防静电技术及失效分析

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5. SEM 扫描电镜 高效大倍数图像显示及成分分析
45
BGA焊点裂纹局部放大
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44
BGA焊点裂纹
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芯片焊层疲劳裂纹
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8
能谱仪成份分析
s-01
Nf =7000次，底盘镀镍层拉脱
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Element kRation --ZAF-- Weight% -Atom%-
Ti
0.00047 0.7302
接触式——摩擦起电模型 非接触式——电场感应模型（FIM） ESD S5.3-1995 带插座模型 ESD DS5-3.1-1996 无插座模型 JESD 22-C101 场感应CDM微电子器件耐压测试方式
1
2、人体模型（HBM） （1）人体是最主要的静电源。 HBM模型主要是模拟人体所带静电对微电子器 件 ESD而可能产生的损伤。 （2）模型的核心是将人体用100pF电容和1.5kΩ 电阻的RC放电回路来模拟。
理，失效可实现重复； （6） 采取改进措施，新措施中是否
隐含新的失效因素。
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常用的失效分析技术
（1） 电性能测试和外观检验；
（2） X光透射检查仪； （3） 超声显微镜；非破坏性、可分层、A-SCAN 点扫描 、B-SCAN、截面扫描、C-SCAN、水平面 扫描； （4） 红外热像仪：温度分布，（需开盖！或封 盖前检查）； （5） 扫描电子显微镜（SEM）微区形貌； （6） 俄歇谱（Auger）；成分，成分深度分 布； （7） 莫尔干涉仪：形变和受应力情况； （8） 有限元分析 ： 热、热力
F14
无氧铜基板上（1/2）的等效应力分析
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（1/2）
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10
29
30
5
仪器外形之一
基本技术
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检测结果举例
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键合引线和压焊块
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6
设备外形之一
4. 红外热像仪（Infra Scope） 可测工作状态下的芯片热分布，最高结 温，电流趋边效应。测量热阻，检测热 斑，验证管芯粘接情况等。 需开帽检测。
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达林顿管芯发热情况
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40
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7
三端集成稳压电源管芯 发热情况
C2 125 ~ 249
C3 250 ~ 499
C4 500 ~ 999
C5 1000 ~ 1499
C6 1500 ~ 2999
C7 ≥ 3000
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封装的失效分析
1. 失效分析的目的 找出失效原因 制定改进措施 （从设计、制造和使用方面） 提高产品质量和成品率。
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失效分析程序： （1） 记录失效现象 （2） 鉴别失效模式 （3） 描述失效特征 （4） 假设失效机理 （5）证实：从正、反两面证实失效机
孔洞等很敏感。
快速：可作在线检测（对PQFP、 PBGA）等塑封器件; 可作分层和垂直断
面等多种分析
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声学扫描显微镜之一 21
声学扫描显微镜之二
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声扫描显微镜原理
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4
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3. X射线图像显示 非破坏性，透视内部结构完整性。 高放大倍数（可达2000≅），高分辨率 （2.0µm）。 对塑封器件和PCB最有效。
四、电子元器件ESD灵敏度测试分类的三个模型及有关标准
静电放电灵敏度（ESDS）是指会导致元器件失效 的静电放电电平。 1、三个模型及有关标准 （1）人体模型（HBM），MIL-STD-883D，
（GJB548A）方法3015.7
EOS/ESD-S5.1-1993 （2）机器模型（MM），ESD-S5.2-1996 （3）带电器件模型（CDM），
8. 有限元分析
管座
芯片 芯片 焊层
53
54
9
(剖面）
ϖT= 18.3℃
粘接层纵向温度
18.3 下降率 50
=
0.366
℃/
µm
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底面温度梯度
ΔT Δx
=
