可靠性測試與效應分析

可靠性測試與效應分析第一頁，共68頁。2022/10/312可靠性測試與失效分析可靠性的基本概念第二頁，共68頁。2022/10/313可靠性測試與失效分析前言

1.前言

質量（Quality）與可靠性（Reliability）是IC產品的生命，良好的品質及使用的耐力是一顆優(yōu)秀IC產品的競爭力所在。在做產品驗證時我們往往會遇到三個問題，驗證什么，如何去驗證，以及哪里去驗證，驗證后的結果分析(Failureanalysis),如何進行提高(Improvement).如果解決了這些問題，質量和可靠性就有了保證，制造商才可以大量地將產品推向市場，客戶才會放心地使用產品。本文中將介紹可靠性的定義,測試方法和標準,失效機理以及失效分析方法。第三頁，共68頁。2022/10/314可靠性測試與失效分析質量與可靠性2.質量與可靠性質量是一組固有特性滿足要求的程度

質量是對滿足程度的描述，滿足要求的程度的高低反映為質量的好壞，在比較質量的優(yōu)劣時，應當注意在同一等級上進行比較。可靠性:產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力可靠性的概率度量稱可靠度(即完成規(guī)定功能的概率)。產品或產品的一部分不能或將不能完成規(guī)定功能(Spec)的事件或狀態(tài)稱故障，對電子元器件來說亦稱失效。

第四頁，共68頁。2022/10/315可靠性測試與失效分析質量與可靠性質量與可靠性的相關性質量提高，器件的一致性變好(如參數(shù)分布等)器件的一致性更好，可靠性則更均勻(uniform)。質量缺陷的問題被解決，則該缺陷引起的可靠性失效則不會發(fā)生。更進一步說，高質量等于高可靠性。

第五頁，共68頁。2022/10/316可靠性測試與失效分析可靠性試驗

3.可靠性試驗

可靠性試驗是評估產品一定時間內可靠性水平,暴露存在的問題。規(guī)定條件—環(huán)境條件(溫度/濕度/振動等)，負載大小，工作方式等。規(guī)定時間—隨時間推移，產品可靠度下降。規(guī)定功能—所有功能和技術指標。可靠性是設計并制作在產品內的，而不是試驗出來的?？煽啃栽囼炛荒芙档陀脩舻娘L險。新的可靠性評估方法是改評估產品為評估生產線，相信合格的生產線能把可靠性做到產品中去。第六頁，共68頁。2022/10/317可靠性測試與失效分析失效率4.失效率(Failurerate)

失效率是可靠性測試中最關鍵的參數(shù)。

失效率某時刻尚未失效的器件繼續(xù)工作下去時在單位時間內失效的幾率。通常以FIT（FailureInTime）作單位，1FIT=10億個產品1小時內失效1個或1000小時內1ppm的失效率。失效率的倒數(shù)表示兩個失效之間的間隔時間，即MTBF（MeanTimeBetweenFailure）。第七頁，共68頁。2022/10/318可靠性測試與失效分析失效率

