封装可靠性与失效分析课件
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预处理 (Pre-condition) 温度循环 TC (Thermal Cycling) 压力锅试验PCT (Pressure Cooker Test) 温湿度和偏压测试THB
(Temperature, Humidity & Bias Test) 高温贮存试验 HTS
(High Temperature Storage Test) 高加速应力试验HAST
合物，或金属-Si互扩散。
4.压力锅试验 （PCT）
在高温高压饱和蒸气中贮存。一般 耐湿性能， 为121℃，100%RH，2atm下168h. Al的电解腐蚀。
可靠性测试标准
环境应力试验 JESD22-A103-B High Temperature Storage Life高温储存寿命试验 JESD22-A104-D Temperature Cycling温度循环 JESD22-A106-A Test Method A106-A Thermal Shock热冲击
试验目的
1. 研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷改善设计 2. 生产阶段为监控生产过程提供信息优化工艺 3. 对定型产品进行可靠性鉴定或验收实现量产 4. 暴露和分析产品在不同条件下的失效规律及失效模式和机理
有针对性地加以改进以提高寿命 5. 为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案为用户选用
产品提供依据
对于不同的产品，考虑到不同的使用环境，可以选 择不同的可靠性试验方法。
手持电子产品的可靠性要求
动态机械可靠性
动态机械载荷
便携跌落危险 新功能（游戏、短信）键盘、按键的疲劳和弯曲 重量减轻紧凑包封机械保护 叠层封装封装体质量，总体尺寸 小型化互连尺度危险性（失效几率）
机械应力试验 EIA/JESD22-B116 Wire Bond Shear Test Method焊线邦定的剪切试验方法 JESD22-B117 BGA Ball Shear BGA焊球的剪切试验 JESD22-B111 Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic Products
可靠性和失效的数学定量描述
可靠度：R（t） 产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率：
Rt PT t N nt
N
T：产品寿命，N：产品总数，且足够大。 n（t）：从开始工作到t时刻的累积失效数。
失效分布函数=累积失效概率：F（t）
产品在规定的时间t以前累积失效的概率：
辐射
- 单粒子反转
- 死锁
失效机理分类： （1）过载和耗损两类：
间内发生失效的概率 。
失效率＝失效率函数
（t）
n（[Nt nt（）t）n]（t t）
[N
源自文库
n（t） n（t）]t
N为产品的总数，且足够大； n(t)为N个产品从开始工作到t时刻的累积失效数。
失效分布函数 F(t)、失效密度函数 f(t）与失效率(t）
的关系：
（t）
Rf（（tt））
1.4
接触失效
1.2
键合失效，没有金
1.2a
保护层缺陷
0.9
组装，其他
0.9a
多晶硅/硅化物
0.8
外部沾污
0.7a
其他因素
5.3
a注：与封装或组装密切关联的失效共计28.1%
失效机理
过载(Overstress)
磨损(Wear out)
机械 热
- 大弹性变形 - 屈服 - 断裂—脆性，韧性 - 裂纹，爆裂(Popcorn) - 弯曲 - 界面分开 - 热过载 - 接近Tg(玻璃化温度)
温度循环曲线示意
JESD22-A104D
温度循环测试条件
11级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；
JESD22-A104D
板级跌落试验设备(Drop Tester)
手机跌落
手机内存有可 能经常承受大 的冲击载荷
JESD22-B111
板级跌落试验条件
8级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；
JESD22-B110
失效分析基础
技术名词：失效模式和失效机理 失效模式： 是指失效的形式，如开路、短路、漏气等。 失效机理：
是指造成器件失效的原因。 机械失效：疲劳、过载 电化学失效：腐蚀、电迁移
3400种VLSI器件失效机理分类
失效机理
电过应力和静电放电 未分析清的 金丝球焊在球焊点的失效 不能确认的 金丝球焊在楔焊点失效 剪切应力，芯片表面 腐蚀，芯片金属化/组装 介质失效，聚合物-金属，金属-金属 氧化层缺陷 肉眼可见沾污 金属短路、金属开路 闩锁现象
跌落、弯曲、剪切、拉伸、冲击
电化学
温度、湿度、电压
加速试验方法
常规的加速载荷 - 振动(Vibration) - 温度(Temperature) - 湿度(Humidity) - 电压（Voltage） - 杂质(Contaminations)
