電子元器件失效性分析

#/5電子元器件失效性分析與應用趙春平公安部第一研究所摘要：警用裝備作為國內(nèi)特種裝備制造業(yè)之一，其可靠性、精確性要求非一般企業(yè)及產(chǎn)品所能滿足，因其關系到現(xiàn)場使用者及人民的生命財產(chǎn)安全，故設備選材更是嚴之又嚴。電子元器件作為警用電子系統(tǒng)的基礎及核心部件，它的失效及潛在缺陷都將對裝備的可靠性產(chǎn)生重要影響；電子器件失效分析的目的是通過確定失效模式和失效機理，提出對策、采取措施，防止問題出現(xiàn)，失效分析對于查明元器件的失效原因并及時向設計者反饋信息是必須的。隨著警用裝備制造水平的不斷進步，元器件的可靠性問題越來越受到重視，設備研制單位和器件生產(chǎn)廠家對失效分析技術及工程實踐經(jīng)驗的需求也越來越迫切。關鍵詞：警用裝備、可靠性、失效模式、失效機理。失效分析的基本內(nèi)容，定義和意義1．1失效分析的基本內(nèi)容電子元器件失效分析的目的是借助各種測試分析技術和分析程序認定器件的失效現(xiàn)象，判斷其失效模式和機理，從而確定失效原因，對后續(xù)設計提出建議，在生產(chǎn)過程中改進生產(chǎn)工藝，器件使用者在系統(tǒng)設計時改進電路設計，并對整機提出相應測試要求、完成測試。因此，失效分析對元器件的研制速度、整機的可靠性有著重要意義。1.2失效的分類在實際使用中，可以根據(jù)需要對失效做適當分類：按模式分為：開路、短路、無功能、特性退化、重測合格；按原因分為：誤用失效、本質(zhì)失效、早起失效、偶然失效、耗損失效、自然失效；按程度分為：完全失效、局部失效、按時間分為：突然失效、漸變失效、退化失效；按外部表現(xiàn)分為：明顯失效、隱蔽失效等。二、失效的機理、模式失效的機理由于電子器件的失效主要來自于產(chǎn)品制造、實驗、運輸、存儲、使用等一系列過程中發(fā)生的情況，與材料、設計、制造、使用密切相關。且電子元器件種類繁多，故失效機理也很多，失效機理是器件失效的實質(zhì)原因，在此說明器件是如何失效，相當于器件失效的物理和化學過程，從而表現(xiàn)出來性能、性質(zhì)（如腐蝕、疲勞、過應力等）。元器件主要失效機理有：2.1.1過應力（EOS）：指元器件承受的電流、電壓應力或功率超過了其允許的最大范圍。靜電損傷（ESD）指電子器件在加工生產(chǎn)、組裝、貯存、運輸中與可能帶靜電的容器、測試及操作人員接觸，所帶經(jīng)典經(jīng)過器件引腳放電到地面，使器件收到損傷或失效。閂鎖效應（Latch-Up）:MOS電路中由于寄生PNPN晶體管存在而呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，這種低阻狀態(tài)在觸發(fā)條件去除或者終止后任然會存在。電遷移（EM）:當器件工作時，金屬互聯(lián)線內(nèi)有一定電流通過，金屬離子會沿著導體產(chǎn)生質(zhì)量的運輸，其結果會使導體的某些部位出現(xiàn)空洞或晶須。熱載流子效應（HC）:熱載流子是指能量比費米能級大幾個KT以上的載流子。這些載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài)，當其能量達到或者超過SI-SIO2界面勢壘時（對電子注入為3.2eV,對空穴注入為4.5eV）便會注入到氧化層中，產(chǎn)生界面態(tài)，氧化層陷阱或被陷阱所俘獲，是氧化層電荷增加或波動不穩(wěn)，這就是熱載流子效應。柵氧擊穿：在MOS器件及其電路中，柵氧化層缺陷會導致柵氧漏電，漏電增加到一定程度即構成擊穿。與時間有關的介質(zhì)擊穿（TDDB）：施加的電場低于柵氧的本證擊穿強度，但經(jīng)歷一定的時間后仍然會擊穿，這是由于施加應力過程中，氧化層內(nèi)產(chǎn)生并聚集了缺陷的原因。由于金-呂之間的化學勢不同，經(jīng)長期使用或200度以上的高溫存儲后，會產(chǎn)生多種金屬間化合物，如紫斑、白斑等。使鋁層變薄、接觸電阻增加，最后導致開路。300度高溫下還會產(chǎn)生空洞，即可肯德爾效應，這種效應是高溫下金向鋁迅速擴散并形成化合物，在鍵合點四周出現(xiàn)環(huán)形空間，是鋁膜部分或全部脫離，形成高祖或開路。爆米花效應：塑封元器件塑封料內(nèi)的水汽在高溫下受熱膨脹，使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層反映，拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開路失效。失效模式失效的模式指外在的表現(xiàn)形式和過程規(guī)律，通常指測試或觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。產(chǎn)品的失效依據(jù)其是否具有損傷的時間累積效應而被分為過應力失效和損耗性失效，所以與時間相關的失效模型定量地描述了產(chǎn)品隨時間的損傷積累狀況，在宏觀上表現(xiàn)為性能或是參數(shù)隨時間的退化。