例有100塊IC，在1000小時內失效5塊，在1000～1010小時失效38塊，求t＝1000，和t＝1010h的失效率的估計值？

λ(0）＝5/1000(100-0)=5×10－5/h＝50000Fit

λ(1000)＝38/(1010-1000)(100-5)＝0.4%h－1第八頁，共68頁。2022/10/319可靠性測試與失效分析失效率失效率曲線示意圖(Bathtubcurve)TimeFailureRateInfantMortalityProductLifeTimeWearOutCommercial 5yearsIndustrial 10yearsAutomotive 10-20yearsCustom Various隨機失效早期失效有用壽命期磨損失效第九頁，共68頁。2022/10/3110可靠性測試與失效分析失效率早期失效：產品本身存在的缺陷（設計缺陷/工藝缺陷）造成，改進設計/材料/工藝的質量管理，可明顯改善早期失效率偶然失效：失效率低且穩(wěn)定，不當應用是失效主要原因耗損失效：磨損、老化、疲勞等引起產品性能惡化。如緩慢的化學變化使材料退化，壓焊點氧化等第十頁，共68頁。2022/10/3111可靠性測試與失效分析失效率TierTypicalApplicationUse-TimePower-OnHoursExamplesofTypicalApplicationsCommercial5yearsParttimePC’s,consumerelectronics,portabletelecomproducts,PDA’s,etc.Industrial10yearsParttime/FulltimeInstalledtelecomequipment,workstations,servers,warehouseequipment,etc.Automotive10-20yearsParttime/Fulltime“underthehood”,drivetraincontrol,orsafetyequipmentCustomVariousParttime/FulltimeApplicationswithspecificcustomerrequirements第十一頁，共68頁。2022/10/3112可靠性測試與失效分析失效機理5.失效機理熱效應 金線熱疲勞而斷開、塑封體裂紋引起密封性失效、粘片層空洞引起熱阻增大、鈍化層開裂、芯片開裂、鋁再結構造成開/短路、鍵合處出現(xiàn)紫斑開路等化學效應 引腳腐蝕、塑封/界面/裂紋吸濕引起鋁線腐蝕/鍵合區(qū)電化學腐蝕、水汽帶入的離子引起漏電、塑封體中的雜質離子引起漏電等電效應 強電場導致柵氧擊穿/MOS電容擊穿、大電流發(fā)熱導致多晶電阻燒毀/PN結區(qū)硅燒熔/金屬間電弧/鋁燒熔/塑封碳化等。機械應力 振動、加速度、應力等第十二頁，共68頁。2022/10/3113可靠性測試與失效分析抽樣數(shù)和可接受失效數(shù)6.抽樣數(shù)和可接受失效數(shù)抽樣數(shù)和可接受失效數(shù)由可接受的產品不合格質量水平及可信度推算。通常的抽樣77pcs允許1pc失效對應的可接受不合格質量水平的不合格率為5%/1000hrs(50ppm)第十三頁，共68頁。2022/10/3114可靠性測試與失效分析可靠性測試第十四頁，共68頁。2022/10/3115可靠性測試與失效分析可靠性工程師工作內容

1.可靠性工程師工作內容樣品準備可靠性測試失效分析數(shù)據(jù)處理與歸檔第十五頁，共68頁。2022/10/3116可靠性測試與失效分析試驗種類2.試驗種類環(huán)境試驗 溫度循環(huán)/沖擊、高壓蒸煮、加速濕熱、鹽霧、耐焊接熱、高溫儲存壽命試驗 早期失效率、動態(tài)/靜態(tài)/間歇高溫壽命試驗機械試驗 振動/沖擊、加速度、可焊性、鍵合強度ESD/Latch-up測試第十六頁，共68頁。2022/10/3117可靠性測試與失效分析可靠性測試計算工作3.可靠性測試計算工作可靠性試驗參照標準加速試驗加速因子的計算加速環(huán)境應力與失效機理的對應關系工藝/封裝/設計變動與可靠性試驗選擇樣品數(shù)量/批次的選擇第十七頁，共68頁。2022/10/3118可靠性測試與失效分析高溫工作壽命4.圓片工藝相關的可靠性試驗§4.1高溫工作壽命(HTOL/Burn-in)

目的：考核產品在規(guī)定條件下全工作時間內的可靠性，發(fā)現(xiàn)熱/電壓加速失效機理，預估長期工作的失效率。條件：125oC（或使結溫等于額定值），Vddmax,168hrs（消除早期失效元件，把元件帶到隨機失效區(qū)）1000hrs（進入有用壽命期，試驗時間長短對應有用壽命期長短）。失效機理：高溫下芯片表面和內部的雜質加速反應，缺陷進一步生長，使器件性能退化?？蓜与x子富集導致的表面溝道漏電，結特性退化，電場加速介質擊穿，高溫加速電遷移等。

對大功率器件，可采用常溫功率負荷的方式使結溫達到額定值。檢驗電遷移問題，采用大電流高溫加速。第十八頁，共68頁。2022/10/3119可靠性測試與失效分析高溫工作壽命早期失效實例第十九頁，共68頁。2022/10/3120可靠性測試與失效分析高溫工作壽命ConfidenceLevel=60%,Samplesize=77,Failureallowed:1,Ea=0.7eV125℃→55℃

