电子产品失效分析技术概述.pptx
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电子元器件失效分析技术
电子元器件失效分析技术
信息产业部电子五所 可靠性分析中心
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、SiAl互熔
M温度敏感参数, E激活能, k 玻耳兹曼常量, T绝对温度, t时间, A常数 T大, 反应速率dM/dt 大，寿命短 E大，反应速率dM/dt 小，寿命长
温度应力的时间累积效应
M t M 0 Ae
E kT
(t t0 )
失效原因：温度应力的时间累积效 应，特性变化超差
与力学公式类比
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
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
信息产业部电子五所 可靠性分析中心
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、SiAl互熔
M温度敏感参数, E激活能, k 玻耳兹曼常量, T绝对温度, t时间, A常数 T大, 反应速率dM/dt 大，寿命短 E大，反应速率dM/dt 小，寿命长
温度应力的时间累积效应
M t M 0 Ae
E kT
(t t0 )
失效原因：温度应力的时间累积效 应，特性变化超差
与力学公式类比
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
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
电子元器件失效分析技术
电子元器件失效分析技术Failure Analysis 编著：张红波一、电子元器件失效分析技术1.1、失效分析的基本概念1.2、失效分析的重要意义1.3、失效分析的一般程序1.4、收集失效现场数据1.5、以失效分析为目的的电测技术1.6、无损失效分析技术1.7、样品制备技术1.8、显微形貌像技术1.9、以测量电压效应为基础的失效定位技术 1.10、以测量电流效应为基础的失效定位技术 1.11、电子元器件化学成份分析技术1.1 失效分析的基本概念目的：确定失效模式和失效机理，提出纠正措施，防止这种失效模式和失效机理重复出现。
失效模式：指观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能失效等。
失效机理：指失效的物理化学过程，如疲劳、腐蚀和过应力等。
引起开路失效的主要原因：过电损伤、静电击穿（SEM、图示仪）、金属电迁移、金属的化学腐蚀、压焊点脱落、闩锁效应。
其中淀积Al时提高硅片的温度可以提高Al原子的晶块体积，可以改善电迁移。
典型的闩锁效应电源对地的I－V曲线IV引起漏电和短路失效的主要原因：颗粒引发短路、介质击穿、PN结微等离子击穿、Si－Al互溶Al穿钉VI V I 正常PN 结反向曲线微等离子击穿PN 结反向曲线引起参数漂移的主要原因：封装内水汽凝结、介质的离子粘污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤例：Pad点处无钝化层，有水汽的话，会导致短路，水汽蒸发后又恢复绝缘性，表现为工作时参数不稳定。
失效物理模型：1、应力－强度模型（适于瞬间失效）失效原因：应力>强度例如：过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（Latch up）等。
2、应力－时间模型（适于缓慢退化）失效原因：应力的时间积累效应，特性变化超差。
例如：金属电迁移、腐蚀、热疲劳等。
3、温度应力－时间模型反应速度符合下面的规律kT E Ae dtdM −=（M 是温度敏感参数，E 是与失效机理有关的激活能）（﹡十度法则：从室温开始，每提高10度，寿命减半）)(00t t Ae M M kT E t −=−−积分产品平均寿命的估算C dt dM L =×kTE B L Ae L kTE+==ln 11T B lnL21T1.2失效分析的重要意义电子元器件研制阶段纠正设计和研制中的错误，缩短研制周期 电子元器件生产阶段、测试和使用阶段查找失效原因，判定失效的责任方根据分析结果，生产厂可以改进元器件的设计和工艺，用户可以改进电路板的设计、改进器件和整机的测试和使用的环境参数或者改变供货商。
电子元器件 失效分析培训 PPT
航天材料及工艺研究所
四、元器件失效分析方法和程序
元器件失效分析程序 5、启封 、
目的： 目的：暴露失效元器件内部薄弱环节 内容： 内容：采用合理的方法和程序逐步分解失效元器件 技术手段：机械方法（针对金属、陶瓷、玻璃封装） 技术手段：机械方法（针对金属、陶瓷、玻璃封装） 化学方法（针对塑料封装） 化学方法（针对塑料封装） 注意事项：确认外观检查和无损检测已经充分系统， 注意事项：确认外观检查和无损检测已经充分系统，无遗漏 小心仔细， 小心仔细，切忌引入人为损伤或多余物 避免多余物遗失或位置变化 重要的或随机失效的元器件， 重要的或随机失效的元器件，解剖前应获得同意
航天材料及工艺研究所
四、元器件失效分析方法和程序
元器件失效分析程序 7、微探针测试（适用于集成电路） 、微探针测试（适用于集成电路）
目的： 目的：确定失效部位 内容：根据标准、技术条件或原理， 内容：根据标准、技术条件或原理，发现内部单元 或局部电特性的异常现象 技术手段：微探针、测微探针台、电测仪器等 技术手段：微探针、测微探针台、电测仪器等 重点： 重点：比对寻找差异 注意事项： 注意事项：与良品比对 经重复测试确认，同时， 经重复测试确认，同时，关注瞬态现象 剔除假象
航天材料及工艺研究所
三、术语和定义
1、失效性质 —— 引起失效的宏观原因 、
一般分为：误用失效、本质失效、从属失效、 一般分为：误用失效、本质失效、从属失效、重测合格 本质失效包括：批次性问题和个别（非批次） 本质失效包括：批次性问题和个别（非批次）问题两类
确定失效性质是为决策者判定失效的严重程度和 可能造成的后果而提供依据
航天材料及工艺研究所
四、元器件失效分析方法和程序
（一）失效分析方法和元器件失效分析方法标准
四、元器件失效分析方法和程序
元器件失效分析程序 5、启封 、
