电子产品失效分析
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SEM-EDS
失效分析技术与设备
TEM
Topography of Carbon Particle Sample (BFI)
失效分析技术与设备
AFM
失效分析技术与设备
X-Ray透视系统
结构
X射线源 屏蔽箱 样品台 X射线接收成 像系统
失效分析技术与设备
SAM
结构
可动微粒收集 内部气氛检测 开封检查 不加电的内部检查（光学，SEM，微区分析） 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） 多余物，污染物成分分析。
失效分析基本程序
破坏性分析的基本路径
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） 进一步的多余物，污染物成分分析。
失效案例分析
4.
确定失效模式
线圈温度异常 线圈电阻异常（严重减小） 漆包线漆膜破裂，铜芯丝裸露 漆包线短路漏电 结论：线圈失效
过电压场致失效——放电回路阻抗较 高，元器件因接受高电荷而产生高电压 导致电场损伤，多发生于电容器件。 过电流热致失效——放电回路阻抗较 低，元器件因放电期间产生强电流脉冲 导致高温损伤，多发生于双极器件。
失效机理
4.
金属腐蚀失效
当金属与周围介质接触时， 由于发生化学反应或电化学 作用而引起金属腐蚀。 电子元器件中，外引线及封 装壳内的金属因腐蚀而引起 电性能恶化直至失效。 腐蚀产物形貌观察和成分测 定对失效分析很有帮助。
失效机理
5.
银离子迁移
银离子迁移是一种电化学现象，在具备水份和电场的 条件时发生。
失效机理
6.
金铝化合物失效
金和铝键合，在长期储存和使用后，金铝之间生成AuAl2，AuAl， Au2Al，Au5Al2，Au4Al等金属间化合物（IMC） 这些IMC的物理性质不同，电导率较低。 AuAl2呈紫色，俗称紫斑； Au5Al2，Au4Al呈浅金黄色，俗称黄斑；Au2Al呈白色俗称白斑。 键合点生成金铝化合物后，键合强度降低、变脆开裂、接触电阻增大， 器件出现性能退化或引线从键合界面处脱落导致开路。
电子产品失效分析
内容
失效分析概论 主要失效模式及机理 失效分析基本程序 失效分析技术与设备 失效案例分析
失效分析概论
失效分析概论
1. 基本概念
失效——产品丧失功能或降低到不能满足规定的要求。 失效模式——电子产品失效现象的表现形式。如开路、短 路、参数漂移、不稳定等。 失效机理——导致失效的物理化学变化过程，和对这一过 程的解释。 应力——驱动产品完成功能所需的动力和产品经历的环境 条件，是产品退化的诱因。
失效分析概论
2. 失效分析的定义和作用
失效分析是对已失效器件进行的一种事后检查。使用电 测试以及先进的物理、金相和化学的分析技术，验证所 报告的失效，确定试销模式，找出失效机理。 根据失效分析得出的相关结论，确定失效的原因或相关 关系，从而在产生工艺、器件设计、试验或应用方面采 取纠正措施，以消除失效模式或机理产生的原因，或防 止其再次出现。
失效机理
2.
CMOS电路闩锁失效
条件——在使用上（VI；VO）>VDD或（VI；VO） <VSS；或电源端到地发生二次击穿。 危害——一旦导通电源端产生很大电流，破坏性和非破 坏性。 失效特点——点现象，内部失效判别。
。
失效机理
3. ESD失效机理
静电放电给电子元器件带来损伤，引起的产品失效。
失效分析技术与设备
AES
0700333.spe: d,2574 03 Jul 30 10.0 keV 0 FRR Sur1/Full/1 (S15D5) 1.3480e+004 max SAE Magnetic 2.75 min
1.5 1
x 10
4
0700333.spe
Atomic % C1 52.9 Ti1 35.9 O1 11.2
表现形式
外壳损坏
失效机理
绝缘材料退 化
密封漏气
失效案例分析
2.
了解失效样品产品信 息
气密封装 工作电压DC48V 触点电压125V 触点电流5A 触点电阻955Ω
3.
