元器件失效分析方法

器件一旦壞了，千萬(wàn)不要敬而遠(yuǎn)之，而應(yīng)該如獲至寶。

開(kāi)車的人都知道，哪里最能練出駕駛水平？高速公路不行，只有鬧市和不良路況才能提高水平。社會(huì)的發(fā)展就是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的過(guò)程，出現(xiàn)問(wèn)題不可怕，但頻繁出現(xiàn)同一類問(wèn)題是非常可怕的。

失效分析基本概念

定義：對(duì)失效電子元器件進(jìn)行診斷過(guò)程。

1、進(jìn)行失效分析往往需要進(jìn)行電測(cè)量并采用先進(jìn)的物理、冶金及化學(xué)的分析手段。

2、失效分析的目的是確定失效模式和失效機(jī)理，提出糾正措施，防止這種失效模式和失效機(jī)理的重復(fù)出現(xiàn)。

3、失效模式是指觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。

4、失效機(jī)理是指失效的物理化學(xué)過(guò)程，如疲勞、腐蝕和過(guò)應(yīng)力等。

失效分析的一般程序

1、收集現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

2、電測(cè)并確定失效模式

3、非破壞檢查

4、打開(kāi)封裝

5、鏡驗(yàn)

6、通電并進(jìn)行失效定位

7、對(duì)失效部位進(jìn)行物理、化學(xué)分析，確定失效機(jī)理。

8、綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施。

1、收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)：

應(yīng)力類型

試驗(yàn)方法

可能出現(xiàn)的主要失效模式

電應(yīng)力

靜電、過(guò)電、噪聲

MOS器件的柵擊穿、雙極型器件的pn結(jié)擊穿、功率晶體管的二次擊穿、CMOS電路的閂鎖效應(yīng)

熱應(yīng)力

高溫儲(chǔ)存

金屬－半導(dǎo)體接觸的Al－Si互溶，歐姆接觸退化，pn結(jié)漏電、Au-Al鍵合失效

低溫應(yīng)力

低溫儲(chǔ)存

芯片斷裂

低溫電應(yīng)力

低溫工作

熱載流子注入

高低溫應(yīng)力

高低溫循環(huán)

芯片斷裂、芯片粘接失效

熱電應(yīng)力

高溫工作

金屬電遷移、歐姆接觸退化

機(jī)械應(yīng)力

振動(dòng)、沖擊、加速度

芯片斷裂、引線斷裂

輻射應(yīng)力

X射線輻射、中子輻射

電參數(shù)變化、軟錯(cuò)誤、CMOS電路的閂鎖效應(yīng)

氣候應(yīng)力

高濕、鹽霧

外引線腐蝕、金屬化腐蝕、電參數(shù)漂移

2、電測(cè)并確定失效模式

電測(cè)失效可分為連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效。

連接性失效包括開(kāi)路、短路以及電阻值變化。這類失效容易測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)失效多數(shù)由靜電放電（ESD）和過(guò)電應(yīng)力（EOS）引起。

電參數(shù)失效，需進(jìn)行較復(fù)雜的測(cè)量，主要表現(xiàn)形式有參數(shù)值超出規(guī)定范圍（超差）和參數(shù)不穩(wěn)定。

確認(rèn)功能失效，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。

三種失效有一定的相關(guān)性,即一種失效可能引起其它種類的失效。功能失效和電參數(shù)失效的根源時(shí)?？蓺w結(jié)于連接性失效。在缺乏復(fù)雜功能測(cè)試設(shè)備和測(cè)試程序的情況下，有可能用簡(jiǎn)單的連接性測(cè)試和參數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行電測(cè)，結(jié)合物理失效分析技術(shù)的應(yīng)用仍然可獲得令人滿意的失效分析結(jié)果。

3、非破壞檢查

名稱

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

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)

透視X光的被樣品局部吸收后成象的異常

反射式掃描聲學(xué)顯微術(shù)（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)

超聲波遇空隙受阻反射

X-Ray檢測(cè)，即為在不破壞芯片情況下，利用X射線透視元器件（多方向及角度可選），檢測(cè)元器件的封裝情況，如氣泡、邦定線異常，晶粒尺寸，支架方向等。

適用情境：檢查邦定有無(wú)異常、封裝有無(wú)缺陷、確認(rèn)晶粒尺寸及l(fā)ayout

優(yōu)勢(shì)：工期短，直觀易分析

劣勢(shì)：獲得信息有限

局限性：

1、相同批次的器件，不同封裝生產(chǎn)線的器件內(nèi)部形狀略微不同；

2、內(nèi)部線路損傷或缺陷很難檢查出來(lái)，必須通過(guò)功能測(cè)試及其他試驗(yàn)獲得。

案例分析：

X-Ray 探傷----氣泡、邦定線

X-Ray 真?zhèn)舞b別----空包彈（圖中可見(jiàn)，未有晶粒）

“徒有其表”

下面這個(gè)才是貨真價(jià)實(shí)的

X-Ray用于產(chǎn)地分析（下圖中同品牌同型號(hào)的芯片）

X-Ray 用于失效分析（PCB探傷、分析）

（下面這個(gè)密密麻麻的圓點(diǎn)就是BGA的錫珠。下圖我們可以看出，這個(gè)芯片實(shí)際上是BGA二次封裝的）

4、打開(kāi)封裝

開(kāi)封方法有機(jī)械方法和化學(xué)方法兩種,按封裝材料來(lái)分類，微電子器件的封裝種類包括玻璃封裝(二極管)、金屬殼封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等。

機(jī)械開(kāi)封

化學(xué)開(kāi)封

5、顯微形貌像技術(shù)

光學(xué)顯微鏡分析技術(shù)

掃描電子顯微鏡的二次電子像技術(shù)

電壓效應(yīng)的失效定位技術(shù)

6、半導(dǎo)體主要失效機(jī)理分析

電應(yīng)力（EOD）損傷

靜電放電（ESD）損傷

封裝失效

引線鍵合失效

芯片粘接不良

金屬半導(dǎo)體接觸退化

鈉離子沾污失效

氧化層針孔失效