失效分析

失效模式与失效机理
一.失效的表现形式叫失效模式 如：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效 二.失效的物理化学根源叫失效机理。例如 . （1）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 （2）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、Si-Al互熔
综合分析
分析结论
失效分析的概念（2）
GJB548A-96微电子器件试验方法和程序，“方法5003微电 路的失效分析程序”对失效分析目的的描述：失效分析是 对已失效器件进行的一种事后检查，根据需要，使用电测 试以及许多先进的物理、金相和化学的分析技术，以验证 所报告的失效，确定其失效模式，找出失效机理。 失效分析的目的 • 确定失效模式 • 确定失效机理 • 确定引起失效的责任方（用应力－强度模型说明） • 为实施整改措施提供确凿的证据，防止失效重复出现
内部气氛检测
• 主要有害气氛:水汽、氧、有机气氛 • 水汽的危害:除了直接引起漏电之外，水对很 多失效机理都有加速作用 *银迁移(离子迁移) *金属腐蚀(腐蚀和电化腐蚀) *金铝化合物 *焊接热疲劳 *水汽中H离子引起的二次慢俘获
金相显微镜 扫描电镜（SEM）与能谱仪（EDS） • 观察顺序
1)引线丝及内外键合点 1)引线丝及内外键合点 2)芯片 2)芯片 3)金属化 3)金属化 4)钝化层及介质 4)钝化层及介质 5)PN结 5)PN结 6)其它结构 6)其它结构
破坏性分析技术
1.去除钝化层技术 2.剖切面技术及分析
去除钝化层技术
• 湿法：如用HF：H2O＝1：1溶液去SiO2 85％ HPO3溶液，温度160C去 Si3N4 • 干法：CF4和O2气体作等离子腐蚀去SiNx和聚酰 亚胺
反应离子腐蚀技术（SEM照片）
剖切面技术及分析
固封（镶嵌）材料 操作要求研磨(粗细) 抛光 横切面、纵切面、斜角
失效分析相关知识
可靠性工程师必备之七种武器
1.环境试验 2.机械试验 3.高加速寿命试验(HALT)及高加速应力筛选（HASS） 4.破坏性物理分析(DPA) 5.失效分析(FA---Failure Analysis) 6.可靠性预计(RP) 7.可靠性分配
能够熟练运用其中一种，即可行走江湖。可靠性预计及可靠性分配 更是武器中的精品，无三五年的修炼难成正果。
声扫显微镜
x
x
x
X光照片
C-SAM 照片
半破坏性分析技术
开封技术 内部气氛检测（与前项有冲突） 不加电的内部检查（光学· SEM与EDS · 微区成分） 加电的内部检查(微探针·红外热像·EMMI光发射·电 压衬度像·束感生电流像·电子束探针）
开封
首先必须了解样品的内部结构，必要时用 同类品试开封 空封机械法: 专用工具 研磨 塑封化学法: 硫酸 硝酸
分立器件使用中的失效模式 及分布
集成电路使用中的失效模 式及分布
电阻器使用中的失效模 式及其分布
电容器使用中的失效模 式及其分布
继电器使用中的失效模 式及其分布
接插元件使用中的失效 模式及其分布
“爆米花效应”（分层效应）的失效机理
Cross-section of the 2-layer PBGA package after level 2a/260℃ stressing indicating delamination within the die attach layer and internal substrate layers.
失效分析技术与设备
1. 非破坏性分析技术 2. 半破坏性分析技术 3. 破坏性分析技术
非破坏性分析技术
• • • • 1.1 外观检查 1.2 电参数测试分析与模拟应力试验 1.3 检漏与PIND 1.4 X光与扫描声学分析
外观检查与显微镜分析
• 机械损伤(碰击，玻璃封口， 变色，裂缝) • 腐蚀 • 过热（鼓起，变色） • 涂层、标志、多余物 • 焊接不良 ……………
(失效物理分析的兴起！)
失效的概念
一.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 二.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
失效分析的概念（1）
失效信息 失效特征 失效证据 可能 失效机理
引起失效的因素
• 材料、设计、工艺 • 环境应力 环境应力包括：过电、温度、湿度、机 械应力、静电、重复应力 • 时间
进行失效分析的基本条件
• 专业人员
（1）熟悉被分析失效器件的结构，制造工艺、产品性能 （2）有操作操作失效分析设备的能力
• 失效分析设备
（1）电分析设备（电功能、电特性） （2）物理（or化学）分析设备
失效分析的步骤（2）
在这10个步骤中，前6个步骤一般由专业的失效分析机构来完成，最后3 个步骤一般由元器件生产单位或使用单位根据失效分析的结论或建议来完成。 第7个步骤起着承上启下的作用，要由专业失效分析人员和元器件使用单位 密切配合，反复协调才能完成。这一步骤一般要花费较多的时间、人力、财 力及损坏大量的同批次元器件，但同时它又是失效分析中最为重要的一步， 它可验证分析人员提出的失效机理的正确性，帮助元器件使用单位分析失效 元器件的确切原因，为即将采取的预防和纠正措施提供根据。
高漏率
冒泡
PIND（可动微粒探测） （
• • • • • 影响:金属可能引起短路，非金属引起沾污 方法: 振动微粒噪声，振动与X光照相结合 可动微粒取样 可动微粒性质分析 可动微粒来源
X光与扫描声学分析 光与扫描声学分析(C-SAM) 光与扫描声学分析
X射线透视技术（几微米） 用途：观察芯片和内引线的完整性 反射式扫描声学显微技术（几十微米） 用途：观ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ芯片粘接的完整性，微裂纹， 界面分层
体视显微镜
电参数测试分析
• 目的：确认失效模式和失效管脚定位 • 方法：与同批次好品同时进行测试和试验 功能测试和管脚直流特性（I-V特性） 对照良好样品、有关标准和规范，解释 差异 • 结果:1) *参数漂移 *参数不合格 *开路 *短路 *与失效现场不一致 • 2)确认异常功能和异常直流特性的管脚
焊点失效
裂纹
• 失效信息的收集
失效信息主要有失效状态、失效背景等
失效分析的基本原则
• • • • • • • • • • • 先方案后操作 先安检后通电 先弱电后强电 先静态后动态 先外部后内部 先宏观后微观 先一般后特殊 先简单后复杂 先主要后次要 先无损后破坏 先现象后本质
失效分析的步骤（1）
(1)确认失效现象（失效模式判别和确认）。 (2)确认失效分析的深度。 (3)根据失效现象，列举失效部位的全部疑点。 (4)制定排除疑点的方案。 (5) 逐级定位失效部位。 (6) 提出导致失效部位现象的各种假设（失效机理分析和假设）。 (7) 用试验的方法验证假设（即失效模拟或失效机理的验证）。 (8) 提出并评审预防失效的方案。 (9) 试验预防失效方案的效果。 (10）实施预防失效的方案。
晶体管图示仪测试IV特性 晶体管图示仪测试 特性
几 种 异 常 的 PN 结 I－ － V 特 性
晶体管图示仪
测试各个管脚之间的IV特性 注意：不要把曲线的局部误为全貌
检漏
• 结果: 低漏率
• 与外观结果的相关性 • X-射线检查结果: • 玻璃绝缘子和焊缝 有裂缝或气泡 不连通和连通 ◆染色示踪