电子元器件失效分析技术

基本概念和失效分析技术
第一部分
失效的概念
失效定义
1特性剧烈或缓慢变化
2不能正常工作
3不能自愈
失效种类
1致命性失效：如过电应力损伤
2缓慢退化：如MESFET的IDSS下降
3间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效

失效物理模型
应力－强度模型
失效原因：应力>强度
强度随时间缓慢减小
如:过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（latchup)
应力－时间模型（反应论模型）
失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳
温度应力－时间模型
温度应力的时间累积效应
与力学公式类比
失效物理模型小结
应力－强度模型：不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显。.
应力－时间模型（反应论模型）：需考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显。

明显失效现象可用应力－强度模型来解释
可靠性评价的主要内容
产品抗各种应力的能力
产品的平均寿命
预计平均寿命的方法
1求激活能E

预计平均寿命的方法
2求加速系数F
预计平均寿命的方法
由高温寿命L1推算常温寿命L2
F=L2/L1
对指数分布
L1=MTTF=1/λ
λ失效率

失效分析的概念
失效分析的定义
失效分析的目的
确定失效模式
确定失效机理
提出纠正措施，防止失效重复出现

失效模式的概念和种类
失效的表现形式叫失效模式
按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效

失效机理的概念
失效的物理化学根源叫失效机理。例如
开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMOS电路的闩锁效应
漏电和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔
失效机理的概念（续）
参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤
引起失效的因素
材料、设计、工艺
环境应力
环境应力包括：过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力
时间

失效分析的作用
确定引起失效的责任方（用应力－强度模型说明）
确定失效原因
为实施整改措施提供确凿的证据
举例说明：失效分析的概念和作用
某EPROM使用后无读写功能
失效模式：电源对地的待机电流下降
失效部位：部分电源内引线熔断
失效机理：闩锁效应
确定失效责任方：模拟试验
改进措施建议：改善供电电网，加保护电路
某EPROM的失效分析结果
模拟试验确定失效责任方
失效分析的受益者
元器件厂：获得改进产品设计和工艺的依据
整机厂：获得索赔、改变元器件供货商、改进电路设计、改进电路板制造工艺、提高测试技术、设计保护电路的依据
整机用户：获得改进操作环境和操作规程的依据
提高产品成品率和可靠性，树立企业形象，提高产品竞争力
失效分析技术的延伸
进货分析的作用：选择优质的供货渠道，防止假冒伪劣元器件进入整机生产线
良品分析的作用：学习先进技术的捷径
失效分析的一般程序
收集失效现场数据
电测并确定失效模式
非破坏检查
打开封装
镜检
通电并进行失效定位
对失效部位进行物理化学分析，确定失效机理
综合分析，确定失效原因，提出纠正措施

收集失效现场数据
作用：根据失效现场数据估计失效原因和失效责任方
根据失效环境：潮湿、辐射
根据失效应力：过电、静电、高温、低温、高低温
根据失效发生期:早期、随机、磨损
失效现场数据的内容
水汽对电子元器件的影响
电参数漂移
外引线腐蚀
金属化腐蚀
金属半导体接触退化
辐射对电子元器件的影响
参数漂移、软失效
例：n沟道MOS器件阈值电压减小
失效应力与失效模式的相关性
过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁
静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁
热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电
热电：金属电迁移、欧姆接触退化
高低温：芯片断裂、芯片粘接失效
低温：芯片断裂
失效发生期与失效机理的关系
早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分
随机失效：静电损伤、过电损伤
磨损失效：元器件老化
随机失效有突发性和明显性
早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性

失效发生期与失效率

以失效分析为目的的电测技术
电测在失效分析中的作用
重现失效现象，确定失效模式，缩小故障隔离区，确定失效定位的激励条件，为进行信号寻迹法失效定位创造条件
电测的种类和相关性
连接性失效、电参数失效和功能失效

电子元器件失效分析的简单实用测试技术（一）
连接性测试：万用表测量各管脚对地端/电源端/另一管脚的电阻，可发现开路、短路和特性退化的管脚。电阻显著增大或减小说明有金属化开路或漏电部位。
待机(standby)电流测试:所有输入端接地（或电源），所有输出端开路，测电源端对地端的电流。待机(standby)电流显著增大说明有漏电失效部位。待机(standby)电流显著减小说明有开路失效部位。

电子元器件失效分析的简单实用测试技术（二）
各端口对地端/电源端的漏电流测试（或I——V测试）,可确定失效管脚。
特性异常与否用好坏特性比较法确定。

待机(standby)电流显著减小的案例
待机(standby)电流偏大的案例TDA7340S音响放大器电路
由反向I－V特性确定失效机理
由反向I－V特性确定失效机理
直线为电阻特性，pn结穿钉，属严重EOS损伤。
反向漏电流随电压缓慢增大，pn结受EOS损伤或ESD损伤。
反向击穿电压下降，pn结受EOS损伤或ESD损伤。

