芯片缺陷失效分析的主要目的

摘要

對約 50例微波器件失效分析結(jié)果進行了匯總和分析，闡述了微波器件在使用中失效的主要原因、分類及其分布。匯總情況表明，由于器件本身質(zhì)量和可靠性導(dǎo)致的失效約占 80%，其余 20%是使用不當(dāng)造成的。在器件本身的質(zhì)量和可靠性問題方面，具體失效機理有引線鍵合不良、芯片缺陷 （包括沾污、裂片、工藝結(jié)構(gòu)缺陷等 ）、芯片粘結(jié)、管殼缺陷、膠使用不當(dāng)?shù)龋辉谑褂貌划?dāng)方面，主要是靜電放電 （ ESD ）損傷和過電損傷 （ EOS ）， EOS損傷中包括輸出端失配、加電順序等操作不當(dāng)引入的過電應(yīng)力等。

引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的工作頻率越來越高，微波器件在各種領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍越來越廣，而在使用過程中遇到的質(zhì)量和可靠性問題也日益增多，有些已經(jīng)給生產(chǎn)方和使用方造成了巨大的經(jīng)濟損失。近幾年來，電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國家級重點實驗室受使用方和生產(chǎn)方的委托，承擔(dān)了大量的微波器件、電路及組件的失效分析工作，本文總結(jié)了其中 56個實例，通過匯總分析，探討微波器件的主要失效模式及失效原因，以及如何在制造工藝、來料檢驗和分析、使用操作等方面采取優(yōu)化改進措施，從而達到降低微波器件的失效概率，提高整機系統(tǒng)的可靠性的目的。

器件分類與來源匯總

1.器件類型分類

微波器件可以按功能、頻率、封裝和預(yù)定用途等多種因素進行分類。由于微波器件的失效模式和原因往往與器件的工藝和結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此在后面的匯總分析中，主要按制造工藝進行分類：第一類是微波分立器件 （即通常所說的管子），第二類是微波單片電路（MMIC），主要是砷化鎵單片電路 ，第三類是微波組件和模塊 ，包括采用封裝器件以及裸芯片組成的各種微波混合電路和功能模塊。56個分析實例中，共有失效樣品144只。其中分立器件20批、59只失效樣品;單片電路8批、24只失效樣品；組件和模塊最多，有28批、失效樣品61只（圖1）。

圖1 分析實例器件類型匯總

2.器件來源分類

圖2是器件來源的匯總數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，總數(shù) 56批中，進口器件是 19批次，約占總批次的 34% ; 失效樣品有 41只，約占總樣品數(shù)的28. 5%。其中進口分立器件5批、21只失效品;單片電路（塑封） 3批、5只失效品；組件和模塊 11批、15只失效品。進口器件主要是整機系統(tǒng)單位使用，器件失效直接影響到整機系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)引起高度重視。

圖2 樣品來源匯總

失效模式和失效原因分類

1.失效模式分類匯總

不同器件如分立器件、單片電路和組件的具體失效模式不同，都在總體上可分為功能失效和特性退化兩大類，功能失效具體又包括輸入或輸出短路或開路、無功率輸出、控制功能喪失等;特性退化具體有輸出功率或增益下降、損耗增大、控制能力下降、飽和電流下降、 PN結(jié)特性退化等。

圖3是失效模式的匯總圖。從圖中看到，本次匯總的56例失效分析中， 32例的樣品是功能失效，18例的樣品是特性退化，6例是既有功能失效，又有特性退化。從總樣品數(shù) 144來看，功能失效的為104只，約占總樣品數(shù)的72. 2% ；特性退化的為 40只，約占27. 8%?？偟膩砜?，功能失效是主要的失效模式。

圖3 失效模式匯總

2.失效原因匯總分析

確定失效原因和失效機理是失效分析的主要目的，只有準確地找到失效原因，才能在以后的生產(chǎn)和使用過程中有針對性地進行改進和防范 ，消除或減少失效的再發(fā)生 ，保證整機和系統(tǒng)的可靠性。

圖4是失效原因總的分類匯總圖。匯總情況表明，失效原因有兩大類： 一類是器件本身的質(zhì)量和可靠性問題，具體失效機理有引線鍵合不良、芯片缺陷 （包括沾污、裂片、工藝結(jié)構(gòu)缺陷等）、芯片粘結(jié)、管殼缺陷、膠使用不當(dāng)?shù)?；另一類是使用不?dāng)導(dǎo)致的器件失效，簡單分為靜電放電 （ ESD）損傷和過電損傷（EOS），EOS損傷中包括輸出端失配、加電順序等操作不當(dāng)引入的過電應(yīng)力等。