目的： 目的：暴露失效元器件内部薄弱环节 内容： 内容：采用合理的方法和程序逐步分解失效元器件 技术手段：机械方法（针对金属、陶瓷、玻璃封装） 技术手段：机械方法（针对金属、陶瓷、玻璃封装） 化学方法（针对塑料封装） 化学方法（针对塑料封装） 注意事项：确认外观检查和无损检测已经充分系统， 注意事项：确认外观检查和无损检测已经充分系统，无遗漏 小心仔细， 小心仔细，切忌引入人为损伤或多余物 避免多余物遗失或位置变化 重要的或随机失效的元器件， 重要的或随机失效的元器件，解剖前应获得同意
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四、元器件失效分析方法和程序
元器件失效分析程序 7、微探针测试（适用于集成电路） 、微探针测试（适用于集成电路）
目的： 目的：确定失效部位 内容：根据标准、技术条件或原理， 内容：根据标准、技术条件或原理，发现内部单元 或局部电特性的异常现象 技术手段：微探针、测微探针台、电测仪器等 技术手段：微探针、测微探针台、电测仪器等 重点： 重点：比对寻找差异 注意事项： 注意事项：与良品比对 经重复测试确认，同时， 经重复测试确认，同时，关注瞬态现象 剔除假象
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三、术语和定义
1、失效性质 —— 引起失效的宏观原因 、
一般分为：误用失效、本质失效、从属失效、 一般分为：误用失效、本质失效、从属失效、重测合格 本质失效包括：批次性问题和个别（非批次） 本质失效包括：批次性问题和个别（非批次）问题两类
确定失效性质是为决策者判定失效的严重程度和 可能造成的后果而提供依据
航天材料及工艺研究所
四、元器件失效分析方法和程序
（一）失效分析方法和元器件失效分析方法标准
电子电器产品失效分析技术
25
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。
26
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
2、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
7
温度应力-时间模型
dM
E
Ae kT
dt
T高，反应速率大，寿命短； E大，反应速率小，寿命长。
8
温度应力的时间累积效应
E
M t M 0AekT(tt0)
失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差。
15
目录
失效物理的概念
微电子器件失效机理
失效分析技术
16
失效模式的概念
失效的表现形式叫失效模式。
按电测结果分类：
A、开路、 B、短路或漏电、 C、参数漂移、 D、功能失效
17
失效机理的概念
■ 失效的物理化学根源叫失效机理。 ■ 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
电子电器产品失效分析技术
1
（二）、失效物理的概念
■ 定 义：研究电子元器件失效机理的学科 ■ 失效机理：失效的物理化学根源 ■ 举 例：金属电迁移
4
金属电迁移
▼ 失效模式：金属互连线电阻值增大或开路； ▼ 失效机理：电子风效应； ▼ 产生条件：电流密度大于10E5A/cm2； ▼ 纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，减少
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。
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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
2、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
7
温度应力-时间模型
dM
E
Ae kT
dt
T高，反应速率大，寿命短； E大，反应速率小，寿命长。
8
温度应力的时间累积效应
E
M t M 0AekT(tt0)
失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差。
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目录
失效物理的概念
微电子器件失效机理
失效分析技术
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失效模式的概念
失效的表现形式叫失效模式。
按电测结果分类：
A、开路、 B、短路或漏电、 C、参数漂移、 D、功能失效
17
失效机理的概念
■ 失效的物理化学根源叫失效机理。 ■ 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
电子电器产品失效分析技术
1
（二）、失效物理的概念
■ 定 义：研究电子元器件失效机理的学科 ■ 失效机理：失效的物理化学根源 ■ 举 例：金属电迁移
4
金属电迁移
▼ 失效模式：金属互连线电阻值增大或开路； ▼ 失效机理：电子风效应； ▼ 产生条件：电流密度大于10E5A/cm2； ▼ 纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，减少
电子产品失效分析技术演示幻灯片
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。
13
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。
18
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。
19
失效分析基本程序
20
失效分析基本程序
3. 失效分析程序
样 失 外 失 方 非 破综 报
品 效 观 效 案 破 坏合 告
这Au些5AIlM2，CA的u物4Al理呈性浅质金不黄同色，，电俗导称率黄较斑低；。AuA2AulA呈l2白呈色紫俗色称，白俗斑称。紫斑；
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。
IMC
IMC
16
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。
5
主要失效模式及机理
6
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
13
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。
