用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料3.23.2、靜電放電、靜電放電ESDESD處于不同靜電電位的兩個(gè)物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移就是靜電放電。這種靜電電荷的轉(zhuǎn)移方式有多種，如接觸放電、空氣放電。靜電放電一般指靜電的快速轉(zhuǎn)移或泄放。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 電子元器件由靜電放電引發(fā)的失效可分為

13、：突發(fā)性失效和潛在性失效兩種模式。 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，上電后器件電參數(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。失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料ESDESD失效的不同機(jī)理失效的不同機(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MO

14、S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。失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料ESD 損傷圖片失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)

15、部資料3.33.3、輻射損傷、輻射損傷在自然和人造輻射環(huán)境中，各種帶電或不帶電的高能粒子（如質(zhì)子、電子、中子）以及各種高能射線（如射線、射線等）對(duì)集成電路造成的損傷。3.43.4、氧化層電荷、氧化層電荷集成電路中存在的與氧化層有關(guān)的電荷，包括固定氧化層電荷、可動(dòng)電荷、界面陷阱電荷和氧化層陷阱電荷。3.53.5、熱載流子、熱載流子HCHC指其能量比費(fèi)米能級(jí)大幾個(gè)kT以上的載流子，這些載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài)，當(dāng)其能量達(dá)到或超過(guò)Si-SiO界面勢(shì)壘時(shí)便會(huì)注入到氧化層中，產(chǎn)生界面態(tài)，氧化層陷阱或被陷阱所俘獲，使氧化層電荷增加或波動(dòng)不穩(wěn)，這就是熱載流子效應(yīng)。3.63.6、柵氧擊穿、柵氧擊穿在MOS

16、器件及其集成電路中，柵極下面存在一薄層SiO ，此即通稱的柵氧（化層）柵氧的漏電與柵氧質(zhì)量關(guān)系極大，漏電增加到一定程度即構(gòu)成擊穿，導(dǎo)致器件失效。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料3.73.7、與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（、與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDBTDDB）指施加的電場(chǎng)低于柵氧的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)，并未引起本征擊穿，但經(jīng)歷一定時(shí)間后仍發(fā)生擊穿的現(xiàn)象，這是由于施加應(yīng)力過(guò)程中，氧化層內(nèi)產(chǎn)生并集聚了缺陷（陷阱）的原因。3.83.8、電遷移（、電遷移（EMEM）當(dāng)器件工作時(shí)，金屬互連線的鋁條內(nèi)有一定電流通過(guò)，金屬離子會(huì)沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的運(yùn)輸，其結(jié)果會(huì)使導(dǎo)體的某些部位

17、出現(xiàn)空洞或晶須（小丘），這即電遷移現(xiàn)象。3.93.9、應(yīng)力遷移（、應(yīng)力遷移（SMSM）鋁條經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)或高溫處理，由于應(yīng)力的作用也會(huì)發(fā)生鋁條開路斷裂的失效。這時(shí)空洞多發(fā)生在晶粒邊界處，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力遷移，以與通電后鋁條產(chǎn)生電遷移的失效區(qū)別。鋁條愈細(xì)，應(yīng)力遷移失效愈嚴(yán)重。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料3.103.10、鍵合失效、鍵合失效一般是指金絲和鋁條互連之間的鍵合失效。由于金-鋁之間的化學(xué)勢(shì)的不同，經(jīng)長(zhǎng)期使用或200以上高溫儲(chǔ)存后，會(huì)產(chǎn)生多種金屬間化合物，如紫斑、白斑等。結(jié)果使鋁層變薄，粘附性下降，造成半斷線狀態(tài)，接觸電阻增加，最后導(dǎo)致開路失