由反向I－V特性确定失效机理
反向击穿电压不稳定：芯片断裂、芯片受潮
烘烤变化与否可区分离子沾污和静电过电失效
烘焙技术
1应用范围：漏电流大或不稳定、阻值低或不稳定、器件增益低、继电器接触电阻大
2用途：确定表面或界面受潮和沾污
3方法：高温储存、高温反偏
清洗技术
应用范围：离子沾污引起的表面漏电
用途：定性证明元器件受到表面离子沾污
方法：无水乙醇清洗
去离子水冲洗（可免去）
烘干
烘焙和清洗技术的应用举例
烘焙和清洗技术的应用举例
双极型器件的反向靠背椅特性是钝化层可动离子沾污的结果，可用高温反偏和高温储存来证实。
失效分析的发展方向
失效定位成为关键技术
非破坏
非接触
高空间分辨率
高灵敏度
无损失效分析技术
无损分析的重要性(从质检和失效分析两方面考虑)
检漏技术
X射线透视技术
用途：观察芯片和内引线的完整性
反射式扫描声学显微技术
用途：观察芯片粘接的完整性，微裂纹，界面断层
检漏技术
粗检：负压法、氟碳加压法
细检：氦质谱检漏法
负压法检漏
氟碳加压法
X射线透视与反射式声扫描比较
X射线透视举例
FPGA电源内引线烧断
C－SAM像举例
功率器件芯片粘接失效
塑封IC的管脚与塑料分层
样品制备技术
种类：打开封装、去钝化层、去层间介质、抛切面技术、去金属化层
作用：增强可视性和可测试性
风险及防范：监控

打开塑料封装的技术
去钝化层的技术
湿法：如用HF：H2O＝1：1溶液去SiO2
85％HPO3溶液，温度160C去Si3N4
干法：CF4和O2气体作等离子腐蚀去SiNx和聚酰亚胺
干湿法对比
去钝化层的监控
去层间介质
作用：多层结构芯片失效分析
方法：反应离子腐蚀
特点：材料选择性和方向性
结果
腐蚀的方向性
去金属化Al层技术
作用
配方：30％HCl或30％H2SO4
KOH、NaOH溶液
应用实例：pn结穿钉
抛切面技术
形貌象技术
光学显微术：分辨率3600A，倍数1200X
景深小，构造简单
对多层结构有透明性，可不制样
扫描电子显微镜：分辨率50A，倍数10万
景深大，构造复杂
对多层结构无透明性，需制样
以测量电压效应为基础的失效定位技术
用途：确定断路失效点位置
主要失效定位技术：
扫描电镜的电压衬度象
机械探针的电压和波形测试
电子束测试系统的电压和波形测试
SEM电压衬度象原理
电子束测试技术
用途：（与IC测试系统相比较）测定芯片内部节点的电压和波形，进行芯片失效定位（电镜+电子束探头示波器）
特点：（与机械探针相比较）高空间分辨率，非接触，无电容负载，容易对准被测点
机械探针与电子探针比较
直流电压、交流电压、脉冲电压
电压精度高，用于模拟电路、数字电路
信号注入、信号寻迹
接触性探针，需去钝化层
有负载，波形易变形
空间分辨率差
交流电压、脉冲电压

电压精度低，用于数字电路
信号寻迹
非接触性探针，不需去钝化层
无负载，波形不变形
空间分辨率高
由设计版图确定电子束探测点用波形比较法进行设计验证
用EBT进行失效分析实例
80脚进口HD63B03微处理器单元
手工焊正常
载流焊，90％发生多脚开路
失效原因
改进建议
80脚进口HD63B03微处理器单元失效分析
引线框架密封不良的IC的反射声学显微图象

以测量电流效应为基础的失效定位技术
红外热象技术用途：热分布图，定热点
光发射显微镜用途：微漏电点失效定位
栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应
电子束感生电流象用途：pn结缺陷
改进前后的混合电路热分布图
FPGA
EMM确定CMOS电路闩锁效应易发区
单端输出束感生电流象（EBIC）
EBIC的用途：用SEM观察pn结缺陷
传统EBIC用双端输出，每次只能观察一个结
单端输出EBIC可同时观察芯片所有pn结的缺陷，适用于VLSI失效分析
例某CMOS电路的EBIC
原理
CMOS电路的束感生电流象
封装内部气体成份分析
露点检测
质谱分析结果
用SEM进行VLSI金属化层晶粒结构的定量分析
1.定量分析的重要性
适当增大晶粒尺寸可增加铝金属层抗电迁移能力
定量测定VLSI铝金属化层晶粒尺寸，有助于控制工艺条件，制备高可靠的铝金属化层
用SEM进行VLSI金属化层晶粒结构的定量分析
2.定量分析方法
SEM图象数字分析软件，可统计出金属化层任意区域不同晶粒尺寸范围的晶粒数目，用于VLSI金属化工艺的统计工艺控制，是观念上的创新。

固态器件微区化学成份分析
ISP在过电应力作用下金属化层的热电迁移照片和连接物的能谱分析结果
X射线能谱分析确定铝金属桥接
聚焦离子束技术
用途：
1制备探测通孔，实现多层布线VLSI的下层金属节点的电压和波形测试
2为对准下层金属制备通孔，可同时显示CAD设计版图和芯片实时图象，可根据版图确定钻孔部位。
3在VLSI芯片上进行线路修改，省去重新制板和流片的手续，加快产品研制
用FIB制备探测通孔
聚焦离子束技术
4为观察内部缺陷，对样品进行局部剖切面
5扫描离子显微镜可用于形貌观察
聚焦离子束技术应用实例