常用的失效模型有：阿列尼烏茲模型：列尼烏茲模型定量的給出化學反應速率與溫度的關系，所以，如果一個產(chǎn)品的失效過程取決于這樣的一個化學，列尼烏茲模型就給出了產(chǎn)品的壽命。艾林模型：艾林模型與列尼烏茲模型相比可以考慮溫度以外的更多應力的影響，同時潛在的可以考慮這些不同類型應力之間的相互作用。三、失效分析技術失效分析技術是失效分析使用的手段和方法，主要包括六大方面：失效定位技術、樣品制備技術；顯微分析技術；應力驗證技術；電子分析技術；成分分析技術。失效定位技術：失效定位技術的主要目的是確定檢測目標的失效部位，隨著現(xiàn)代集成電路及電子器件的復雜化，失效定位技術就顯得尤為重要。失效定位技術有多種方法，其中無需開封即可進行的無損檢測有X-RAY,SAM等。X-RAY可用于觀察元器件及多層印刷電路板的內(nèi)部結構，內(nèi)引線的是否開路或短路，粘接缺陷，焊點缺陷，封裝裂紋，空洞、橋連、立碑及器件漏裝等缺陷。這也是人工焊接操作時容易反生的問題，經(jīng)過這幾年在線上的學習和工作，對此類缺陷了如于心，這也從根本上排除了由于人工操作引起的失效。SAM則可觀察到內(nèi)部裂紋，分層缺陷，空洞，氣泡，空隙等，若X-RAY，SAM不能檢測到失效部位，則需要對元器件進行開封，而后用其他方法定位。例如顯微檢查。樣品制備技術未解決大部分失效分析，都需要采用解剖分析技術，即對樣品的剖層分析，陰氣不對觀察和測試部分存在破壞。樣品的制備步驟一般包括：開發(fā)封裝、去鈍化層，對于多層結構芯片來說，還要去除層間介質(zhì)。打開封裝可以使用機械和化學兩種方法，去鈍化層可使用化學腐蝕或等離子腐蝕。顯微分析技術失效原因的分析，失效機理的確定及前文提到的失效定位都要用到現(xiàn)為分析技術?，F(xiàn)為分析技術一般采用各種顯微鏡，且它們個具有優(yōu)缺點，如景深大成像立體感強的體式顯微鏡;平面成像效果好的金相顯微鏡；放大倍數(shù)高的SEM；制樣要求高可觀察到晶格結構的TEM；成像精度不高但操作方便的紅外顯微鏡；成像精度較高的光輻射顯微鏡等，要根據(jù)實際情況進行設備和方法的選擇。應力驗證技術電子器件在不同環(huán)境中可靠性存在差異，如不同溫度、濕度下產(chǎn)生的應力，不通電流、電壓下產(chǎn)生的電應力等，都會導致電子元器件性能的變化，或失效。因此，可以模擬各種環(huán)境參數(shù)，來驗證元器件各種應力下的可靠性。電子分析技術利用電子進行失效分析的方法很多，如EBT,EPMA,SEM,TEM,AES等。成分分析技術需要確定元器件中某一部分的成分即需要用到成分分析技術，以判斷是否存在污染，或組份是否正確，而影響了元器件的性能。常用設備有EDS,EDAX,AES,SIMS等。四、失效分析的應用以上是失效分析的概念問題，下面講講失效分析的實際應用:例如一個EPROM在使用后不能讀寫的分析1）先不要相信使用者的話，進行一系列復判。2）快速失效分析：失效定位分析，查找電源端開始測試，首先做待機電流測試，電源對地的待機電流下降；制備分析，進行開封測試。開封發(fā)現(xiàn)電源線中間斷（中間散熱慢，兩端散熱快），因為斷開，相當于并聯(lián)電阻少了一個電阻，電流減小。3）分析原因：閂鎖效應應力大于產(chǎn)品本身強度。4）責任：確定失效責任方：進行模擬實驗，測閂鎖的能力，看觸發(fā)的電流值，越大越好，至少要大于datasheet或近似良品的值在標準范圍內(nèi)的。接下來檢測維持電壓（第二拐點電壓），若大于標準指，則很難回到原值。若多片良品檢測沒問題，說明是使用者使用不當導致。5）改善建議：改善供電措施，加電路保護措施。常見電子器件失效分析方法及改正措施電阻器：電阻器最容易失效于阻值增大；開路原因：受潮，發(fā)生電腐蝕，過電應力。電容器：電解電容用于電源濾波，一旦短路后果很嚴重特點是容值大壽命短，如果漏液則導致電容減少，大點路燒壞電極造成短路放電；電源犯戒會產(chǎn)生強大電流燒壞電極；陰極氧化使絕緣膜增厚，導致電容下降；長期放置不通電，陽極氧化膜不斷脫落不能及時修補，漏電電流增大，可加直流電使之修復。繼電器：觸點飛弧放電粘結原因：鍵結合點外圍回路有線圈，線圈產(chǎn)生大的電動勢時，且當鍵間有水氣，會發(fā)生觸點飛弧放電，造成粘結。電路板：離子遷移當線間有水分和雜質(zhì)，通電后使離子通電，短路。五、 失效分析在警用設備中應用的重要性作為保障警用設備可靠性、保證警用設備正常工作，防止設備失效而對社會和人身造成傷害，每一個設備生產(chǎn)工程師都應具備一定素質(zhì)。而設備可靠性基本也可以歸結為元器件失效，換句話說產(chǎn)品出去，在客戶那里使用不良，很大程度是元器件失效引起的，所以失效分析的精華就是元器件失效分析，但是元器件失效，除了元器件本身可靠性，還有設計、工藝、人工、環(huán)境應力等因素，或者綜合因素，至于元器件本身問題，按照供應鏈管理的思路，追述到供應商，同樣可以歸結為原材料的設計、工藝、人工、環(huán)境引起，所以，可靠性工程師必定要求對元器件的設計選用，