電子器件可靠性評價與分析技術進展

1、電子元器件失效(sh xio)分析技術 信息產(chǎn)業(yè)部電子五所 可靠性分析(fnx)中心 費慶宇 共八十七頁基本概念和失效(sh xio)分析技術第一(dy)部分共八十七頁失效(sh xio)的概念失效定義1 特性劇烈或緩慢變化2 不能正常工作3 不能自愈失效種類1 致命性失效：如過電應力損傷2 緩慢退化：如MESFET的IDSS下降3 間歇失效：如塑封器件(qjin)隨溫度變化間歇失效共八十七頁失效物理(wl)模型應力強度模型 失效原因： 應力強度 強度隨時間緩慢減小 如:過電(u din)應力（EOS）、靜電放電（ESD）、閂鎖（latch up) 應力時間模型（反應論模型） 失效原因：應力的

2、時間累積效應，特性變化超差。如金屬電遷移、腐蝕、熱疲勞共八十七頁溫度應力(yngl)時間模型M溫度敏感參數(shù), E激活能, k 玻耳茲曼常量(chngling), T絕對溫度, t時間, A常數(shù)T大, 反應速率dM/dt 大，壽命短E大，反應速率dM/dt 小，壽命長共八十七頁溫度應力的時間(shjin)累積效應失效原因：溫度應力的時間(shjin)累積效應，特性變化超差共八十七頁與力學(l xu)公式類比共八十七頁失效物理(wl)模型小結應力強度模型：不考慮激活能和時間效應，適用于偶然失效，失效過程短，特性(txng)變化快，屬劇烈變化，失效現(xiàn)象明顯。. 應力時間模型（反應論模型）：需考慮激活

3、能和時間效應，適用于緩慢退化，失效現(xiàn)象不明顯。共八十七頁明顯失效現(xiàn)象可用應力強度(qingd)模型來解釋 如：與電源相連的金屬(jnsh)互連線燒毀是由浪涌電壓超過器件的額定電壓引起。共八十七頁可靠性評價(pngji)的主要內(nèi)容產(chǎn)品抗各種應力的能力(nngl)產(chǎn)品的平均壽命共八十七頁預計平均壽命(pn jn shu mn)的方法1求激活能 E Ln L1Ln L21/T21/T1B共八十七頁預計(yj)平均壽命的方法2 求加速(ji s)系數(shù)F試驗獲得高溫T1的壽命為L1,低溫T2壽命為L2,可求出F共八十七頁預計(yj)平均壽命的方法由高溫(gown)壽命L1推算常溫壽命L2F=L2/L1對

4、指數(shù)分布L1=MTTF=1/失效率共八十七頁失效(sh xio)分析的概念失效分析的定義失效分析的目的 確定失效模式 確定失效機理 提出(t ch)糾正措施，防止失效重復出現(xiàn) 共八十七頁失效模式的概念(ginin)和種類失效的表現(xiàn)形式叫失效模式按電測結果分類：開路、短路或漏電(lu din)、參數(shù)漂移、功能失效共八十七頁失效機理(j l)的概念失效的物理化學根源叫失效機理(j l)。例如開路的可能失效機理：過電燒毀、靜電損傷、金屬電遷移、金屬的電化學腐蝕、壓焊點脫落、CMOS電路的閂鎖效應漏電和短路的可能失效機理：顆粒引發(fā)短路、介質(zhì)擊穿、pn微等離子擊穿、Si-Al互熔共八十七頁失效機理(j

5、l)的概念（續(xù)）參數(shù)漂移的可能失效機理：封裝內(nèi)水汽凝結、介質(zhì)的離子沾污、歐姆(u m)接觸退化、金屬電遷移、輻射損傷共八十七頁引起失效(sh xio)的因素材料、設計、工藝環(huán)境應力 環(huán)境應力包括：過電、溫度、濕度、機械(jxi)應力、靜電、重復應力時間共八十七頁失效(sh xio)分析的作用確定引起失效的責任方（用應力強度模型(mxng)說明）確定失效原因為實施整改措施提供確鑿的證據(jù)共八十七頁舉例說明：失效(sh xio)分析的概念和作用某EPROM 使用后無讀寫功能失效模式：電源對地的待機電流下降失效部位：部分電源內(nèi)引線熔斷失效機理：閂鎖效應確定失效責任方：模擬試驗改進措施建議：改善供電電網(wǎng)

