失效分析:第二讲分析技术与设备

失效分析技术及经典案例   第二讲分析技术与设备

 

中国赛宝实验室  可靠性研究分析中心

 

总目录
第一讲失效分析概论
第二讲分析技术及设备
第三讲失效分析典型案例

 

第二讲失效分析技术与设备
1. 失效分析程序
2. 非破坏性分析技术
3. 半破坏性分析技术
4. 破坏性分析技术
5. 分析技术与设备清单
获得失效分析证据具体技术方法

 

基本方法与程序
 失效信息调查与方案设计
 非破坏性分析的基本路径
 半破坏性分析的基本路径
 破坏性分析的基本路径
 报告编制
失效分析的逻辑与技术途径

 

失效分析程序
基本方法与程序

 

基本思路
信息分析(失效环境·标准·规范·经验)
 失效模式确认(通过测试·试验·对比分析)
 可能的失效机理(在前两项的基础上)
 寻找证据(物理·化学·试验)
 原因推演
 必要的验证和结论

 

基本流程
失效现场信息调查–>外观检查—失效模式确认–方案设计–非破坏性分析->

 

–>破坏性分析–>综合分析–>报告编写

 

操作原则

 

先外部后内部
 先非破坏性后半破坏性
 最后用破坏性
 避免引进新的失效机理

 

失效信息调查与方案设计
信息类别
 基本信息：出于管理需要的信息，样品来
源、型号、批次、编号、时间、地点等。
 技术信息：是判断可能的失效机理和失效
分析方案设计的重要依据。

 

技术信息
特定使用应用信息
整机故障现象﹑异常环境﹑在整机中的状态﹑应
用电路、二次筛选应力、失效历史、失效比例、失效
率及其随时间的变化等。
 特定生产工艺
1)生产工艺条件和方法
2)特种器件应先用好品开封了解和研究其结构特点
技术信息的作用：方案设计、分析过程和机理
推断的重要依据

 

非破坏性分析的基本路径
非破坏性项目(先实施易行的、低成本的）
 外观检查
 模式确认(测试和试验,对比分析)！
 检漏
 可动微粒检测（PIND）
 X光照相
 声学扫描
 模拟试验

 

半破坏性分析的基本路径
半破坏性分析（多余物、污染、缺陷、微
区电特性和电光热效应）
 可动微粒收集
 内部气氛检测（与前项有冲突）
 开封
 不加电的内部检查（光学· SEM · 微区成分）
 加电的内部检查(微探针·热像·光发射·电压衬
度像·束感生电流像·电子束探针）

 

破坏性分析的基本路径
破坏性分析（进一步的微区电特性、污染、缺陷）
 加电的内部检查(去除钝化层·微探针·聚焦离子
束·电子束探针）
 剖切面分析（光学、SEM、TEM）

 

报告编制
 失效现场信息(样品概况)
 有关的各种检测的记录数据描述和分析
 综合分析
 分析结论
 措施建议

 

如何使用失效分析报告
 质量师（可靠性师）
 设计师
 工艺师
 用户

 

1 非破坏性分析技术
1.1 外观检查
 1.2 电参数测试分析与模拟应力试验
 1.3 检漏与PIND
 1.4 X光与扫描声学分析

 

 

1.2 电参数测试分析
目的：确认失效模式和失效管脚定位
方法：与同批次好品同时进行测试和试验
功能测试和管脚直流特性（I-V特性）
对照良好样品、产品规范，解释差异
结果: 1) *参数漂移*参数不合格*开路*短路
*与失效现场不一致
2)确认异常功能和异常直流特性的引脚

 

1.2 电参数测试分析

 

几种异常的I－V特性

 

1.2 电参数测试分析

 

注意
 图示仪:局部和全貌
 测试仪:自动测试仪器与随时间蠕变的特性
 测试标准和规范：高反压器件和雪崩击穿电压
 关于万用表

 

A01

 