150℃→55℃

TestTimeFailureRateLifeTtmeTestTimeFailureRateLifeTtme168hours2020FIT0.7years168hours599FIT2years500hours674FIT2years500hours201FIT7years1000hours337FIT4years1000hours100FIT14years2000hours169FIT8years2000hours50FIT28years第二十頁，共68頁。2022/10/3121可靠性測試與失效分析高溫儲存§4.2高溫儲存(HTST)

目的：考核無電應力情況下，長期高溫存儲對產品的影響。條件：150oC，1000hrs。失效機理：因擴散導致硅鋁共熔形成硅化物而使接觸電阻增大直致開路、金鋁鍵合因形成合金而退化（紫斑）、高溫下鈦阻擋層缺陷、塑封料高溫下加速老化導致絕緣/防護性能劣化或釋放雜質、表面沾污高溫下加速腐蝕。

現(xiàn)在的半導體器件穩(wěn)定性已很高，該試驗已不足以暴露問題。第二十一頁，共68頁。2022/10/3122可靠性測試與失效分析表面貼裝器件的預處理5.封裝可靠性試驗§5.1表面貼裝器件的預處理（Precondition）目的：模擬表面貼裝器件被運輸/儲存/再流焊到PCB上的過程條件：T/C(-40oC~60oC，5cycles，模擬空運)→Bake（125oC，24hrs，去除濕氣)→MoistureSoak（模擬打開防潮包裝后的儲存，條件由MSL定，1:85oC/85%RH，168hrs；2:85oC/60%RH，168hrs）→Reflow(3cycle，模擬回流焊，條件與是否無鉛工藝/塑封大小有關)→ET/SAT失效機理：因富集在塑封體內各界面的水汽在表貼過程中迅速膨脹及材料的不匹配而導致界面分層或塑封體開裂，影響產品可靠性，嚴重時可導致開路。第二十二頁，共68頁。2022/10/3123可靠性測試與失效分析表面貼裝器件的預處理第二十三頁，共68頁。2022/10/3124可靠性測試與失效分析表面貼裝器件的預處理第二十四頁，共68頁。2022/10/3125可靠性測試與失效分析溫度循環(huán)/沖擊第二十五頁，共68頁。2022/10/3126可靠性測試與失效分析溫度循環(huán)/沖擊§5.2溫度循環(huán)/沖擊（T/C，T/S）目的：模擬環(huán)境溫度變化或開關機造成的溫度變化，考核溫度交替變化對產品機械/電性能的影響，暴露粘片/鍵合/塑封等封裝工藝/材料缺陷，及金屬化/鈍化等圓片工藝問題。條件：-65oC~150oC,氣體-氣體,15min-50sec-15min,100/500cycle,液體--液體（碳氟化物）,5min-3sec-5min（熱沖擊）。失效機理：不同材料間熱膨脹系數(shù)差異造成界面熱匹配問題，造成金線斷裂、鍵合脫落（開路）、塑封開裂（密封性失效）、界面分層（熱阻增大）、鋁線再結構（開短路）、鈍化層開裂、硅鋁接觸開路、芯片背面劃痕繼續(xù)長大導致芯片開裂。第二十六頁，共68頁。2022/10/3127可靠性測試與失效分析溫度循環(huán)/沖擊第二十七頁，共68頁。2022/10/3128可靠性測試與失效分析高溫蒸煮§5.2高溫蒸煮(PCT/PTH/Autoclave)

目的：檢驗器件抵抗水汽侵入及腐蝕的能力，不包括外部腐蝕。條件：

121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs。失效機理：濕氣通過塑封體及各界面被吸入并到達芯片表面,在鍵合區(qū)形成原電池而加速鋁的腐蝕。另外，水汽帶入的雜質在器件表面形成漏電通道。