18、效。在300高溫下還會(huì)產(chǎn)生空洞，即柯肯德爾效應(yīng)，這種效應(yīng)是在高溫下金向鋁中迅速擴(kuò)散并形成化合物，在鍵合點(diǎn)四周出現(xiàn)環(huán)形空洞，使鋁膜部分或全部脫離，形成高阻或開路。3.113.11、PNPN結(jié)穿釘結(jié)穿釘一般指在長(zhǎng)期電應(yīng)力或突發(fā)的強(qiáng)電流的作用下，在PN結(jié)處于局部鋁-硅熔融生成合金釘，穿透PN結(jié)，造成PN結(jié)短路的現(xiàn)象。3.123.12、腐蝕失效、腐蝕失效許多集成電路是用樹脂包封的，然而水汽可以穿過(guò)樹脂體和引腳-樹脂界面達(dá)到鋁互連處，由水汽帶入的外部雜質(zhì)或從樹脂中溶解的雜質(zhì)與金屬鋁作用，使鋁互連線發(fā)生化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。 失效模式與失效機(jī)理失效模式與失效機(jī)理無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料

19、四、失效分析程序四、失效分析程序 失效分析的原則是先進(jìn)行非破壞性分析，后進(jìn)行破壞性分析；先外部分析，后內(nèi)部（解剖分析）；先調(diào)查了解與失效有關(guān)的情況（線路、應(yīng)力條件、失效現(xiàn)象等），后分析失效元器件。失效分析通用流程圖如下： 失效分析程序失效分析程序無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 4.14.1、失效環(huán)境調(diào)查、失效環(huán)境調(diào)查圍繞失效必須詳細(xì)了解如下信息：（1）批次認(rèn)可。產(chǎn)品數(shù)據(jù)、存貨量和儲(chǔ)存條件。（2）發(fā)現(xiàn)失效的地點(diǎn)和時(shí)間。工藝過(guò)程、外場(chǎng)使用情況及失效日期。（3）產(chǎn)品記錄。產(chǎn)品在制造和裝配工藝過(guò)程中的工藝條件、交貨日期、條件和可接受的檢查結(jié)果，裝配條件和相同失效發(fā)生的有關(guān)記錄等。（4）工作

20、條件。電路條件、熱/機(jī)械應(yīng)力、噪聲環(huán)境（室內(nèi)/室外、溫度、濕度、大氣壓），失效發(fā)生前的操作。（5）失效詳情。失效類型（特性退化、完全失效或間歇性失效），失效比例和批次情況等，失效現(xiàn)象（無(wú)功能、參數(shù)變壞、開短路）。失效分析程序失效分析程序無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 4.24.2、失效樣品保護(hù)、失效樣品保護(hù) 對(duì)于由于機(jī)械損傷和環(huán)境腐蝕引起的失效結(jié)果，必須對(duì)元器件進(jìn)行拍照保存其原始形貌。為了避免進(jìn)一步失效，樣品在傳遞和存放過(guò)程中必須特別小心以保證避免環(huán)境（溫度、濕度）應(yīng)力、電和機(jī)械對(duì)應(yīng)力元器件的進(jìn)一步損傷，在傳遞一些小的元器件時(shí)必要的裝載必須保證。4.34.3、失效分析方案設(shè)計(jì)、失效

21、分析方案設(shè)計(jì) 嚴(yán)格按順序有目的的選擇試驗(yàn)項(xiàng)目 避免盲目性 避免失誤甚至丟失與失效有關(guān)痕跡 節(jié)省時(shí)間 快速準(zhǔn)確的得到失效原因的證據(jù) 準(zhǔn)確判斷失效機(jī)理失效分析程序失效分析程序無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 4.44.4、外觀檢查、外觀檢查下列項(xiàng)目必須在目檢中檢查：（1）灰塵金屬、金屬氧化物、灰塵（2）玷污水跡、油跡、焊料痕跡或?yàn)R射的其他液體（3）管腳變色通常管腳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠提高可焊性和防腐蝕，管腳表面的變色通常表明基體材料被熱氧化、硫化和有缺陷，預(yù)處理不完全或存在明顯的缺陷。（4）由壓力引起的引線斷裂以銅基為主的合金在外界壓力或內(nèi)部剩余壓力的作用下，并處于氨、胺類、潮濕氣體或高溫環(huán)境