6、，加保護(boh)電路共八十七頁某EPROM的失效(sh xio)分析結果由于(yuy)有CMOS結構，部分電源線斷，是閂鎖效應。共八十七頁 模擬試驗確定(qudng)失效責任方 觸發(fā)(chf)電流：350mA 觸發(fā)(chf)電流：200mA 維持電壓：2.30V 維持電壓：8.76V （ 技術指標：電源電壓：5V 觸發(fā)電流 200mA） 共八十七頁失效(sh xio)分析的受益者元器件廠：獲得改進產(chǎn)品設計和工藝的依據(jù)整機廠：獲得索賠、改變元器件供貨商、改進電路設計、改進電路板制造工藝、提高測試技術、設計保護電路的依據(jù)整機用戶：獲得改進操作環(huán)境和操作規(guī)程的依據(jù)提高產(chǎn)品成品率和可靠性，樹立(sh

7、l)企業(yè)形象，提高產(chǎn)品競爭力共八十七頁失效分析技術(jsh)的延伸進貨分析的作用：選擇優(yōu)質(zhì)的供貨渠道，防止假冒偽劣元器件進入(jnr)整機生產(chǎn)線良品分析的作用：學習先進技術的捷徑共八十七頁失效分析(fnx)的一般程序收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)電測并確定失效模式非破壞檢查打開封裝鏡檢通電并進行失效定位對失效部位進行物理化學分析，確定失效機理綜合(zngh)分析，確定失效原因，提出糾正措施共八十七頁收集失效(sh xio)現(xiàn)場數(shù)據(jù)作用：根據(jù)失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)估計失效原因和失效責任方 根據(jù)失效環(huán)境(hunjng)：潮濕、輻射 根據(jù)失效應力：過電、靜電、高溫、低溫、高低溫 根據(jù)失效發(fā)生期:早期、隨機、磨損失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)

8、的內(nèi)容共八十七頁水汽(shu q)對電子元器件的影響電參數(shù)漂移外引線腐蝕金屬化腐蝕金屬半導體接觸(jich)退化共八十七頁輻射(fsh)對電子元器件的影響參數(shù)漂移、軟失效(sh xio)例：n溝道MOS器件閾值電壓減小共八十七頁失效(sh xio)應力與失效(sh xio)模式的相關性過電：pn結燒毀、電源內(nèi)引線燒毀、電源金屬化燒毀靜電：MOS器件氧化層擊穿、輸入保護電路潛在損傷或燒毀熱：鍵合失效、Al-Si互溶、pn結漏電熱電：金屬電遷移、歐姆接觸退化高低溫：芯片(xn pin)斷裂、芯片(xn pin)粘接失效低溫：芯片斷裂共八十七頁失效發(fā)生期與失效機理(j l)的關系早期(zoq)失效：

9、設計失誤、工藝缺陷、材料缺陷、篩選不充分隨機失效：靜電損傷、過電損傷磨損失效：元器件老化隨機失效有突發(fā)性和明顯性早期失效、磨損失效有時間性和隱蔽性共八十七頁失效(sh xio)發(fā)生期與失效(sh xio)率 失效率時間(shjin)隨機磨損早期共八十七頁以失效(sh xio)分析為目的的電測技術電測在失效分析(fnx)中的作用 重現(xiàn)失效現(xiàn)象，確定失效模式，縮小故障隔離區(qū)，確定失效定位的激勵條件，為進行信號尋跡法失效定位創(chuàng)造條件電測的種類和相關性 連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效共八十七頁電子元器件失效分析的簡單實用(shyng)測試技術（一）連接性測試：萬用表測量各管腳對地端/電源端/另一管腳

10、的電阻，可發(fā)現(xiàn)開路、短路(dunl)和特性退化的管腳。電阻顯著增大或減小說明有金屬化開路或漏電部位。待機(stand by)電流測試:所有輸入端接地（或電源），所有輸出端開路，測電源端對地端的電流。待機(stand by)電流顯著增大說明有漏電失效部位。待機(stand by)電流顯著減小說明有開路失效部位。共八十七頁電子元器件失效分析的簡單(jindn)實用測試技術（二）各端口對地端/電源端的漏電流測試（或IV測試）,可確定失效(sh xio)管腳。特性異常與否用好壞特性比較法確定。共八十七頁待機(dij)(stand by)電流顯著減小的案例 由于閂鎖效應某EPROM的兩條電源(dinyu