75.2 − 60.5 0.7
≈
21 ℃/
mm
75.2 − 61.6 ≈ 27 ℃/ mm 0.5
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应力集中于密封窗框的焊接区，上大下小，边上大中心小（宽焊接框，无槽，宽外沿）。 可伐/无氧铜结构中的关于X1对称面上的Mises应力等值图（单位MPa）
18
3
常用失效分析技术 常用的分析方法有电性能测试、结构分析、(表面
形貌、内部结构）、热分析、（热阻、热分布、热-力 分析、加速应力试验、理论计算和模拟）等。
1. 电性能测试：直流参数 交流参数 ESD试验：人体带电模型 机器带电模型 器件带电模型
寻找失效模式
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2. 声学扫描显微镜（ASM)
是非破坏性的检测、对分层Hale Waihona Puke Baidu裂纹、
0.0579
0.1935
Ni
0.02954 0.8572
3.0875
8.4252
Sn
0.17988 0.6859 23.4921 31.7098
Au
0.79011 0.9647 73.3625 59.6715
50
6. 带录相或数码相机的光学显微镜
国外功率晶体管横截面结构
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7. 激光（云纹）干涉仪
5
表3 各类微电子器件典型的静电放灵敏度范围
序号 1 2 3 4 5 6 7
类型 V MOS H MOS EPROM GaAsFET MOSFET JFET C MOS/N MOS
静电破坏电压（V） 30 ~ 1800 50 ~500 100 ~1500 100 ~ 300 100 ~200 140 ~700 250 ~ 4000
按电荷产生方式：磨擦起电——在外壳上，接触式 感应起电——在外壳或体内，非接触式
按安装方式有带插座和无插座两种。
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表4 CDM的种类和CDM中元器件的ESDS分类
接触式：带插座（CS） 无插座（CN）
非接触式：带插座（NS） 无插座（NN）
级别
静电敏感电压范围 （V）
C1 0 ~ 124
C2 125 ~ 249
表。 级别
静电敏感电压范围（V）
M1
< 100
M2
100 ~ 199
M3
200 ~ 399
M4
≥ 400
12
2
3、带电器件模型（CDM） 模拟器件本身所带静电荷，通过其管脚与地或比
其电位低的物体放电。这时器件内的抗静电保护电路 不起作用！器件对这种ESD的灵敏高，耐压低。这种 ESD模型的形式多，有4种：
静电甚敏感器件 1级 0 ~ 1999
0级 0 ~249 1A 250 ~499 1B 500 ~999 1C 1000 ~1999
静电敏感器件
2级 2000 ~ 3999
静电中等敏感器件 3级 4000 ~ 15999
非静电敏感器件
≥ 16000
2级 2000 ~3999 3A 4000 ~7999 3B ≥ 8000
注：由于抗静电破坏技术的进展，器件抗ESD电压也在不断提高。
7
图2 HBM、MM、CDM三类模型静电放电灵敏（ESDS） 分类测试电流波形比较
（1）HBM ESDS电流波形（MIL-STD-883D 3015.7）
8
（2） CDM ESDS电流波形
Tr50 达到半高的上升时间 Td 半高波形宽度
Ip 峰值电流
（3）MM ESDS电流波形（RL＝0Ω），（ESD-S5. 21994）
9
10
（4）MM ESDS电流波形（RL＝500Ω），（ESD-S5. 2-1994）
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2、机器模型（MM）
模拟机器设备所带静电荷通过电子器件放电。模型核心内 容为200pF电容通过0Ω电阻对器件管脚放电。同样电压
下，放电电流比人体模型大。不是单峰衰减，而是多峰阻 尼振荡衰减。MM模型下元器件的ESD灵敏度分类见下
6
1
序号 8 9 10 11 12 13 14 15
类型 线性电路（运放） 肖特基二极管 ECL SAW SCR SL-TTL/S-TTL TTL/DTL/H-TTL 厚膜电阻
静电破坏电压（V） 180 ~ 2500 300 ~ 3000 500 ~ 1500 150 ~ 500 680 ~1500 300 ~ 2500 380 ~ 7000 300 ~ 3000
C3 250 ~ 499
C4 500 ~ 999
C5 1000 ~ 1499
C6 1500 ~ 2999
C7 ≥ 3000
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表4 CDM的种类和CDM中元器件的ESDS分类
接触式：带插座（CS） 无插座（CN）
非接触式：带插座（NS） 无插座（NN）
级别
静电敏感电压范围 （V）
C1 0 ~ 124
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标准对电流波形 （电能量），引线端连
接方式，放电次数等试 验方法都有详细规定。
图1 HBM模型中测试器件ESD灵敏度的等效电路 这是一个较成熟的、最常用的模型。
3
（3） 人体模型（HBM）的有关标准 目前以人体模型来测试静电敏感器件的静电放电
灵敏度（ESDS）的标准有两种： 一是军标，美国是MIL-STD-883D，方法3015.7；
中国是GJB 548A-96A，方法3015A。 另一个是国际抗静电学会的EOS/ESD-S5.1-1993。
两者的具体分类标准见表2。
4
表2 HBM模型下两种标准的静电灵敏器件的ESDS分
名称
类
军标MILSTD883 方法3015
EOS/ESD-S5.1
级别 静电敏感电压(V) 级别 静电敏感电压(V)