試驗后因管腳腐蝕引起的開路或塑封體表面漏電等失效不計。第二十八頁，共68頁。2022/10/3129可靠性測試與失效分析高溫蒸煮LEADRESINMATERIALCHIPINTERNALWIREPENETRATIONTHROUGHTHERESINMATERIALINTERFACEPENETRATIONPenetrationpathsofwaterintoaplasticencapsulatedIC第二十九頁，共68頁。2022/10/3130可靠性測試與失效分析高溫蒸煮第三十頁，共68頁。2022/10/3131可靠性測試與失效分析高溫高濕電加速§5.3高溫高濕電加速（THB/HAST）目的：模擬非密封器件在高溫高濕環(huán)境下工作，檢驗塑封產品抗水汽侵入并腐蝕的能力。條件：THB85oC/85%RH，Vccmaxstaticbias，1000hrsHAST130oC/85%RH/2atm，Vccmaxbias，100hrs。失效機理：相對高壓蒸煮，偏置電壓在潮濕的芯片表面加速了鋁線及鍵合區(qū)的電化學腐蝕。同時，水汽帶入的雜質及塑封體內的雜質在電應力作用下富集在鍵合區(qū)附近和塑封體內引腳之間而形成漏電通道。

24hrsHAST≈1000hrsTHB。

如果在HAST試驗中出現(xiàn)正常工作中不可能出現(xiàn)的失效機理（如塑封體內部的分離），則認為HAST加速條件過于嚴酷而失去有效性。第三十一頁，共68頁。2022/10/3132可靠性測試與失效分析栓鎖觸發(fā)試驗6.線路設計相關的可靠性試驗§6.1栓鎖觸發(fā)試驗（Latch-up）目的：檢驗產品觸發(fā)栓鎖的閥值條件。條件：盡量讓器件處于最壞工作條件下，從各引腳輸入大電壓或電流作為觸發(fā)源，檢查撤去觸發(fā)源后電源電流判斷是否發(fā)生栓鎖。失效機理：內部寄生的雙極正反饋結構在大電應力或瞬變電應力下被激發(fā)，導致電源電流無限增大（近似電源與地短路），觸發(fā)源撤去后，寄生正反饋結構仍在工作，直致電源撤去或電路被燒毀。第三十二頁，共68頁。2022/10/3133可靠性測試與失效分析靜電放電試驗§6.2靜電放電試驗（ESD）目的：檢驗產品承受靜電放電的能力。條件：模擬人體/設備/器件放電的電流波形，按規(guī)定的組合及順序對器件各引出端放電。失效機理：強電場導致柵氧擊穿/MOS電容擊穿、大電流發(fā)熱導致多晶電阻燒毀/PN結區(qū)硅燒熔/金屬間電弧等.在高環(huán)境溫度下，熱致失效所需的靜電能量越低。另有潛在性失效，使器件抗靜電能力下降，壽命縮短，而實際使用中出現(xiàn)的靜電失效大多為潛在性失效。第三十三頁，共68頁。2022/10/3134可靠性測試與失效分析靜電放電試驗第三十四頁，共68頁。2022/10/3135可靠性測試與失效分析靜電放電試驗第三十五頁，共68頁。2022/10/3136可靠性測試與失效分析失效分析第三十六頁，共68頁。2022/10/3137可靠性測試與失效分析失效分析基本概念

1.失效分析基本概念目的：確定失效模式和失效機理，提出糾正措施，防止這種失效模式和失效機理重復出現(xiàn)。失效模式：指觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。失效機理：指失效的物理化學過程，如疲勞、腐蝕和過應力等。第三十七頁，共68頁。2022/10/3138可靠性測試與失效分析失效原因§1.1失效原因引起開路失效的主要原因：過電損傷、靜電擊穿、金屬電遷移、金屬的化學腐蝕、壓焊點脫落、閂鎖效應。其中淀積Al時提高硅片的溫度可以提高Al原子的晶塊體積，可以改善電遷移。VI閂鎖效應電源對地的I－V曲線第三十八頁，共68頁。2022/10/3139可靠性測試與失效分析失效原因引起漏電和短路失效的主要原因：顆粒引發(fā)短路、介質擊穿、PN結微等離子擊穿、Si－Al互溶。Al穿釘VIVI正常PN結反向曲線微等離子擊穿PN結反向曲線第三十九頁，共68頁。2022/10/3140可靠性測試與失效分析失效原因引起參數(shù)漂移的主要原因：封裝內水汽凝結、介質的離子粘污、歐姆接觸退化、金屬電遷移、輻射損傷。