11、n)內(nèi)引線之一燒斷。共八十七頁待機(stand by)電流(dinli)偏大的案例TDA7340S音響放大器電路 用光發(fā)射(fsh)顯微鏡觀察到漏電部位共八十七頁由反向IV特性(txng)確定失效機理共八十七頁由反向IV特性(txng)確定失效機理直線為電阻特性，pn結穿釘，屬嚴重EOS損傷。反向漏電流隨電壓緩慢增大(zn d)，pn結受EOS損傷或ESD損傷。反向擊穿電壓下降，pn結受EOS損傷或ESD損傷。共八十七頁由反向IV特性(txng)確定失效機理反向擊穿電壓不穩(wěn)定：芯片斷裂、芯片受潮烘烤變化與否可區(qū)分離子沾污和靜電(jngdin)過電失效共八十七頁烘焙(hngbi)技術1應用范圍：

12、漏電流(dinli)大或不穩(wěn)定、阻值低或不穩(wěn)定、器件增益低、繼電器接觸電阻大2用途：確定表面或界面受潮和沾污3方法：高溫儲存、高溫反偏共八十七頁清洗(qngx)技術應用范圍：離子沾污(zhn w)引起的表面漏電用途：定性證明元器件受到表面離子沾污方法：無水乙醇清洗 去離子水沖洗（可免去） 烘干共八十七頁烘焙和清洗技術(jsh)的應用舉例彩電(ci din)圖像模糊的失效分析共八十七頁烘焙(hngbi)和清洗技術的應用舉例雙極型器件的反向靠背椅特性(txng)是鈍化層可動離子沾污的結果，可用高溫反偏和高溫儲存來證實。共八十七頁失效(sh xio)分析的發(fā)展方向失效定位成為關鍵技術非破壞非接觸(j

13、ich)高空間分辨率高靈敏度共八十七頁無損失效分析(fnx)技術無損分析的重要性 (從質(zhì)檢和失效分析兩方面考慮)檢漏技術X射線透視技術 用途：觀察芯片(xn pin)和內(nèi)引線的完整性反射式掃描聲學顯微技術 用途：觀察芯片粘接的完整性，微裂紋，界面斷層共八十七頁檢漏(jin lu)技術粗檢：負壓(f y)法、氟碳加壓法細檢：氦質(zhì)譜檢漏法共八十七頁負壓(f y)法檢漏酒精(jijng)接機械泵共八十七頁氟碳加壓法FC43 沸點(fidin)180CF113沸點(fidin)47.6C加熱至125C共八十七頁X射線透視(tush)與反射式聲掃描比較共八十七頁X射線透視(tush)舉例FPGA電源(d

14、inyun)內(nèi)引線燒斷共八十七頁CSAM像舉例(j l)功率(gngl)器件芯片粘接失效塑封IC的管腳與塑料分層共八十七頁樣品(yngpn)制備技術種類：打開封裝、去鈍化(dn hu)層、去層間介質(zhì)、拋切面技術、去金屬化層作用：增強可視性和可測試性風險及防范：監(jiān)控共八十七頁打開塑料(slio)封裝的技術濃硫酸和發(fā)煙硝酸腐蝕(fsh)法共八十七頁去鈍化(dn hu)層的技術濕法：如用HF：H2O1：1溶液去SiO2 85 HPO3溶液，溫度160C去 Si3N4干法(n f)：CF4和O2氣體作等離子腐蝕去SiNx和聚酰亞胺干濕法對比共八十七頁去鈍化(dn hu)層的監(jiān)控 觀察(gunch)壓焊

15、點共八十七頁去層間介質(zhì)(jizh)作用：多層結構芯片失效分析方法：反應離子腐蝕(fsh)特點：材料選擇性和方向性結果共八十七頁腐蝕(fsh)的方向性無方向性：金屬互連失去依托(ytu)有方向性：金屬互連有介質(zhì)層作依托共八十七頁去金屬化Al層技術(jsh)作用配方(pi fng)：30HCl 或 30H2SO4 KOH 、NaOH溶液應用實例：pn結穿釘共八十七頁拋切面(qimin)技術環(huán)氧固化、剖切、研磨(ynm)共八十七頁形貌(xn mo)象技術光學顯微術：分辨率3600A，倍數(shù)1200X 景深小，構造簡單 對多層結構有透明性，可不制樣掃描(somio)電子顯微鏡：分辨率50A，倍數(shù)10萬

