电子产品失效分析技术[可修改版ppt]
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半导体器件可靠性与失效分析微电子ppt
包括热设计、防静电设计、防辐射设 计、布线设计等。
02
失效分析
失效定义与分类
失效定义
器件无法完成其预定功能或性能恶化到无法接受的程度。
失效分类
功能失效和结构失效，按性质可分为软失效和硬失效，按物理效应可分为可恢复失效和不可恢复失效 。
失效分析方法
外观检查
电气测试
X射线检测
切片分析
化学成分分析
通过肉眼观察器件外观 是否存在明显的缺陷或 损伤，如裂纹、变形、 烧伤等。
05
案例分析与讨论
典型失效案例分析
案例1
一个高可靠性MEMS压力传感器的失效分析 。
案例2
一个微电子电路中的热失效问题。
案例3
一个存储器芯片的突发性失效。
失效预防与可靠性提升措施
预防措施1
采用高可靠性设计和制造技术。
预防措施2
优化芯片封装和测试流程。
预防措施3
重视生产过程中的质量控制。
提升措施1
控制晶圆的几何形状、表 面平整度和化学组成，确 保晶圆具有一致性和可靠 性。
薄膜沉积环节
通过优化工艺参数和选用 合适的薄膜材料，提高薄 膜的质量和可靠性。
光刻环节
精确控制光刻胶的厚度、 光刻掩膜版的质量以及曝 光能量等参数，确保器件 的尺寸精度和可靠性。
刻蚀环节
通过选用合适的刻蚀气体 、功率等参数，确保刻蚀 的效果和可靠性。
通过测试器件的电压、 电流、电阻等电气参数 ，判断器件是否存在电 气故障。
利用X射线对器件内部进 行无损检测，发现微小 缺陷和内部结构问题。
通过将器件切割成薄片 进行观察和分析，了解 器件内部结构和材料的 组成及分布情况。
采用光谱分析、质谱分 析、能谱分析等方法， 检测器件中各元素的种 类、含量及分布情况。
02
失效分析
失效定义与分类
失效定义
器件无法完成其预定功能或性能恶化到无法接受的程度。
失效分类
功能失效和结构失效，按性质可分为软失效和硬失效，按物理效应可分为可恢复失效和不可恢复失效 。
失效分析方法
外观检查
电气测试
X射线检测
切片分析
化学成分分析
通过肉眼观察器件外观 是否存在明显的缺陷或 损伤，如裂纹、变形、 烧伤等。
05
案例分析与讨论
典型失效案例分析
案例1
一个高可靠性MEMS压力传感器的失效分析 。
案例2
一个微电子电路中的热失效问题。
案例3
一个存储器芯片的突发性失效。
失效预防与可靠性提升措施
预防措施1
采用高可靠性设计和制造技术。
预防措施2
优化芯片封装和测试流程。
预防措施3
重视生产过程中的质量控制。
提升措施1
控制晶圆的几何形状、表 面平整度和化学组成，确 保晶圆具有一致性和可靠 性。
薄膜沉积环节
通过优化工艺参数和选用 合适的薄膜材料，提高薄 膜的质量和可靠性。
光刻环节
精确控制光刻胶的厚度、 光刻掩膜版的质量以及曝 光能量等参数，确保器件 的尺寸精度和可靠性。
刻蚀环节
通过选用合适的刻蚀气体 、功率等参数，确保刻蚀 的效果和可靠性。
通过测试器件的电压、 电流、电阻等电气参数 ，判断器件是否存在电 气故障。
利用X射线对器件内部进 行无损检测，发现微小 缺陷和内部结构问题。
通过将器件切割成薄片 进行观察和分析，了解 器件内部结构和材料的 组成及分布情况。
采用光谱分析、质谱分 析、能谱分析等方法， 检测器件中各元素的种 类、含量及分布情况。
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
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
失效分析步骤与方法 PPT
1、摄影与光学显微术 • 本厂有0-400倍得光学显微镜与影象摄取装
置,基本上可以含盖整个分析过程需要得光 学检查
– 每个元件都需要记录一般状态得全景照片与特 殊细节得一系列照片
– 不涉及分析结果或最终结论得照片可以在报告 中不列入
拥有但不需要总比需要但没有要好
四、失效分析技术
• 光学显微镜作用
– 用来观察器件得外观及失效部位得表现形状、 分布、尺寸、组织、结构、缺陷、应力等,如观 察器件在过电应力下得各种烧毁与击穿现象,芯 片得裂缝、沾污、划伤、焊锡覆盖状况等。
例:分别用红外热像仪与液晶方法获得得失效点照片
四、失效分析技术
红外热像仪
液晶
四、失效分析技术
• 7、电子扫描(SEM)及能谱分析(EDX)
– 原理:利用阴极所发射得电子束经阳极加速,由磁 透镜聚焦后形成一束直径为几百纳米得电子束 流打到样品上激发多种信息(如二次电子,背散 射电子,俄歇电子,Ｘ射线),经收集处理,形成相应 得图象,通常使用二次电子来形成图象观察,同时 通过特征Ｘ射线可以进行化学成分得分析。
四、失效分析技术
• 高级得DE-CAP设备原理图(一般用于集成电路)
四、失效分析技术
• 6、定位技术(HOT SPOT)
– 红外热像仪,液晶探测
• 原理:将失效得芯片通电,在失效点附近会有大得漏电 通过,这部分得温度会升高,利用红外热像仪或芯片表 面涂液晶用偏振镜观察(可以找到失效点,从而可以进 一步针对失效点作分析
• 严重时失效特征很明显,芯片有明显得surge mark,甚 至会使芯片开裂,塑封体炭化等