18
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。
19
失效分析基本程序
20
失效分析基本程序
3. 失效分析程序
样 失 外 失 方 非 破综 报
品 效 观 效 案 破 坏合 告
这Au些5AIlM2，CA的u物4Al理呈性浅质金不黄同色，，电俗导称率黄较斑低；。AuA2AulA呈l2白呈色紫俗色称，白俗斑称。紫斑；
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。
IMC
IMC
16
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。
5
主要失效模式及机理
6
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
电子电器产品失效分析技术
•
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
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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。
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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
27
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 破坏性物理分析（DPA）：失效前的物理分析
9
失效物理模型小结
◆
应力－强度模型与断裂力学模型相似，不考虑激活能和时间效应，适 用于偶然失效和致命性失效，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）与牛顿力学模型相似，考虑激活 时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显。
10
应力-时间模型的应用：预计元器件平均寿命
L2 E 1 1 exp( ( )) L1 k T2 T1
设定高温为T1，低温为T2，可求出F。
12
• • • • •
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
电子产品失效分析第一讲
2011年7月23日动车追尾失效分析；1；信号系统设计缺陷。
1.1；缺少人工不可干预智能自动报警。
1.2；缺少连网沉余表决自动报警。
1.3；……..…..2; ……………………可靠性工程新发展•2003年美国Lucent（朗讯）公司因通讯设备的高可靠要求，颁布了X21368企标:“光电子元器件、组件与子系统可靠性评价”，要求供应商：“应给出产品和其内部主要元器件、材料各自的5种主要失效机理，要求在产品的设计初期（设计评审）就开展此项工作。
评估每一种失效机理的风险、失效模式和采取的纠正措施。
”•这是失效物理方法进入企业标准的典型标志。
有的人这样理解失效分析•医药学的历史与人类的病痛一样长。
大量医药科学的进步都是建立在外科医生进行的尸体解剖上。
•（仁慈的东方人除外）•在我们的专业领域，这一做法通常称为“失效分析”。
•每个失效部件都应被视为进行可靠性改进的机会•每个正常部件都应被视为失效部件的比对参照，进行可靠性改进的机会本课程的目的•失效分析技术的用途与价值•了解技术发展状况•学习基础知识和技能，了解相关标准本课程的对象•失效分析技术人员•生产和质量管理人员•设计师、工艺师、质量师和可靠性师•试验技术人员•技术服务人员总目录•第一讲失效分析概论•第二讲失效分析技术及设备•第三讲失效分析典型案例第一讲失效分析概论•基本概念•失效分析的定义和作用•失效模式•失效机理•相关标准对失效分析的要求•标准和资料1，基本概念•失效--丧失功能或降低到不能满足规定的要求。
•失效模式--失效现象的表现形式，与产生原因无关。
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。
如电迁移开路、银电化学迁移短路。
工程上，也会把失效原因说成是失效机理。
•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。
•缺陷2，失效分析的定义和作用•失效分析是对已失效产品或器件进行的一种事后检查。
电容失效分析PPT课件
第3页/共81页
失效物理的定义
• 定义：研究电子元器件失效机理的学科 • 失效机理：失效的物理化学根源 • 举例：金属电迁移
第4页/共81页
金属电迁移
• 失效模式：金属互连线电阻值增大或开路 • 失效机理：电子风效应 • 产生条件：电流密度大于10E5A/cm2
高温 • 纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，
第41页/共81页
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
第42页/共81页
第48页/共81页
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
第49页/共81页
失效发生期与失效率
失效率＝ 试验时间内失效的元件 数 试验初始的元件数试验时间
失 效
早期
率
磨损
随机
第50页/共81页
时间
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
第51页/共81页
电子元器件失效分析的简单实用测试技术（一）
2.50E-02
2.00E-02
1.50E-02
失效物理的定义
• 定义：研究电子元器件失效机理的学科 • 失效机理：失效的物理化学根源 • 举例：金属电迁移
第4页/共81页
金属电迁移
• 失效模式：金属互连线电阻值增大或开路 • 失效机理：电子风效应 • 产生条件：电流密度大于10E5A/cm2
高温 • 纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，
第41页/共81页
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
第42页/共81页
第48页/共81页
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
第49页/共81页