22、中時(shí)，就會(huì)發(fā)生壓力侵蝕現(xiàn)象。掃描電子顯微鏡觀察斷層的外形及邊界特征的分析（5）機(jī)械引線損壞機(jī)械引線損壞的模式取決于引線的外形、負(fù)載及所處的環(huán)境。主要的裂縫類型有：疲勞裂縫、振動(dòng)裂縫、蠕變裂縫和其他裂縫。（6）封裝裂縫引起濕氣進(jìn)入元器件里面。滲入燃料法（7）金屬化遷移高溫及高濕度條件下施加電場(chǎng)，則絕緣材料中或其表面的金屬離子將從陽(yáng)極遷移到負(fù)極并在該處堆積，最終會(huì)導(dǎo)致兩極間的短路。掃描電子顯微鏡觀察。（8）晶須軟金屬，如錫的鍍層表面上會(huì)偶爾會(huì)形成針狀單晶結(jié)構(gòu)，會(huì)引起引線間的短路。失效分析程序失效分析程序無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 4.54.5、電測(cè)、電測(cè)（1）電特性測(cè)試采用專用于評(píng)

23、價(jià)設(shè)計(jì)的測(cè)試方案來(lái)詳細(xì)地評(píng)價(jià)樣品的電特性，測(cè)試的結(jié)果可用來(lái)確定失效模式，提高從失效環(huán)境中得到的失效機(jī)理估計(jì)的詳細(xì)度和精確度，該測(cè)試有利于選擇正確的分析方案。（2）直流特性測(cè)試通過(guò)波形記錄儀，微微安培計(jì)和示波器等來(lái)評(píng)測(cè)樣品的直流特性。大規(guī)模集成電路中，寄生二極管的存在使電流的漂移跟不上等效電路的變化，因此，測(cè)試時(shí)需參考無(wú)缺陷元器件來(lái)進(jìn)行。（3）失效模式測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)電特性測(cè)試和直流特性測(cè)試兩個(gè)步驟后如檢測(cè)不到缺陷，就需要進(jìn)行使用條件的失效模式測(cè)試。失效分析程序失效分析程序無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 4.64.6、應(yīng)力試驗(yàn)分析、應(yīng)力試驗(yàn)分析 元器件的失效通常與應(yīng)力有關(guān)，應(yīng)力包括溫度、

24、電壓、電流、功率、濕度、機(jī)械振動(dòng)、沖擊、恒定加速度、熱沖擊和溫度循環(huán)等。通過(guò)應(yīng)力試驗(yàn)可以評(píng)估產(chǎn)品的失效應(yīng)力分布，確定產(chǎn)品發(fā)生失效的應(yīng)力范圍，揭示產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和工藝方面的缺陷、失效模式及相關(guān)失效機(jī)理。另外應(yīng)力試驗(yàn)也有助于確定元器件安全工作的極限應(yīng)力水平。4.4.7 7、故障模擬分析、故障模擬分析 元器件的失效有時(shí)與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)，列如電路系統(tǒng)中對(duì)過(guò)電保護(hù)不足、電路分布的干擾或熱分布不當(dāng)?shù)?。必須通過(guò)實(shí)際電路的模擬和示波器或其他的有關(guān)儀器進(jìn)行信號(hào)捕捉，找到有用的證據(jù)。（1）模擬應(yīng)用分析模擬失效條件的試驗(yàn)環(huán)境或應(yīng)用電路中工作，電壓、電流、輸入信號(hào)、各種頻率、時(shí)鐘響應(yīng)和輸出負(fù)載等的臨界條件（2）全溫度