五、器件失效机理得分析
器件失效机理得内容
– 失效模式与材料、设计、工艺得关系 – 失效模式与环境应力得关系
置,基本上可以含盖整个分析过程需要得光 学检查
– 每个元件都需要记录一般状态得全景照片与特 殊细节得一系列照片
– 不涉及分析结果或最终结论得照片可以在报告 中不列入
拥有但不需要总比需要但没有要好
四、失效分析技术
• 光学显微镜作用
– 用来观察器件得外观及失效部位得表现形状、 分布、尺寸、组织、结构、缺陷、应力等,如观 察器件在过电应力下得各种烧毁与击穿现象,芯 片得裂缝、沾污、划伤、焊锡覆盖状况等。
例:分别用红外热像仪与液晶方法获得得失效点照片
四、失效分析技术
红外热像仪
液晶
四、失效分析技术
• 7、电子扫描(SEM)及能谱分析(EDX)
– 原理:利用阴极所发射得电子束经阳极加速,由磁 透镜聚焦后形成一束直径为几百纳米得电子束 流打到样品上激发多种信息(如二次电子,背散 射电子,俄歇电子,Ｘ射线),经收集处理,形成相应 得图象,通常使用二次电子来形成图象观察,同时 通过特征Ｘ射线可以进行化学成分得分析。
四、失效分析技术
• 高级得DE-CAP设备原理图(一般用于集成电路)
四、失效分析技术
• 6、定位技术(HOT SPOT)
– 红外热像仪,液晶探测
• 原理:将失效得芯片通电,在失效点附近会有大得漏电 通过,这部分得温度会升高,利用红外热像仪或芯片表 面涂液晶用偏振镜观察(可以找到失效点,从而可以进 一步针对失效点作分析
• 严重时失效特征很明显,芯片有明显得surge mark,甚 至会使芯片开裂,塑封体炭化等
五、器件失效机理得分析
器件失效机理得内容
– 失效模式与材料、设计、工艺得关系 – 失效模式与环境应力得关系
电子产品故障模式、影响及危害性分析(FMECA)ppt课件
5
故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法
故障模式及影响分析(FMEA)
故
障
故
设
使
故
故
影
障
计
用
危
系
障
障
响
检
改
补
害
统
模
原
及
测
进
偿
性
FMECA
定
式
因
严
方
措
措
分
报告
义
分
分
酷
法
施
施
析
析
析
度
分
分
分
(CA)
分
析
析
析
析
6
故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法
硬件FMECA与功能FMECA各有其优缺点： 硬件FMECA从元器件开始，逐层向上直达系统级，这种方法置信度高，但工 作量大。 功能FMECA不从下一个层次的单元开始分析，而是直接从被分析对象的可能 产生的失效模式开始，其置信度取决于设计师的分析能力、工程经验和分析 力度，这是此种分析方法的难点。其次是如何确定各种失效模式的频数比， 但与硬件FMECA相比，此种方法的工作量大大降低。 FMECA方法的选择，取决于必要性、可能性和代价的综合权衡。 对于初次接触这项工作的硬件开发工程师，最好在产品硬件原理图的基础上 采用硬件FMECA进行分析。
7
故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法
硬件FMECA可以采用两种方法，应力分析法和元器件计数法。 应力分析法
磁介质电容器 P 1 短路(73%) 开路(16%)
参数漂移(11%)
金属膜电阻器 P 2
故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法
故障模式及影响分析(FMEA)
故
障
故
设
使
故
故
影
障
计
用
危
系
障
障
响
检
改
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统
模
原
及
测
进
偿
性
FMECA
定
式
因
严
方
措
措
分
报告
义
分
分
酷
法
施
施
析
析
析
度
分
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(CA)
分
析
析
析
析
6
故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法
硬件FMECA与功能FMECA各有其优缺点： 硬件FMECA从元器件开始，逐层向上直达系统级，这种方法置信度高，但工 作量大。 功能FMECA不从下一个层次的单元开始分析，而是直接从被分析对象的可能 产生的失效模式开始，其置信度取决于设计师的分析能力、工程经验和分析 力度，这是此种分析方法的难点。其次是如何确定各种失效模式的频数比， 但与硬件FMECA相比，此种方法的工作量大大降低。 FMECA方法的选择，取决于必要性、可能性和代价的综合权衡。 对于初次接触这项工作的硬件开发工程师，最好在产品硬件原理图的基础上 采用硬件FMECA进行分析。
7
故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法
硬件FMECA可以采用两种方法，应力分析法和元器件计数法。 应力分析法
磁介质电容器 P 1 短路(73%) 开路(16%)
参数漂移(11%)
