失效分析基础

元素及化学态测试:
• X射线光电子能谱仪(XPS) – X射线照固体表面, 激发光电子, 其结合能反映表面成分; – 分析深度: 5–10nm – 空间分辨率: 10um
• 能量色散谱仪(EDS)
– – – – 分析深度: 1–3 um 空间分辨率: 10nm 探测极限: 0.1%原子浓度 可分析原子序数>4的所有元素
行为模式 Root Cause Analysis (RCA) 主要目标 对已发生的失效案例进行分 析,寻找解决办法. 行为构成 研究失效机理 分析根本原因 寻找解决办法 分析失效模式 Failure Mode & Effect Analysis (FMEA) 对新产品新工艺可能发生的 失效模式及影响进行系统和 量化的分析,寻找预防办法. 分析失效影响 评估危害程度 寻找预防办法
机械特性检查
共振测试 (Resonance)
• 了解特殊部件的固有频率, 减少特定的工作条件下的共振影响; • 异常的共振特性也能反映出部件外在和内在的缺陷;
硬度测试 (Hardness)
• 衡量材料机械特性之一的参数;
耐磨性测试 (Wear-ability)
• 衡量材料机械特性之一的参数;
Ｑ& A?
– 失效的现象及概率 – 失效时的工作/测试条件和环境状况 – 生产/包装/储藏信息
4. 数据分析
– – – – 相关人员讨论 相关因素分析 鉴别根本原因 验证根本原因
2. 准备样品
– 失效样品要有代表性 – 失效样品无二次破坏 – 有适当的合格样品作对比
5. 寻找解决办法
– – – – 提供FA报告 相关部门讨论 基于成本及效力的衡量标准 实验验证
什么是FEMA?
• FMEA 就是在产品设计或生产过程中, 通过对产品各组成单元潜在的各 种失效模式及其对功能的影响, 与产生后果的严重程度进行分析, 提出 可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。 • FMEA行为包括如下步骤:
– – – – – – – – – 绘制产品的功能框图和可靠性框图; 确定分析的范围，列出每一个零件所有已知和潜在的失效模式; 确定每一个失效模式造成的影响; 确定每一个失效模式发生的原因，提出预防措施; 确定失效检测的方法; 确定每一个失效模式发生的概率，1-10由小到大; 确定每一个失效模式的严重程度, 1-10，加重; 估计每一失效模式被发现的难易程度，用“不易测度表示”1-10概率由大到小; 根据不同的风险优先指数,采取不同程度的对策.
电子显微镜(SEM)
• 是根据电子光学原理, 用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜, 使物质的细微结构在非 常高的放大倍数下成像的仪器. 可分为扫描式, 反射式, 发射式和透射式电子显微镜; • 透射式电子显微镜样品必须制成电子能穿透的，厚度为100～2000 Å的薄膜; • 极限分辨率: 发射式电子显微镜(1nm); 透射式电子显微镜(0.2nm)
激光多普勒振动仪(LDV)
• 通过实时测量在外部激励下部件表面位移随时间的变化曲线, 可以很容易获得被测结构的 动态力学特性(如频率响应函数).
成分分析
元素测试:
• 俄歇电子能谱(AES)
– – – – 分析深度: 1–5 nm 空间分辨率: 10nm 探测极限: 0.1%原子浓度 可分析原子序数>2的所有元素
显微镜
• 放大倍数: (5–10000倍)
光学轮廓仪
• 是利用白光干涉原理对样品表面进行快速, 重复性高, 高分辨率的三维测量; • 样品要求: 非金属膜层, 非透明膜层, 上下台面平整; • 垂直测量范围: 0.1nm–10mm
原子力显微镜(AFM)
• 是利用微小探针与待测物之间交互作用力(原子/分子间引力与斥力), 来呈现待测物的表面 之物理特性; • Z方向测量范围<6um, 分辨率: 0.1nm • XY方向测量范围: (Max)90*90um; 分辨率: 10nm • 可检测: 表面形貌, 表面力学特性, 磁信号, 硬度等.
3. 数据收集
– 外观检测 – 常规性能检测 – 对比可追溯的测试记录,从而判断是 漏检还是检测后损坏 – 若是漏检, 则须通过优化测试或用 新的测试方法来提高在线检测能力 – 非破坏性物理检测 (不破坏样品表 面,结构及材料特性) – 破坏性检查(极限检测, 分解, 剖面, 内部结构, 化学检测 等)
基本失效类型
基本失效类型 电路失效 可能原因 连接缺陷 静电或过载损伤 元件不匹配 结构缺陷 尺寸不合 结构失效 粘合不良 覆材分层 压力损伤 断裂 腐蚀 材料失效 掺杂 磨损 变形 性能退化
什么是失效分析?
失效分析是一门研究失效机理,发现失效因素,寻找解决办法, 从而消除失效再发生的工程. 它贯穿于产品的设计,生产,使用的 整个过程, 是提高产品质量的必由之路. 它主要包括以下两种行为模式:
•
紫外分光光度仪(UPS)
– 由于分子中价电子的跃迁而产生 特定分子紫外光吸收谱图; – 样品的萃取或淋洗液.
元素及分子片段测试:
• 二次离子质谱仪(SIMS)
– – – – 分析深度: 0.5–2nm 空间分辨率: 200nm 探测极限: PPM-PPB(所有元素) 属于定性分析.