25、參數(shù)測(cè)試（3）瞬時(shí)短路、斷路的試驗(yàn)分析（4）高溫和高溫電偏置試驗(yàn)失效分析程序失效分析程序無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 4.84.8、內(nèi)部分析、內(nèi)部分析（1）非破壞性的內(nèi)部分析X射線檢查、聲學(xué)掃描檢測(cè)（界面的粘結(jié)情況、分層現(xiàn)象）、殘留氣體分析、密封性檢查（氨原子示蹤檢測(cè)細(xì)小的泄漏）（2）破壞性的內(nèi)部分析開封、缺陷隔離技術(shù)失效點(diǎn)定位、芯片鈍化層的去除、物理分析、雜質(zhì)和合成物分析（3）確定失效機(jī)理 失效分析的最終目的是確定失效機(jī)理。必須從失效鑒別的不同角度、不同方面去合理地解釋一個(gè)元器件失效的原因。異?，F(xiàn)象與失效直接相關(guān)的幾率是很小的，一個(gè)錯(cuò)誤的判斷可能造成錯(cuò)誤的糾正措施。失效分析程序

26、失效分析程序無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 4.94.9、糾正措施、糾正措施 根據(jù)失效分析結(jié)果，提出防止失效再次發(fā)生的糾正措施和建議，包括工藝、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、線路、材料、刪選方法和條件、使用方法和條件、質(zhì)量控制和管理等各個(gè)方面。4.4.1 10 0、結(jié)果驗(yàn)證、結(jié)果驗(yàn)證 失效分析的結(jié)果是否正確，只有在實(shí)際應(yīng)用中才能得到驗(yàn)證。4失效分析程序失效分析程序無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 五、失效分析技術(shù)五、失效分析技術(shù)5.15.1、以失效分析為目的的電測(cè)技術(shù)、以失效分析為目的的電測(cè)技術(shù) 按電測(cè)結(jié)果分類，電子元器件的失效可分為連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效。 以電子元器件失效分析

27、為目的的電測(cè)方法可分為三類：連接性測(cè)試、電參數(shù)測(cè)試和功能測(cè)試。 連接性測(cè)試可確定開路、短路、漏電以及電阻值變化等失效模式。連接性測(cè)試手續(xù)簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍較廣闊。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)失效的元器件占失效比例的50%,而現(xiàn)場(chǎng)失效多數(shù)由靜電損傷和過(guò)電應(yīng)力損傷引起。這兩種應(yīng)力引起的失效模式用鏈接性測(cè)試可確定，因而連接性測(cè)試在失效分析忠有廣泛的用途。 與連接性測(cè)試相比較，電子元器件的電參數(shù)測(cè)試較復(fù)雜。各種電子元器件都有各自特殊的參數(shù)，如雙極晶體管的電流增益，MOS器件的閾值電壓和跨導(dǎo)，光電二極管的暗電流和光電轉(zhuǎn)換效率，數(shù)字集成電路的電源電流、輸入電壓、輸入電流、輸出電壓等。電參數(shù)失效的主要表現(xiàn)形式有數(shù)值超出規(guī)定范圍和參

28、數(shù)不穩(wěn)定。 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 進(jìn)行電子元器件的功能測(cè)試，需對(duì)元器件輸入一個(gè)已知的激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量輸出結(jié)果。如測(cè)得的輸出狀態(tài)與預(yù)計(jì)狀態(tài)相同，則元器件功能正常，否則為失效。功能測(cè)試主要用于集成電路。簡(jiǎn)單的集成電路的功能測(cè)試需要電源、信號(hào)源和示波器，復(fù)雜的集成電路測(cè)試需自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)和復(fù)雜的測(cè)試程序。 同一個(gè)元器件，上述三種失效有一定的相關(guān)性。即一種失效可能引起其他種類的失效。 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 （1）、連接性測(cè)試待機(jī)電流測(cè)試、端口測(cè)試 （2）、電參數(shù)測(cè)試 注意事項(xiàng)：為簡(jiǎn)化失效分析程序、無(wú)需進(jìn)行