了解现场失效信息
使用场合：空调环境（27°C） 失效现象：壳温高 使用时间：一年多 失效率：12.5%
126 9.2 0
%T rans mittanc e
90
173 1.0 8
85
145 9.5 4
80
75
70
65
Condensed smear from compressed air
2 500 2 000 1 500 1 000 W av e num be rs (c m-1 )
60 4 000 3 500 3 000
失效案例分析
1.
1)
了解继电器相关知识
种类：电磁继电器、固体继电器 结构：电磁系统、触点系统、机械传动系统 电磁继电器的工作原理： 电驱动线圈 产生磁力 机械力 带动触点 完成电连 接 簧片或弹簧力 断开触点 完成电切断
2)
失效案例分析
继电器主要失效模式和失效机理
失效模式 接触失效 接触电阻增大或时断时通、 触点粘结、触点断开故障、 吸合/释放电压漂移。 触点表面电化学腐蚀；触点表 面高温氧化；燃弧——破坏触 点表面，粘连，产生碳膜；触 点表面金属电迁移；内部多余 物残留；内部有机材料退化产 生多余物；触点动作撞击；谐 振；外部强电磁场等。 线圈失效 线圈电阻超差、 线圈开路、 线圈短路。 漆膜材料缺陷； 漆膜电压击穿、 漏电；漆膜温度、 紫外光、辐射退 化；漆包线机械 损伤。 绝缘失效 绝缘电阻变 小、介质耐 压降低。 密封失效
红外线 离子
红外吸收光谱 二次离子
失效分析技术与设备
技术
光学显微镜
扫描电子显微分析 （SEM） X射线能谱分析 （EDS） 俄歇电子能谱 （AES）
探测源
可见光
电子 电子 电子
探测物理量
反射光
二次电子，背 散射电子 特征X射线 俄歇电子 二次离子 电子
用途
表面形貌，尺寸测量，缺陷观察
表面形貌，晶体缺陷，电位分布， 电压衬度像，电压频闪图， 元素分析及元素分布
失效机理
8.
金属化电迁移
在外电场作用下，导电电子和金属离子间 相互碰撞发生动量交换而使金属离子受到 与电子流方向一致的作用力，金属离子由 负极向正极移动，这种作用力称为“电子 风”。 对铝，金等金属膜，电场力很小，金属离 子主要受电子风的影响，使金属离子朝正 极移动，在正极端形成金属离子的堆积， 形成小丘，而在负极端生产空洞，使金属 条断开。
291 8.4 2 285 1.4 1
104 0.7 8
107 1.6 9
111 7.0 7
71 9.1 0
95
失效分析技术与设备
内部无损分析技术
X-Ray透视观察 SAM—扫描声学显微镜 PIND—内部粒子噪声分析 气密性分析
失效分析技术与设备
故障定位技术
电参数检测分析定位（探针检测） 形貌观察定位 液晶敏感定位 红外热成像定位 光辐射显微定位
失效模式及分布
分立元件
集成电路
失效模式及分布
电阻器
电容器
失效模式及分布
继电器
按插元件
失效机理
1.