圖4 失效原因批次匯總

56個實例中，由于器件本身質(zhì)量和可靠性導(dǎo)致的失效為45批次，約占 80%，樣品數(shù)為105，約占70%；因使用不當(dāng)導(dǎo)致的失效有11個批次，約占20%，共 41只樣品，約占30% （有時，同一批次的樣品或同一樣品有兩種以上的失效原因）。因此，由于器件本身缺陷導(dǎo)致的失效比例遠高于使用不當(dāng)導(dǎo)致的失效。

從匯總結(jié)果看出 ，器件本身缺陷排在前三位的依次是芯片缺陷、引線鍵合不良以及芯片粘結(jié)不良 ，分別占總批次的22%、17%和14%，合計為 53%，超過一半。而使用原因引起的失效主要是過電應(yīng)力 （ EOS）失效，如操作不當(dāng)，輸出失配、自激振蕩等。另外，由于器件的類型不同，各種器件的失效原因所占比例又有所不同。

1.分立器件失效原因匯總分析

圖5（a）是分立器件的失效原因匯總圖。從中可以看到，對分立器件來說，主要失效原因依次是芯片缺陷、芯片粘結(jié)、管殼缺陷以及引線鍵合，分別占分立器件總批次的 33%、25%、17%和13%，其中管殼缺陷是微波脈沖功率器件使用失效的主要原因。由于管殼氧化鈹陶瓷與鎢銅散熱底座之間存在大面積粘結(jié)空洞（見圖6） ，散熱性能不良，導(dǎo)致器件在工作時發(fā)生熱電擊穿失效。

圖5 單管和單片電路的失效原因匯總：（a）分立器件（b）單片電路

圖6 微波功率管管殼粘結(jié)空洞（箭頭所指區(qū)域為空洞）：

（a）聲學(xué)掃描像（b）光學(xué)顯微像（c）剖面SEM像

2.單片電路失效原因匯總分析

圖5（ b）是單片電路 （主要是GaAs單片或多芯片電路）失效原因的匯總情況。從圖中可以看出，芯片缺陷、靜電（ ESD）損傷和過電應(yīng)力是單片電路的三大主要失效原因，各占單片總批次的30% 。由于GaAs電路本身的原因，器件的抗靜電和抗過電能力相對硅器件都很弱，多數(shù)單片電路的靜電放電敏感度 （ ESD）在300～500 V（人體模型HBM）的范圍。因此，使用過程中防靜電和過電應(yīng)力的保護措施非常重要。尤其是靜電損傷具有潛在性和累積性的特點，即器件在受到靜電損傷后并不馬上失效，而會在以后的加電工作中突發(fā)失效；或者一次輕微的靜電放電后不失效，但多次經(jīng)歷后會突然失效。這些失效如果發(fā)生在上機工作時，無疑會造成很大的損失。因此，在操作單片電路全過程中，如生產(chǎn)、測試、運輸、安裝和調(diào)試，必須采用全方位的靜電防護措施。圖7是典型的MMIC的ESD損傷形貌。

圖 7 MM IC的 ESD損傷典型圖片：

（a） 電容損傷; （b） FET溝道損傷 ; （c） 電阻損傷

3.組件和模塊失效原因匯總分析

圖8是組件和模塊的失效原因匯總結(jié)果。從圖中可以看到，使用方面，主要是操作不當(dāng)或外電路匹配引起的過電應(yīng)力（ EOS）失效。從組件本身的質(zhì)量看 ，主要的失效原因按批次依次為引線鍵合、保護膠加固、芯片缺陷、芯片粘結(jié)、線圈脫落等 ，它們所占比例分別為30. 8% 、15. 4%、15. 4%、11. 5%和11. 5%。這與羅姆航空發(fā)展中心收集的混合電路的數(shù)據(jù)比較一致（見圖9） ，從圖9中看到，混合電路中 ，有源器件芯片和引線鍵合引起的失效占據(jù)第1、2位；但芯片貼裝只排在第7位占1. 8%，而文中的數(shù)據(jù)顯示，國產(chǎn)組件和模塊的芯片粘結(jié)問題比較嚴重，比例占10%，急需生產(chǎn)廠家進行工藝改進和提高。圖10是幾種主要失效模式的典型圖片。