金属膜电阻器 P 2
LED一般失效不良分析方法ppt课件
三、各环节注意防静电保护，确认设备、工作台的接地是否良好，作业员尽量佩 带防静电手腕。
四、灯珠组装后，建议先正常点亮一小时以上，待状态稳定时确认灯体温度，防 止散热未做到位而使得灯珠光衰。我司规格书的建议温度为低于85度。
五、烙铁焊接时注意温度控制在350度以内，每次焊接接触时间尽量低于五秒， 以避免PPA或胶体因高温而熔融，并可能会产生热应力导致灯珠不良。
六、灯珠存放及使用环境因避免硫元素或卤素类元素，以防污染变色。
谢谢大家！
若有金线熔断的现象则多为有过高的脉冲电流冲击99高温型ppa变色龟裂焊盘发黑胶体与ppa结合处有分层现象长期高温点亮导致胶体分层玻璃化这种变化产生的应力拉断金线
常规失效分析方法 及灯珠使用注意事项
目录
一、一般失效分类 二、常规失效分析步骤 三、案例讲解 四、灯珠使用注意事项说明
一般失效分类
LED灯珠应用端失效主要为如下两大类： 1.死灯 指通电后灯珠局部或整体的芯片未发光。客诉死灯的反馈有分如下情况
一、过流型 失效通常源于电源开关时的脉冲电流(需示波器确认)
案例讲解
二、高温型 失效通常源于灯体散热不好(异物/螺丝孔批锋的顶起、散热胶过多或过少、螺丝 不紧、散热器散热效果不佳等)
二、高温型 塑胶体龟裂
案例讲解
胶体与塑胶体接合面开裂
案例讲解
三、作业型 我司内部作业不良流出，该案例为线踏导致芯片短路
四、外伤型
案例讲解
案例讲解
五、作业型与外伤型的区别(以垂直向下的施力为例)
灯珠使用注意事项说明
一、拿取、摆放、操作需注意胶体不要受外物或外力挤压或刮蹭
灯珠使用注意事项说明
二、测试、点亮时注意先确认电源是否有脉冲电流，可考虑使用示波器确认电源 开关十次是否有脉冲。同时注意灯珠规格书对应的额定电流及最大电流要求，以 防超电流使用。
四、灯珠组装后，建议先正常点亮一小时以上，待状态稳定时确认灯体温度，防 止散热未做到位而使得灯珠光衰。我司规格书的建议温度为低于85度。
五、烙铁焊接时注意温度控制在350度以内，每次焊接接触时间尽量低于五秒， 以避免PPA或胶体因高温而熔融，并可能会产生热应力导致灯珠不良。
六、灯珠存放及使用环境因避免硫元素或卤素类元素，以防污染变色。
谢谢大家！
若有金线熔断的现象则多为有过高的脉冲电流冲击99高温型ppa变色龟裂焊盘发黑胶体与ppa结合处有分层现象长期高温点亮导致胶体分层玻璃化这种变化产生的应力拉断金线
常规失效分析方法 及灯珠使用注意事项
目录
一、一般失效分类 二、常规失效分析步骤 三、案例讲解 四、灯珠使用注意事项说明
一般失效分类
LED灯珠应用端失效主要为如下两大类： 1.死灯 指通电后灯珠局部或整体的芯片未发光。客诉死灯的反馈有分如下情况
一、过流型 失效通常源于电源开关时的脉冲电流(需示波器确认)
案例讲解
二、高温型 失效通常源于灯体散热不好(异物/螺丝孔批锋的顶起、散热胶过多或过少、螺丝 不紧、散热器散热效果不佳等)
二、高温型 塑胶体龟裂
案例讲解
胶体与塑胶体接合面开裂
案例讲解
三、作业型 我司内部作业不良流出，该案例为线踏导致芯片短路
四、外伤型
案例讲解
案例讲解
五、作业型与外伤型的区别(以垂直向下的施力为例)
灯珠使用注意事项说明
一、拿取、摆放、操作需注意胶体不要受外物或外力挤压或刮蹭
灯珠使用注意事项说明
二、测试、点亮时注意先确认电源是否有脉冲电流，可考虑使用示波器确认电源 开关十次是否有脉冲。同时注意灯珠规格书对应的额定电流及最大电流要求，以 防超电流使用。
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
FA失效模式分析PPT课件全篇
2024/10/10
30
10/10/2024 10/10/2024
9.0 FA工程师因该具备的能力
1. 要懂基础的物理科学，对物理对电路都要有
一定的基础，否则无法解释一些本质现象，
思路也不宽。
2. 要熟悉产品封装工艺，这个是失效分析的基
础，不然没法给结论。
2024/10/10
31
10/10/2024
28
7.0 注意事项
失效样品有时是唯一的，十分宝贵。 在分析时应严格按程序进行。样品 的保管、运输、拆装、分解等过程 要注意ESD\EOS\机械应力\温湿度 环境不当损伤样品，造成新的失效， 从而无法找到原来失效的真正原因。
2024/10/10
29
10/10/2024
8.0 操作流程&制度
参见附件1、附件2、附件4
即失效\故障\损坏\失败分析
2024/10/10
2
10/10/2024
1.0 基本概念
1.2 什么是“失效模式” ? --- 失效模式是指由失效机理所引起的可观察到的物理 或化学变化（如开路、短路或器件参数的变化）。
通俗讲就是失效的表现形式。 失效模式通常从技术角度可按失效机制、失效零件 类型、引起失效的工艺环节等分类。从质量管理和可靠性 工程角度可按产品使用过程分类。
3.2 质量管理闭环系统中的重要环节。
无论是”PDCA”循环还是”6σ”理念中”DMAIC” 管理模型，缺少失效分析就不能形成闭环系统。
2024/10/10
11
10/10/2024
根据改善 效果建立
标准
3.0 意义和价值
分析原因并提 出改善措施， 制定改善计划
存在的问 题进行失 效分析
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
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
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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
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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。
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。
电子产品失效分析 技术
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
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
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。
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
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 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
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
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
表面形貌，尺寸测量，缺陷观察
二次电子，背 散射电子
特征X射线
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。
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
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。
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）
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Au和5A铝l2，键A合u4，Al等在金长属期间储化存合和物使（பைடு நூலகம்I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；
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。
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。
电子产品失效分析 技术
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
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
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。
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
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 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
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
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
表面形貌，尺寸测量，缺陷观察
二次电子，背 散射电子
特征X射线
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。
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
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。
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）
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Au和5A铝l2，键A合u4，Al等在金长属期间储化存合和物使（பைடு நூலகம்I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；