过应力失效
电过应力——电源输出输入的电源、电压超过规定的最 大额定值。 热过应力——环境温度、壳温、结温超过规定的最大额 定值。 机械过应力——振动、冲击、离心力或其他力学量超过 规定的最大额定值。
失效样品的I-V特性曲线
失效分析技术与设备
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
失效分析技术与设备
应力实验分析 环境应力实验分析 电应力实验分析 机械应力实验分析
失效案例分析
失效案例分析
LEACH继电器失效分析全过程
应了解的信息（相关知识、失效样品信息、失效相关信息） 失效模式确认 制定分析方案（动态） 证据提取、分析推进 综合分析和结论 编写报告
换能器及支架 脉冲收发器 示波器 样品台（水槽） 计算机控制系统 显示器
失效分析技术与设备
成分分析技术 EDS—X射线能量色散谱 AES—俄歇电子能谱 SIMS—二次离子质谱 XPS—X光电子能谱 FTIR—红外光谱 GCMS—气质联用 IC—离子色谱 内腔体气氛检测分析
失 效 模 式 确 认
方 案 设 计
非 破 坏 性 分 析
破 坏 性 分 析
综Biblioteka Baidu合 分 析
报 告 编 写
失效分析基本程序
非破坏性分析的基本路径
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 X光照相 声学扫描 模拟试验
失效分析基本程序
半破坏性分析的基本路径
失效分析技术与设备
失效分析技术与设备
技术
电参数测试分析 扫描声学显微分析 （SAM） X-射线透视仪 X射线光电子能谱 （XPS） 显微红外吸收光谱 （FTIR） 二次离子质谱 （SIMS） 超声波 X射线 特征X射线
探测源
探测物理量
电信号 超声波 X射线强度 光电子
用途
确定失效模式和失效管脚定位 测量超声波传播，分析材料弹性特 征，晶体缺陷和多层结构分析，结 构截面的非破坏性分析 检测电子元器件及多层PCB板的内 部结构 通过测量光电子能量确定壳层能级， 利用化学位移测量化学键和化合物， 元素确定，化学位移 识别分子官能团，有机物结构分析 元素确定，表面元素分布
目检 光学显微镜（立体显微镜、金相显微镜） SEM—扫描电子显微镜 TEM—投射电子显微镜 AFM—原子力显微镜 X-RAY透视 SAM—扫描声学显微镜
失效分析技术与设备
光学显微镜
结构
主架 载物台 照明系统 目镜系统 物镜系统 拍照系统
失效分析技术与设备
表面元素确定和元素深度分布 截面加工和观察 截面形貌观察，晶格结构分析
聚焦离子束（FIB） 离子 透射电子显微技术 （TEM） 电子
失效分析技术与设备
制样技术
FIB
机械加工工具 研磨、抛光 化学腐蚀 有机溶解 反应离子刻蚀 聚焦离子束（FIB）
失效分析技术与设备
形貌观察技术
用途：主要用于固体样品表面的 组成、化学状态分析。能进行定 性、半定量及价态分析。
失效分析技术与设备
FTIR
11 0 FT-526 8-05 . C onta min atio n from mac hin e 10 5
10 0
153 7.4 2 150 7.7 2
139 6 7.5 4 137 6.0
d
0.5 0 -0.5
O
c/s
-1 -1.5
C
-2 -2.5
Ti
-3 -3.5
500
1000 1500 Kinetic Energy (eV)
2000
失效分析技术与设备
TOF-SIMS
F
CF3 O P N P O O N O CF3 P N O
F 3C
CF3 CF3
失效分析技术与设备
XPS
XPS
失效机理
9.
“爆米花效应”（分层效应）
“爆米花效应”是指塑封器件塑封材料内的水份在高温 下受热发生膨胀，使塑封料与金属框架和芯片间发生分 层，拉断键合丝，发生开路失效或间歇失效。
失效分析基本程序
失效分析基本程序
3. 失效分析程序
样 品 基 本 信 息 调 查
失 效 现 场 信 息 调 查
外 观 检 查
失效分析技术与设备
电参数检测分析
目的：确认失效模式和失效管脚定位， 识别部分失效机理。 方法：与同批次好品同时进行功能测 试和管脚直流特性（I-V特性）测试， 对照良好样品、产品规范，解释差异。 结果：可识别参数漂移、参数不合格、 开路、短路与失效现场不一致等失效 模式和机理。
良好样品的I-V特性曲线
主要失效模式及机理
失效模式
失效模式就是失效的外在表现形式。
按持续性分类：致命性失效，间歇失效，缓慢退化 按失效时间分：早期失效，随机失效，磨损失效 按电测结果分：开路，短路或漏电，参数漂移，功能失效 按失效原因分：电应力（EOS）和静电放电（ESD）导致 的失效，制造工艺不良导致的失效
IMC
IMC
失效机理
7.