• 气相色谱质谱联用仪(GC-MS)
有机物分子结构测试:
• 红外光谱仪(IR spectrum)
– 由于分子振动和转动而产生特定 分子红外光吸收谱图; – 可以直接分析样品表面(反射式), 也可以分析样品的萃取或淋洗液 (透射式).
•
原子吸收光谱仪(AAS)
– 主要用于金属的微痕量测定 – 样品制备为液体 – 探测极限: 10ng/ml
– 用于Out-gas成分测试
内部结构检查
超声波扫描(SAM)
• • • • • 工作原理: 超声波传播若遇到不同密度或弹性系数之物质时，会产生反射回波, 反射回波强度 会因材料密度不同而有所差异. 利用此特性来对元件内部进行非破坏性检测; 主要用途: 主要用于检查内部裂纹、分层、夹杂物、附着物、空洞、孔洞等缺陷; 扫描范围：0.25×0.25mm～320×320mm 扫描分辨率0.1微米 检测时, 样品是放水中的, 属于无损探测.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 要确保数据真实可靠, 不要忽视误差; 要基于数据的客观判断, 不要主观臆断; 要持开放的心态积极讨论, 不要先入为主 要逻辑严密,因果关系清楚, 不要似是而非; 要做到”明察秋毫”, 不要”吞舟是漏” 要澄清所有疑问, 不要草草收兵.
失效分析的常用仪器/方法
表面形貌尺寸检查
• FEMA行为的特点:
– – – – 是确认潜在产品生产/使用中所有失效原因的系统性分析; 將“失效的严重性、失效发生的可能性、失效检测的可能性”三方面量化分析; 是一种统计工具, 用于风险的控制/评估/管理; 在FEMA的行为组织中, 包含了诸多RCA行为(确定每类失效模式发生的原因).
来自百度文库
失效分析的必要性
剖面分析法(Cross-section check)
• • • 工作原理: 就是通过研磨,切割等方法来展现样品的剖面,从而获得相关数据; 优点: 配合其他工具(如显微镜, SEM, EDX等)可以直观地检查内部结构; 缺点: 属于破坏性检测.样品制备比较麻烦,研磨/切割时应力或污染会影响剖面的状态,从而影 响检查,必要时可用离子刨光(FIB)来获得一个理想的剖面.
6. 验证CA的有效性
– 在线检测 – 客户反馈
7. 完成FACA报告
– 归档保存
失效分析的注意事项
熟悉产品性能, 结构, 材料, 元件, 生产工艺,质量标准及检测方法; 失效背景资料尽可能详细准确, 尤其是”间歇性”失效案例, 要有精确 的失效现象/工作及环境条件的描述; 失效样品要避免污染和二次破坏; 样品分析要循序渐进,确保前一步检测不影响后一步检测, 由表及里, 由 非破坏性测试到破坏性测试; 数据收集和分析要坚持以下6个原则:
失效分析基础
什么是失效?
失效就是产品丧失或没有达到预期的功能. 它包 括以下四种情况:
1. 2. 3. 4. 产品在规定的条件下，不能完成其规定的功能; 产品在规定的条件下，一个或几个性能参数不能保持在规定的范围内； 即使产品在规定的条件下具有完成规定功能的能力，但因操作者的失误 而造成产品功能的丧失； 由于环境变化影响，导致功能丧失.
X-射线扫描(X-ray Scan)
• • • • 工作原理: 由于被检工件内部结构密度不同，对X射线的阻挡能力也不一样，因此X射线图像能 清晰地展现被检样品内部的细微结构. 主要用途: 主要检测电子组装(Flip-chip/CSP/BGA等焊点隐藏器件)缺陷包括:错位,虚焊,桥连, 立碑,焊料不足,气孔,内层走线断裂, 器件漏装等等. 优点: 可快速在线测试, 样品检测范围310 x 310mm(Max.) 缺点: 只能检测金属缺陷, 不能克服重叠影响, 分辨率较低.
产品失效不仅会导致经济上的巨大损失,甚至酿成 悲剧,而且会损害产品质量信誉,降低竟争力,最终危及 企业的生存和发展. 成功的失效分析有助于企业:
纠正设计错误 缩短研发时间 提高生产优率 减少或避免使用中的失效概率 保证产品的可靠性 提高客户的满意度
失效分析的基本步骤
1. 收集失效背景资料
什么是RCA?
• RCA 就是对失效事件进行层层分析, 持“抽丝剥茧”的态 度, 以求发现首要原因或根本原因. • RCA 行为包括如下步骤:
– – – – – 分析数据(背景/失效现象等) 将失效分解为基本事件; 列出可能原因; 鉴别和验证根本原因; 寻找纠正措施.
• RCA 行为的特点:
– – – – 由结果到原因的逆向追踪; 如同侦探调查案件,从证据和痕迹进行分析; 确保事件与其原因有严密的因果关系; 将原因追查之最底层次.
抗震测试 (Shock tester)
• 衡量产品在一定外部机械冲击下的可靠性; • 设计不合格, 结构/材料缺陷都会影响到抗震性能.
声波探侧 (Acoustic Emission Sensor)
• 利用声波传感器探测部件内部因气/液体泄露, 部件间摩擦或碰撞而产生的声波信号,从而 检测产品缺陷;