例：

Pad點處無鈍化層，有水汽的話，會導致短路，水汽蒸發(fā)后又恢復絕緣性，表現(xiàn)為工作時參數(shù)不穩(wěn)定。第四十頁，共68頁。2022/10/3141可靠性測試與失效分析失效物理模型§1.2失效物理模型應力－強度模型（適于瞬間失效）

失效原因：應力>強度

例如：過電應力（EOS）、靜電放電（ESD）、閂鎖（Latchup）等。應力－時間模型（適于緩慢退化）失效原因：應力的時間積累效應，特性變化超差。例如：金屬電遷移、腐蝕、熱疲勞等。第四十一頁，共68頁。2022/10/3142可靠性測試與失效分析失效物理模型溫度應力－時間模型應速度符合下面的規(guī)律：（M是溫度敏感參數(shù)，E是與失效機理有關的激活能）（﹡十度法則：從室溫開始，每提高10度，壽命減半）BlnL產品平均壽命的估算第四十二頁，共68頁。2022/10/3143可靠性測試與失效分析失效分析一般程序§1.3失效分析一般程序收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)電學測量測并確定失效模式非破壞性分析打開封裝鏡檢通電激勵芯片失效定位對失效部位進行物理、化學分析綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施第四十三頁，共68頁。2022/10/3144可靠性測試與失效分析收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)2.收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)應力類型與元器件失效模式或機理的關系舉例第四十四頁，共68頁。2022/10/3145可靠性測試與失效分析收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)

收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)的主要內容:

失效環(huán)境、失效應力、失效發(fā)生期以及失效樣品在失效前后的電測試結果。失效環(huán)境包括：溫度、濕度、電源環(huán)境、元器件在電路圖上的位置和所受電偏置的情況。失效應力包括：電應力、溫度應力、機械應力、氣候應力和輻射應力。失效發(fā)生期包括：失效樣品的經歷、失效時間處于早期失效、隨機失效或磨損失效。第四十五頁，共68頁。2022/10/3146可靠性測試與失效分析電學測量3.電學測量電子元器件的電測失效分類：連接性失效（開路、短路、電阻變化等）多數(shù)是ESD和EOS引起的，比例大概50％。電參數(shù)失效（值超出范圍和參數(shù)不穩(wěn)定）例如：電流增益、光電流、暗電流等。功能失效（給定輸入信號，輸出異常)第四十六頁，共68頁。2022/10/3147可靠性測試與失效分析電學測量431功能失效Ref-Anode電流偏大第四十七頁，共68頁。2022/10/3148可靠性測試與失效分析電學測量電測的重要結論電測失效模式可能多種模式共存。一般只有一個主要失效模式，該失效模式可能引發(fā)其他失效模式。連接性失效，電參數(shù)失效和功能失效呈遞增趨勢，功能失效和電參數(shù)失效時?？梢詺w結于連接性失效。在缺少復雜功能測試設備時，有可能用簡單的連接性測試和參數(shù)測試，結合物理失效分析技術，仍然可以獲得令人滿意的失效分析結果第四十八頁，共68頁。2022/10/3149可靠性測試與失效分析電學測量

從第46頁的測試曲線可以看出，電路的大管子應該有損傷(Cathode-Anode)。但同時也伴隨Ref-Anode電流變大的現(xiàn)象。REFAnodeCathode