柯肯德尔效应
金铝键合系统中，若采用Au丝热压焊工艺， 由于高温，金向铝中迅速扩散，在金层一 侧留下部分原子空隙，这些原子空隙自发 聚积，在金属间化合物与金属交界面上形 成了空洞，这称为柯肯德尔效应。 当柯氏效应（空洞）增大到一定程度后， 将使键合界面强度急剧下降，接触电阻增 大，最终导致开路失效。
失效分析技术与设备
TEM
Topography of Carbon Particle Sample (BFI)
失效分析技术与设备
AFM
失效分析技术与设备
X-Ray透视系统
结构
X射线源 屏蔽箱 样品台 X射线接收成 像系统
失效分析技术与设备
SAM
结构
可动微粒收集 内部气氛检测 开封检查 不加电的内部检查（光学，SEM，微区分析） 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） 多余物，污染物成分分析。
失效分析基本程序
破坏性分析的基本路径
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） 进一步的多余物，污染物成分分析。
失效案例分析
4.
确定失效模式
线圈温度异常 线圈电阻异常（严重减小） 漆包线漆膜破裂，铜芯丝裸露 漆包线短路漏电 结论：线圈失效
过电压场致失效——放电回路阻抗较 高，元器件因接受高电荷而产生高电压 导致电场损伤，多发生于电容器件。 过电流热致失效——放电回路阻抗较 低，元器件因放电期间产生强电流脉冲 导致高温损伤，多发生于双极器件。
失效机理
4.
金属腐蚀失效
当金属与周围介质接触时， 由于发生化学反应或电化学 作用而引起金属腐蚀。 电子元器件中，外引线及封 装壳内的金属因腐蚀而引起 电性能恶化直至失效。 腐蚀产物形貌观察和成分测 定对失效分析很有帮助。
失效机理
5.
银离子迁移
银离子迁移是一种电化学现象，在具备水份和电场的 条件时发生。
失效机理
6.
金铝化合物失效
金和铝键合，在长期储存和使用后，金铝之间生成AuAl2，AuAl， Au2Al，Au5Al2，Au4Al等金属间化合物（IMC） 这些IMC的物理性质不同，电导率较低。 AuAl2呈紫色，俗称紫斑； Au5Al2，Au4Al呈浅金黄色，俗称黄斑；Au2Al呈白色俗称白斑。 键合点生成金铝化合物后，键合强度降低、变脆开裂、接触电阻增大， 器件出现性能退化或引线从键合界面处脱落导致开路。
电子产品失效分析
内容
失效分析概论 主要失效模式及机理 失效分析基本程序 失效分析技术与设备 失效案例分析
失效分析概论
失效分析概论
1. 基本概念
失效——产品丧失功能或降低到不能满足规定的要求。 失效模式——电子产品失效现象的表现形式。如开路、短 路、参数漂移、不稳定等。 失效机理——导致失效的物理化学变化过程，和对这一过 程的解释。 应力——驱动产品完成功能所需的动力和产品经历的环境 条件，是产品退化的诱因。
失效分析概论
2. 失效分析的定义和作用
失效分析是对已失效器件进行的一种事后检查。使用电 测试以及先进的物理、金相和化学的分析技术，验证所 报告的失效，确定试销模式，找出失效机理。 根据失效分析得出的相关结论，确定失效的原因或相关 关系，从而在产生工艺、器件设计、试验或应用方面采 取纠正措施，以消除失效模式或机理产生的原因，或防 止其再次出现。
失效机理
2.
CMOS电路闩锁失效
条件——在使用上（VI；VO）>VDD或（VI；VO） <VSS；或电源端到地发生二次击穿。 危害——一旦导通电源端产生很大电流，破坏性和非破 坏性。 失效特点——点现象，内部失效判别。
。
失效机理
3. ESD失效机理
静电放电给电子元器件带来损伤，引起的产品失效。
失效分析技术与设备
AES
0700333.spe: d,2574 03 Jul 30 10.0 keV 0 FRR Sur1/Full/1 (S15D5) 1.3480e+004 max SAE Magnetic 2.75 min
1.5 1
x 10
4
0700333.spe
Atomic % C1 52.9 Ti1 35.9 O1 11.2
表现形式
外壳损坏
失效机理
绝缘材料退 化
密封漏气
失效案例分析
2.
了解失效样品产品信 息
气密封装 工作电压DC48V 触点电压125V 触点电流5A 触点电阻955Ω
3.