組件和模塊中引線鍵合的失效比例特別高，主要表現(xiàn)為鍵合絲從微帶線上脫落導(dǎo)致器件失效。在陶瓷或 PCB基板的金導(dǎo)帶上鍵合引線是混合電路中的一個工藝難點，既有金絲鍵合時溫度、應(yīng)力、時間等條件的優(yōu)化問題 ，涉及基板上金導(dǎo)帶的制造工藝 ，如電鍍條件的優(yōu)化、表面微結(jié)構(gòu)狀態(tài)、表面處理、工藝沾污等問題。

圖 8 組件和模塊失效原因分類

圖 9 羅姆航空發(fā)展中心的混合電路失效原因分類

圖 10 微波組件的主要失效模式的典型圖片：

（ a ）引線不良鍵合 （ b ） 金帶導(dǎo)電膠粘結(jié)（ c ） 電感線圈脫落

導(dǎo)電膠對鍵合點加固引起的失效在組件中也有4例，主要表現(xiàn)為在經(jīng)歷溫度循環(huán)或熱沖擊后，導(dǎo)電膠拉脫加固的鍵合點 （往往是質(zhì)量不理想的鍵合點） ，導(dǎo)致器件回路電阻增大甚至開路失效。很多生產(chǎn)和使用者認為導(dǎo)電膠可以起良好的導(dǎo)電作用，因此用導(dǎo)電膠來加固鍵合不良的鍵合點。而實際上，導(dǎo)電膠的導(dǎo)電能力很差，它在鍵合點處并不能起導(dǎo)電作用，只是對鍵合點起固定保護作用。而樣品在工作和測試時有溫度升高和降低的變化，導(dǎo)電膠在溫度作用下產(chǎn)生的機械張力，還會拉脫本來就不健壯的熱壓鍵合點，使接觸電阻進一步顯著增大，導(dǎo)致器件失效。因此，，起導(dǎo)電和信號傳輸?shù)淖饔眠€是要靠良好的金-熱壓鍵合。

組件另一個特有的失效原因是線圈電感脫落。由于沒有固定，在振動使用的環(huán)境中 ，電路中的線圈電感從焊接點處振斷開路，使器件失效。

與分立器件和單片電路一樣，芯片缺陷和芯片粘結(jié)也是組件的主要失效原因。芯片缺陷主要是芯片（包括有源器件以及電容芯片）工藝結(jié)構(gòu)缺陷、芯片開裂、缺損、芯片沾污等。芯片粘結(jié)則主要表現(xiàn)由于粘結(jié)質(zhì)量不好，工作時芯片散熱性能差發(fā)生熱失效，甚至發(fā)生芯片脫落的現(xiàn)象。

另外，也有實例由于熱設(shè)計不當(dāng)，芯片在工作時溫度達到360°C，導(dǎo)致芯片完全損壞或從基板脫落。對功率組件和模塊來說，正確的熱設(shè)計是非常重要的。

結(jié)論

對 50例微波器件的失效分析結(jié)果進行了匯總和分析，得到的結(jié)果是：

（1） 由于器件本身質(zhì)量和可靠性導(dǎo)致的失效約占80%，其余 20% 是使用不當(dāng)造成；

（2）總的來看，微波器件本身缺陷排在前三位的依次是芯片缺陷、引線鍵合不良以及芯片粘結(jié)不良。而使用過程中的失效主要是過電應(yīng)力 （ EOS）失效 ，如操作不當(dāng)，輸出失配、自激振蕩等；

（3）對分立器件來說，主要失效原因依次是芯片缺陷、芯片粘結(jié)、管殼缺陷以及引線鍵合，其中管殼缺陷是微波脈沖功率器件使用失效的主要原因；

（4）而單片電路，由于 （ ESD）損傷和過電應(yīng)力造成的失效占 60% ，芯片缺陷 （如裂片）占 30% ;因此，處理單片電路的全過程必須加強防靜電和過電措施；

（5）從組件和模塊本身的質(zhì)量看，主要的失效原因依次為引線鍵合、保護膠加固、芯片缺陷、芯片粘結(jié)和線圈脫落等。其中保護膠加固和線圈脫落是組件特有的失效機理。組件和模塊的匯總數(shù)據(jù)與羅姆航空發(fā)展中心收集的混合電路的數(shù)據(jù)比較一致，但國產(chǎn)組件因芯片粘結(jié)導(dǎo)致的失效比例遠高于國外混合電路，值得生產(chǎn)廠家的高度重視。

從失效原因匯總和分析結(jié)果看，對微波器件的生產(chǎn)方來說，針對器件的主要失效原因進行工藝改進 ，可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。對使用方來說，上機使用前，通過采用針對性的檢驗和分析手段進行質(zhì)量評價、剔除缺陷器件，可以降低微波器件在使用中的失效率 ，提高整機的可靠性。
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