电参数测试可识别的失效模式
A. 与失效现场不一致
B. 参数漂移
C. 参数不合格
D. 开路
E. 短路
F. 间歇失效

 

1.1.3 检漏与PIND
检漏
 结果: 低漏率、高漏率、冒泡
 与外观结果的相关性
 X-射线检查结果:
 玻璃绝缘子和焊缝
有裂缝或气泡
不连通和连通

 

A02

 

可动微粒探测
 影响:金属可能引起短路，非金属引起沾污#p#分页标题#e#
 方法: 振动微粒噪声，振动与X光照相结合
 可动微粒取样
 可动微粒性质分析
 可动微粒来源
 继电器和电感线圈

 

A03

 

1.1.4 X光与扫描声学分析(C-SAM)

 

 X射线透视技术（几微米）
用途：观察芯片、内引线和界
面的完整性
 反射式扫描声学显微技术（几
十微米）
用途：观察芯片粘接的完整性，
微裂纹，界面分层

 

A04

 

X射线透视与反射式声扫描比较

 

A05

 

X射线透视象

 

A06

 

反射式扫描声学显微镜

 

A07

 

反射式扫描声学显微象

 

A08
反射式扫描声学显微象

 

A09

 

 

 

2.半破坏性分析技术
2.2.1 开封技术与可动微粒收集
2.2 内部气氛检测（与前项有冲突）
2.3 不加电的内部检查（光学· SEM与EDS · 微区成分）
2.4 加电的内部检查(微探针·红外热像·EMMI光发射·电压衬度像·束感生电流像·电子束探针）

 

2.2.1 开封技术与可动微粒收集
开封

 

 首先必须了解样品的内部结构，必要时用同类品试开封
 空封机械法: 专用工具研磨
 塑封化学法: 硫酸硝酸
A10

 

2.1 开封技术与可动微粒收集
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

 

2.2.2 内部气氛检测
 主要有害气氛:水汽、氧、有机气氛
 水汽的危害:除了直接引起漏电之外，水对很多失效机理都有加速作用
*银迁移(离子迁移)
*金属腐蚀(腐蚀和电化腐蚀)
*金铝化合物
*焊接热疲劳
*水汽中H离子引起的二次慢俘获

 

2.3不加电的内部检查
 金相显微镜
 扫描电镜（SEM）与能谱仪（EDS）
A11

 

2.3不加电的内部检查
内部观察
内部引线和外引脚的
对应关系
 内部结构状态全貌
 以上两项必要时必须

 

拍照
 观察顺序
1)引线丝及内外键合点 2)芯片
3)金属化 4)钝化层及介质
5)PN结 6)其它结构
 有怀疑的都必须照相
A12

 

2.4加电的内部检查
微探针
 红外热像
 EMMI光发射
 SEM电压衬度像
 SEM束感生电流像
 电子束探针
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像
 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电压衬度像原理
A13

 

电压衬度像和差像示意图

 

A14
电压衬度象和差象
A15

 

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）高的空间分辨率，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
以测量电流效应为基础的失效定位技术
 红外热象技术：热分布图，定热点
 光发射显微镜：微漏电点失效定位栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应#p#分页标题#e#
 电子束感生电流像：pn结缺陷定位

 

红外热像技术
改进前的混合电路热分布图   改进后的混合电路热分布图

 

A16
光发射显微镜（EMM）
A17

 

光发射显微镜
A18

 

EMM确定CMOS电路闩锁效应易发区
A19

 

3.破坏性分析技术
3.3.1 去除钝化层技术（湿法、干法）
3.2 剖切面技术及分析
A20

 

3.1 去除钝化层技术
去钝化层的监控

 

A21

 

反应离子腐蚀技术
A22

 

3.3.2 剖切面技术及分析
 固封（镶嵌）材料
 操作要求研磨(粗细)
 抛光
 横切面、纵切面、斜角

 

BGA焊点失效
A23

 

4.分析技术与设备清单
A24
A25-A26