了解现场失效信息
使用场合：空调环境（27°C） 失效现象：壳温高 使用时间：一年多 失效率：12.5%
126 9.2 0
%T rans mittanc e
90
173 1.0 8
85
145 9.5 4
80
75
70
65
Condensed smear from compressed air
2 500 2 000 1 500 1 000 W av e num be rs (c m-1 )
60 4 000 3 500 3 000
失效案例分析
1.
1)
了解继电器相关知识
种类：电磁继电器、固体继电器 结构：电磁系统、触点系统、机械传动系统 电磁继电器的工作原理： 电驱动线圈 产生磁力 机械力 带动触点 完成电连 接 簧片或弹簧力 断开触点 完成电切断
2)
失效案例分析
继电器主要失效模式和失效机理
失效模式 接触失效 接触电阻增大或时断时通、 触点粘结、触点断开故障、 吸合/释放电压漂移。 触点表面电化学腐蚀；触点表 面高温氧化；燃弧——破坏触 点表面，粘连，产生碳膜；触 点表面金属电迁移；内部多余 物残留；内部有机材料退化产 生多余物；触点动作撞击；谐 振；外部强电磁场等。 线圈失效 线圈电阻超差、 线圈开路、 线圈短路。 漆膜材料缺陷； 漆膜电压击穿、 漏电；漆膜温度、 紫外光、辐射退 化；漆包线机械 损伤。 绝缘失效 绝缘电阻变 小、介质耐 压降低。 密封失效
红外线 离子
红外吸收光谱 二次离子
失效分析技术与设备
技术
光学显微镜
扫描电子显微分析 （SEM） X射线能谱分析 （EDS） 俄歇电子能谱 （AES）
探测源
可见光
电子 电子 电子
探测物理量
反射光
二次电子，背 散射电子 特征X射线 俄歇电子 二次离子 电子
用途
表面形貌，尺寸测量，缺陷观察
表面形貌，晶体缺陷，电位分布， 电压衬度像，电压频闪图， 元素分析及元素分布
失效机理
8.
金属化电迁移
在外电场作用下，导电电子和金属离子间 相互碰撞发生动量交换而使金属离子受到 与电子流方向一致的作用力，金属离子由 负极向正极移动，这种作用力称为“电子 风”。 对铝，金等金属膜，电场力很小，金属离 子主要受电子风的影响，使金属离子朝正 极移动，在正极端形成金属离子的堆积， 形成小丘，而在负极端生产空洞，使金属 条断开。
291 8.4 2 285 1.4 1
104 0.7 8
107 1.6 9
111 7.0 7
71 9.1 0
95
失效分析技术与设备
内部无损分析技术
X-Ray透视观察 SAM—扫描声学显微镜 PIND—内部粒子噪声分析 气密性分析
失效分析技术与设备
故障定位技术
电参数检测分析定位（探针检测） 形貌观察定位 液晶敏感定位 红外热成像定位 光辐射显微定位
失效模式及分布
分立元件
集成电路
失效模式及分布
电阻器
电容器
失效模式及分布
继电器
按插元件
失效机理
1.