29、所有規(guī)定參數(shù)的測(cè)試，只需測(cè)主要參數(shù)。 為防止引入新的失效機(jī)理，先進(jìn)性連接性測(cè)試，初步確認(rèn)元器件基本完好，再進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。 為防止大電流通過(guò)元器件，測(cè)量高電壓下的漏電流應(yīng)加限流電阻。 為防止突然開路時(shí)高壓加于元器件，測(cè)量大電流時(shí)應(yīng)限制電壓范圍。 （3）、功能測(cè)試失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 5.25.2、無(wú)損失效分析技術(shù)、無(wú)損失效分析技術(shù) 無(wú)損失效分析技術(shù)可定義為不必打開封裝對(duì)樣品進(jìn)行定位和失效分析的技術(shù)。除電測(cè)失效分析技術(shù)外，X射線透視技術(shù)和反射式掃描聲學(xué)顯微技術(shù)（C-SAM）是兩種主要的無(wú)損失效分析技術(shù)。其中X射線投射技術(shù)對(duì)MOS器件有輻射損傷，所以無(wú)損

30、不是絕對(duì)的。兩種技術(shù)比較如下表： 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)名稱名稱應(yīng)用優(yōu)勢(shì)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要原理主要原理X射線透視技術(shù)以低密度區(qū)為背景，觀察材料的高密度區(qū)的密度異常點(diǎn)觀察透射X射線的被樣品局部吸收后成像的異常C-SAM以高密度區(qū)為背景，觀察材料內(nèi)部空隙或低密度區(qū)超聲波遇空氣受阻反射無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 5.35.3、樣品制備技術(shù)、樣品制備技術(shù) （1）、打開封裝機(jī)械開封、化學(xué)開封 機(jī)械開封（物理法）：手動(dòng)式晶體管開帽器、利器揭開 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 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 （2）、去鈍

31、化層技術(shù)化學(xué)腐蝕去鈍化層、等離子腐蝕去鈍化層 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)化學(xué)方法去除鈍化層失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 （3）、金相切片制備技術(shù) 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料注意注意：金相切片技術(shù)，要觀察金屬見化合物，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。失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料金相切片分析方法特點(diǎn)：金相切片分析方法特點(diǎn)：破壞性方法；試樣制

32、備周期長(zhǎng)，需要1D，最好3D；試樣制備要求高；可直觀獲取材料內(nèi)部大量信息；對(duì)操作和分析人員要求較高失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 （4）、多層結(jié)構(gòu)芯片的反映離子腐蝕技術(shù) （5）、去金屬化層技術(shù) （6）、機(jī)械剖切面技術(shù)失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 5.4 5.4 、顯微形貌像技術(shù)、顯微形貌像技術(shù) （1）、光學(xué)顯微鏡分析技術(shù)特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、不需要真空條件，不必去鈍化層和層間介質(zhì)，圖像彩色透明，能觀察多層金屬化的芯片。缺點(diǎn)是景深小，空間分辨率低，放大倍數(shù)小，觀察芯片的細(xì)微結(jié)構(gòu)有一定困難。 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微

33、電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 （2）、掃描電子顯微鏡的二次電子像技術(shù)特點(diǎn)：分辨率高、放大倍數(shù)大（10萬(wàn)50萬(wàn)倍連續(xù)可調(diào)）、景深大、立體感強(qiáng)等一系列有點(diǎn)，可用它來(lái)觀察在光學(xué)顯微鏡下所看不到的細(xì)微結(jié)構(gòu)。 兩種形貌像的比較： 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)儀器名稱儀器名稱真空條件真空條件樣品要求樣品要求透明性透明性理論空間理論空間分辨率分辨率最大放最大放大倍數(shù)大倍數(shù)景深景深光學(xué)無(wú)開封有可觀察兩層結(jié)構(gòu)3600A2000小掃描電子高真空開封去鈍化層無(wú)只能觀察上面一層50A50萬(wàn) 大無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 5.5 5.5 、以測(cè)量電壓效應(yīng)為基礎(chǔ)的失效分析定位技術(shù)、以測(cè)量電壓效應(yīng)為基礎(chǔ)的失效分