失效发生期与失效率
失效率＝ 试验时间内失效的元件 数 试验初始的元件数试验时间
失 效
早期
率
磨损
随机
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时间
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
第51页/共81页
电子元器件失效分析的简单实用测试技术（一）
2.50E-02
2.00E-02
1.50E-02
电子产品失效分析技术
第 19 页
失效分析基本程序
第 20 页
失效分析基本程序 3. 失效分析程序
样 失 外 失 方 非 破综 报
品 效 观 效 案 破 坏合 告
基 现 检 模 设 坏 性分 编
本 场 查 式 计 性 分析 写
信信
确
分析
息息
认
析
调调
查查
第 21 页
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
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
第 42 页
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。
聚焦离子束（FIB）
第 28 页
失效分析技术与设备
形貌观察技术
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
第 29 页
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
137 6.10369 7.5 4 126 9.2 0
111 7.0 7 107 1.6 9
104 0.7 8
71 9.1 0
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失效分析技术与设备
内部无损分析技术
失效分析基本程序
第 20 页
失效分析基本程序 3. 失效分析程序
样 失 外 失 方 非 破综 报
品 效 观 效 案 破 坏合 告
基 现 检 模 设 坏 性分 编
本 场 查 式 计 性 分析 写
信信
确
分析
息息
认
析
调调
查查
第 21 页
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
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
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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。
聚焦离子束（FIB）
第 28 页
失效分析技术与设备
形貌观察技术
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
第 29 页
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
137 6.10369 7.5 4 126 9.2 0
111 7.0 7 107 1.6 9
104 0.7 8
71 9.1 0
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失效分析技术与设备
内部无损分析技术
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电子
聚焦离子束（FIB） 离子
透射电子显微技术 电子 （TEM）
探测物理量 用途
反射光
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。
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。
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。
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。
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。
样品基本信息调查
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
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）
电子产品失效分析技术
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
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。
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
报告编写 综合分析 破坏性分析 非破坏性分析 方案设计 失效模式确认 外观检查 失效现场信息调查
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
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。
失效机理
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
二次离子
元素确定，表面元素分布
失效分析技术与设备
技术
探测源
光学显微镜
可见光
扫描电子显微分析 （SEM）
X射线能谱分析 （EDS）
电子 电子
俄歇电子能谱 （AES）
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）
探测源
超声波 X射线 特征X射线 红外线 离子
探测物理量 用途
电信号
确定失效模式和失效管脚定位
超声波 X射线强度 光电子 红外吸收光谱
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
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
பைடு நூலகம்
金Au和5A铝l2，键A合u4，Al等在金长属期间储化存合和物使（用I后MC，）金铝之间生成AuAl2，AuAl，Au2Al，
这Au些5AIlM2，CA的u物4Al理呈性浅质金不黄同色，，电俗导称率黄较斑低；。AuA2AulA呈l2白呈色紫俗色称，白俗斑称。紫斑；