过应力失效
电过应力——电源输出输入的电源、电压超过规定的最 大额定值。 热过应力——环境温度、壳温、结温超过规定的最大额 定值。 机械过应力——振动、冲击、离心力或其他力学量超过 规定的最大额定值。
失效样品的I-V特性曲线
失效分析技术与设备
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
失效分析技术与设备
应力实验分析 环境应力实验分析 电应力实验分析 机械应力实验分析
失效案例分析
失效案例分析
LEACH继电器失效分析全过程
应了解的信息（相关知识、失效样品信息、失效相关信息） 失效模式确认 制定分析方案（动态） 证据提取、分析推进 综合分析和结论 编写报告
换能器及支架 脉冲收发器 示波器 样品台（水槽） 计算机控制系统 显示器
失效分析技术与设备
成分分析技术 EDS—X射线能量色散谱 AES—俄歇电子能谱 SIMS—二次离子质谱 XPS—X光电子能谱 FTIR—红外光谱 GCMS—气质联用 IC—离子色谱 内腔体气氛检测分析
失 效 模 式 确 认
方 案 设 计
非 破 坏 性 分 析
破 坏 性 分 析
综Biblioteka Baidu合 分 析
报 告 编 写
失效分析基本程序
非破坏性分析的基本路径
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 X光照相 声学扫描 模拟试验
失效分析基本程序
半破坏性分析的基本路径
失效分析技术与设备
失效分析技术与设备
技术
电参数测试分析 扫描声学显微分析 （SAM） X-射线透视仪 X射线光电子能谱 （XPS） 显微红外吸收光谱 （FTIR） 二次离子质谱 （SIMS） 超声波 X射线 特征X射线
探测源
探测物理量
电信号 超声波 X射线强度 光电子
用途
确定失效模式和失效管脚定位 测量超声波传播，分析材料弹性特 征，晶体缺陷和多层结构分析，结 构截面的非破坏性分析 检测电子元器件及多层PCB板的内 部结构 通过测量光电子能量确定壳层能级， 利用化学位移测量化学键和化合物， 元素确定，化学位移 识别分子官能团，有机物结构分析 元素确定，表面元素分布
目检 光学显微镜（立体显微镜、金相显微镜） SEM—扫描电子显微镜 TEM—投射电子显微镜 AFM—原子力显微镜 X-RAY透视 SAM—扫描声学显微镜
失效分析技术与设备
光学显微镜
结构
主架 载物台 照明系统 目镜系统 物镜系统 拍照系统
失效分析技术与设备
表面元素确定和元素深度分布 截面加工和观察 截面形貌观察，晶格结构分析
聚焦离子束（FIB） 离子 透射电子显微技术 （TEM） 电子
失效分析技术与设备
制样技术
FIB
机械加工工具 研磨、抛光 化学腐蚀 有机溶解 反应离子刻蚀 聚焦离子束（FIB）
失效分析技术与设备
形貌观察技术
用途：主要用于固体样品表面的 组成、化学状态分析。能进行定 性、半定量及价态分析。
失效分析技术与设备
FTIR
11 0 FT-526 8-05 . C onta min atio n from mac hin e 10 5
10 0
153 7.4 2 150 7.7 2
139 6 7.5 4 137 6.0
d
0.5 0 -0.5
O
c/s
-1 -1.5
C
-2 -2.5
Ti
-3 -3.5
500
1000 1500 Kinetic Energy (eV)
2000
失效分析技术与设备
TOF-SIMS
F
CF3 O P N P O O N O CF3 P N O
F 3C
CF3 CF3
失效分析技术与设备
XPS
XPS
失效机理
9.
“爆米花效应”（分层效应）
“爆米花效应”是指塑封器件塑封材料内的水份在高温 下受热发生膨胀，使塑封料与金属框架和芯片间发生分 层，拉断键合丝，发生开路失效或间歇失效。
失效分析基本程序
失效分析基本程序
3. 失效分析程序
样 品 基 本 信 息 调 查
失 效 现 场 信 息 调 查
外 观 检 查
失效分析技术与设备
电参数检测分析
目的：确认失效模式和失效管脚定位， 识别部分失效机理。 方法：与同批次好品同时进行功能测 试和管脚直流特性（I-V特性）测试， 对照良好样品、产品规范，解释差异。 结果：可识别参数漂移、参数不合格、 开路、短路与失效现场不一致等失效 模式和机理。
良好样品的I-V特性曲线
主要失效模式及机理
失效模式
失效模式就是失效的外在表现形式。
按持续性分类：致命性失效，间歇失效，缓慢退化 按失效时间分：早期失效，随机失效，磨损失效 按电测结果分：开路，短路或漏电，参数漂移，功能失效 按失效原因分：电应力（EOS）和静电放电（ESD）导致 的失效，制造工艺不良导致的失效
IMC
IMC
失效机理
7.
柯肯德尔效应
金铝键合系统中，若采用Au丝热压焊工艺， 由于高温，金向铝中迅速扩散，在金层一 侧留下部分原子空隙，这些原子空隙自发 聚积，在金属间化合物与金属交界面上形 成了空洞，这称为柯肯德尔效应。 当柯氏效应（空洞）增大到一定程度后， 将使键合界面强度急剧下降，接触电阻增 大，最终导致开路失效。