34、析定位技術(shù) 集成電路的復(fù)雜性決定了失效定位在失效分析中的關(guān)鍵作用。打開封裝后，用顯微鏡看不到失效部位時(shí)，就需對(duì)芯片進(jìn)行電激勵(lì)，根據(jù)芯片表面節(jié)點(diǎn)的電壓、波形或發(fā)光異常點(diǎn)進(jìn)行失效定位。失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 5.6 5.6 、以測(cè)量電流效應(yīng)為基礎(chǔ)的失效分析定位技術(shù)、以測(cè)量電流效應(yīng)為基礎(chǔ)的失效分析定位技術(shù) （1）、液晶熱點(diǎn)檢測(cè)技術(shù) 熱點(diǎn)檢測(cè)是發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體器件芯片潛在失效部位的有效手段。用顯微紅外熱像儀來(lái)檢測(cè)熱點(diǎn)，由于空間分辨率不夠高，不能滿足單片集成電路失效定位的需要。液晶是一種既具有液體的流動(dòng)性，又具有晶體各向異性的物質(zhì)。 液晶有一特點(diǎn)，當(dāng)它受熱而溫度高于

35、某一臨界溫度Tc時(shí)，就會(huì)變成各向同性的液體。利用液晶的這一特性，可以在正交偏振光下觀察液晶的相變點(diǎn)而檢測(cè)熱點(diǎn)。 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 （2）、顯微紅外熱像分析技術(shù) 顯微紅外熱像儀主要用于分析功率器件和混合集成電路。它可將芯片上熱分布顯示出來(lái)。根據(jù)熱分布的異常區(qū)域異常點(diǎn)，暴露不合理的設(shè)計(jì)和工藝缺陷。 失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 （3）、光發(fā)射顯微分析技術(shù) 半導(dǎo)體器件中許多類型的缺陷和損傷在特定的電應(yīng)力條件下會(huì)產(chǎn)生漏電，并伴隨載流子的躍遷而導(dǎo)致光輻射。這樣，對(duì)發(fā)光部位的定位就是對(duì)可能失效部位的定位。 光輻射顯微技

36、術(shù)是一種快速、簡(jiǎn)便而有效的失效分析技術(shù)，可以探測(cè)到半導(dǎo)體器件中多種缺陷和機(jī)理引起的退化和失效，尤其在失效定位方面具有準(zhǔn)確、直觀和重復(fù)再現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。失效分析技術(shù)失效分析技術(shù)無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 六、失效分析主要儀器設(shè)備與工具六、失效分析主要儀器設(shè)備與工具 6.16.1、光學(xué)顯微鏡 立體顯微鏡放大倍數(shù)較低、幾倍到上百倍，景深大，立體感強(qiáng) 金相顯微鏡幾十倍到兩千倍，但景深較小。 6.26.2、X射線透視儀 原理：根據(jù)樣品不同部位對(duì)X射線吸收率和透視率的不同，利用X射線通過(guò)樣品各部位衰減后的射線強(qiáng)度檢測(cè)樣品內(nèi)部缺陷的一種方法，X射線衰減的程度與樣品的材料品種、樣品的厚度和密度有關(guān)。 用途：檢測(cè)電子元器件及多層印刷電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)引線開路或短路、粘結(jié)缺陷、焊點(diǎn)缺陷、封裝裂紋、空洞、橋連、立碑及器件漏裝等缺陷。 失效分析主要儀器設(shè)備與工具失效分析主要儀器設(shè)備與工具無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司內(nèi)部資料內(nèi)部資料 6.36.3、掃描聲學(xué)顯微鏡 SAM（超聲波探傷） 原理：超聲波在介質(zhì)中傳輸時(shí)，若遇到不同密度或彈性系數(shù)的介質(zhì)，會(huì)發(fā)生反射回波，而此種反射回波強(qiáng)度會(huì)因材料密度不同而有所差異，而SAM利用此特性來(lái)檢出材料