左圖是開蓋后看到的結果，與上面的猜測相符。輸出管擊穿是各種失效模式的原因。第四十九頁，共68頁。2022/10/3150可靠性測試與失效分析無損分析技術4.無損失效分析技術不必打開封裝對樣品進行失效定位和失效分析的技術。X射線透視技術反射式掃描聲學顯微技術（C－SAM）名稱應用優(yōu)勢主要原理X射線透視技術(X-Ray)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（主要用來判定引線斷裂）透視X光被樣品局部吸收后成像的異常反射式掃描聲學顯微術（C－SAM）以高密度區(qū)為背景，觀察材料內部空隙或低密度區(qū)（主要用來判定封裝內的空隙和芯片粘接失效）超聲波（5－100MHz)遇空隙受阻反射第五十頁，共68頁。2022/10/3151可靠性測試與失效分析無損分析技術紅色區(qū)域為芯片與L/F之間有空隙X-rayC-SAM第五十一頁，共68頁。2022/10/3152可靠性測試與失效分析光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡5.失效定位技術§5.1光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)第五十二頁，共68頁。2022/10/3153可靠性測試與失效分析光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡

光學顯微鏡SEM第五十三頁，共68頁。2022/10/3154可靠性測試與失效分析顯微紅外熱像分析技術§5.2顯微紅外熱像分析技術測試原理：芯片通電過程中會發(fā)熱，由于芯片各部位電流強度不同，導致芯片表面溫度不同，紅外熱像儀掃描整個芯片，可以獲得芯片溫度分布圖。輸出圖的顏色對應該點的溫度。儀器性能指標：熱分辨率0.1℃,空間分辨率5um，測溫范圍30℃～550℃,最靈敏溫度范圍80℃～180℃。第五十四頁，共68頁。2022/10/3155可靠性測試與失效分析顯微紅外熱像分析技術第五十五頁，共68頁。2022/10/3156可靠性測試與失效分析液晶熱點檢測技術§5.3液晶熱點檢測技術液晶是一種既具有液體的流動性，又具有晶體各向異性的物質。具有一個獨特性質，當溫度高于某一臨界溫度Tc時，就會變成各向同性。靈敏區(qū)溫度各向同性各向異性臨界溫度第五十六頁，共68頁。2022/10/3157可靠性測試與失效分析液晶熱點檢測技術

該技術存在的缺點是電流檢測靈敏度不高，需要mA級電流第五十七頁，共68頁。2022/10/3158可靠性測試與失效分析光輻射顯微分析§5.4光輻射顯微分析(PEM)原理：半導體許多缺陷類型在特定電應力下會產生漏電，并伴隨電子躍遷而導致光輻射。操作方法：首先，在外部光源下對制品進行數(shù)碼照相。然后對此局部加偏壓(直流偏壓或信號)，并在不透光的暗箱中進行微光照相。最后兩相片疊加。適用范圍：漏電結、接觸尖峰、氧化缺陷、柵針孔、靜電放電（ESD）損傷、閂鎖效應（Latchup）、熱載流子、飽和晶體管及開關管等第五十八頁，共68頁。2022/10/3159可靠性測試與失效分析光輻射顯微分析缺點：有些光輻射是正常的器件，如飽和晶體管，正偏二極管等。有些很明顯的失效并不產生光輻射，如歐姆型短路等。還有些缺陷雖產生輻射，但由于在器件的深層或被上層物質遮擋，無法探測優(yōu)點：操作簡單、方便，可以探測到半導體器件中的多種缺陷和機理引起的退化和失效，尤其在失效定位方面具有準確、直觀和重復再現(xiàn)性。無需制樣，非破壞性，不需真空環(huán)境，可以方便的施加各種靜態(tài)和動聽過的電應力。精度：幾十PA/um2，定位精度為1微米。另外還有光譜分析功能，通過對輻射點的特征光譜分析來確定輻射的性質和類型。第五十九頁，共68頁。2022/10/3160可靠性測試與失效分析光輻射顯微分析第六十頁，共68頁。2022/10/3161可靠性測試與失效分析

電子元器件化學成份分析技術6.電子元器件化學成份分析技術器件失效主要原因是污染（顆粒污染和表面污染），確認污染源是實施改進措施的先決條件。另外，界面之間原子互擴散也會引起特性退化和失效，也許要化學分析確認。分析項目特性（Item)X射線能譜分析（EDAX）俄歇電子能譜（Auger）二次離子質譜（SIMS）傅立葉紅外光譜（FTIR）分析深度1～5um表面2nm表面1～10mm靈敏度0.10%0.10%PPM～PPT