16、景深大，構造復雜 對多層結構無透明性，需制樣共八十七頁以測量電壓效應為基礎的失效(sh xio)定位技術用途：確定斷路失效點位置主要(zhyo)失效定位技術：掃描電鏡的電壓襯度象機械探針的電壓和波形測試電子束測試系統(tǒng)的電壓和波形測試共八十七頁SEM電壓(diny)襯度象原理 金屬化層負電(fdin)位為亮區(qū)，零或正電位為暗區(qū)共八十七頁電子束測試(csh)技術用途： （與IC測試系統(tǒng)相比較）測定芯片(xn pin)內(nèi)部節(jié)點的電壓和波形，進行芯片(xn pin)失效定位（電鏡+電子束探頭示波器）特點：（與機械探針相比較）高空間分辨率，非接觸，無電容負載，容易對準被測點共八十七頁機械(jxi)探針與

17、電子探針比較直流電壓、交流電壓、脈沖電壓電壓精度高，用于模擬電路、數(shù)字電路信號注入、信號尋跡接觸性探針，需去鈍化層有負載，波形易變形(bin xng)空間分辨率差交流電壓、脈沖電壓電壓精度低，用于數(shù)字電路信號尋跡非接觸性探針，不需去鈍化層無負載，波形不變形空間分辨率高共八十七頁由設計(shj)版圖確定電子束探測點用波形比較法進行設計(shj)驗證CAD設計(shj)版圖芯片實時象共八十七頁用EBT進行失效(sh xio)分析實例80腳進口HD63B03微處理器單元手工焊正常載流焊，90發(fā)生(fshng)多腳開路失效原因改進建議共八十七頁80腳進口HD63B03微處理器單元失效(sh xio)分

18、析 引線框架(kun ji)密封不良的IC的反射聲學顯微圖象共八十七頁以測量電流效應為基礎的失效定位(dngwi)技術紅外熱象技術 用途：熱分布圖，定熱點光發(fā)射顯微鏡 用途：微漏電點失效定位 柵氧化層缺陷(quxin)，pn結缺陷(quxin)，閂鎖效應電子束感生電流象 用途：pn結缺陷共八十七頁改進前后的混合(hnh)電路熱分布圖共八十七頁FPGA共八十七頁EMM確定(qudng)CMOS電路閂鎖效應易發(fā)區(qū)閂鎖效應的外因(wiyn)和內(nèi)因閂鎖效應的危害閂鎖效應的預防 增強薄弱環(huán)節(jié)EMM的作用 失效定位共八十七頁單端輸出(shch)束感生電流象（EBIC）EBIC的用途：用SEM觀察pn結缺陷

19、傳統(tǒng)EBIC用雙端輸出，每次只能觀察一個結單端輸出EBIC可同時(tngsh)觀察芯片所有pn結的缺陷，適用于VLSI失效分析例某CMOS電路的EBIC共八十七頁原理(yunl)共八十七頁CMOS電路(dinl)的束感生電流象共八十七頁封裝內(nèi)部氣體成份(chng fn)分析封裝內(nèi)部(nib)水汽和腐蝕性氣體的危害：引起芯片表面漏電，器件電特性不穩(wěn)定腐蝕金屬化層直至開路檢測法內(nèi)置傳感器露點檢測質(zhì)譜分析共八十七頁露點(ldin)檢測1應用范圍(fnwi): 氣密性封裝內(nèi)部水汽濃度2 原理:露點與水汽濃度相關3 方法:通過降溫確定器件的水汽敏感電特性的突變溫度(露點)共八十七頁質(zhì)譜分析(fnx)結果

20、其它結果為：氣體總壓強(yqing)，氧，氬，氫，CO2，酒精，甲醇，碳氫化合物儀器靈敏度：水汽 100ppm, 其它氣體 10ppm共八十七頁用SEM進行(jnxng)VLSI金屬化層晶粒結構的定量分析1.定量分析的重要性適當增大晶粒尺寸可增加鋁金屬(jnsh)層抗電遷移能力定量測定VLSI鋁金屬化層晶粒尺寸，有助于控制工藝條件，制備高可靠的鋁金屬化層共八十七頁用SEM進行(jnxng)VLSI金屬化層晶粒結構的定量分析2.定量分析方法SEM圖象數(shù)字分析軟件，可統(tǒng)計出金屬化層任意區(qū)域不同(b tn)晶粒尺寸范圍的晶粒數(shù)目，用于VLSI金屬化工藝的統(tǒng)計工藝控制，是觀念上的創(chuàng)新。共八十七頁固態(tài)器件(qjin)微區(qū)