不同加速试验方法会得 到不同的结果
环境可靠性测试方法
- 融化 - 蠕变断裂温度
机械 电
- 高低周疲劳 - 蠕变 - 磨损（磨粒磨损 等） - 金属迁移 （电/离子迁移） - 应力驱动扩散 - 表面充电
- 电磁干扰损伤
电
- EOS（电冲击）
- 静电放电(ESD)
- 介质击穿
- 二次击穿
化学
- 内部扩散 Kirkendall空洞 - 氢脆 - 腐蚀 - 解聚
综合试验与测试 JEDEC Standard No.22-A109 Test Method A109 Hermeticity密封性试验
JEDEC（Joint Electron Devices Engineering Council ）,电子元件工业联合会，作 为一个全球性组织，JEDEC所制定的标准为全行业所接受和采纳。 MIL-STD 美国军用标准，当今世界技术最先进、体系最完备的军用标准 。
正态分布（高斯分布、误差分布）
F（t） t
1
e dt （t22）2
2
f t
1
t 2
e 2 2
2
：正态分布的标准差; ：正态分布的平均值。
标准正态分布
μ = 0,σ = 1的正态分布
可靠性试验方法
可靠性试验简介
为评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为： 可靠性试验
(High Accelerated Temperature /Humidity Stress Test)
BGA的环境应力可靠性试验
筛选项目
筛选项目
失效机理
1.温度循环（TC）
－40℃或－55℃或－65℃到＋ 85℃或125℃或150℃或175℃等两 个极端温度之间循环、每10分钟转 换一次，连续循环1000次。
动态机械载荷下的可靠性非常重要
跌落、拉伸、剪切、弯曲、冲击和振动 焊点：
脆性断裂－－对应力集中更为敏感 影响因素：金属间化合物（IMC）、润湿性、…
PCB: 绝缘层/铜线裂开 封装:焊球、焊点大小
可靠性试验加载方式
循环载荷
热机械 循环弯曲、震动
动态机械载荷
电应力和电测试试验 EIA/JESD78 IC Latch-Up Test集成电路器件闩锁试验 ECJEloeSmcDtrp2oo2sn-tCaet1ni0ct-s1D微-Ais电cFhi子ealrd器g-eI件n-Wd在uitch电esdt荷aCn感hda应Trgh模erde型s-Dho条elvd件isceo下Mf 的Mo抗idcer静ol Te电leesc放ttMr电oen试tihc验od for
由热－力应力引起的失 效
2.高温/高湿/偏压 高温、高湿环境并施正偏压或反向 铝引线或铝金属化层的
（THB）
偏压工作。通常为85℃/85%RH/ 腐蚀；模塑料中的离子
额定偏置
性杂质的浸蚀。
3.高温贮存寿命 （HTS）
高温环境下，施加偏压或不加偏压下工 高温失效机理；
作。
Al-Au互扩形成金属间化
如125℃或150℃下1000h。
1 Fit=1×10-9/h=1×10-6/1000h
典型的失效率曲线
递减型
恒定型
递增型
产品的失效率随时间而变化的规律可用失效率曲线表示， 有时形象地称为浴盆曲线。
Δ早期失效期：产品使用的早期，失效率较高且下降很快。 主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及 调试、起动不当等人为因素所造成的。
微电子封装可靠性与失效分析
蔡坚 清华大学 jamescai@tsinghua.edu.cn
可靠性基础知识
Reliability is possibility!
可靠性的定义-名词解释
生产率(Productivity)资源的利用效率，即产出与投入的比值。 质量(Quality) 产品符合顾客规定要求的程度 。(经久耐用) 可靠性（Reliability）产品在规定条件下、规定时间内完成规
F（t） P（T t） n（t）
（0 1）
N
R（t） F（t） 1
失效密度函数 f(t) 理论上失效概率在时间上的分布。
f（t） dF（t） dR（t）
dt
dt
F（t） 1 R（t） t f（t）dt 0
f(t)、F(t)和R(t)的关系
失效率λ(t)
Lambda(t) 工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后，单位时
韦伯分布
分布函数：
F（t） 1 e（t）m/t0
f
t
m
t
t m
m1 e
t0
t0
m为形状参数, 为位置参数, t0为尺度参数。
m通常在[1，7]间取值，通过改变m可以表示不同阶段的失效情况； 也可以作为许多其他分布的近似，如，可将形状参数设为合适的 值近似正态、对数正态、指数（m=1)等分布。
产品寿命往往研究的是某一批或某一类产品的“总体寿 命”。所以在数学上常用的是平均寿命、中位寿命、特征 寿命（统计学概念）。
产品的寿命的数学表征
Δ平均寿命 ：t
某批产品寿命的算术平均值。
MTTF（Mean Time To Failure），失效前平均工 作时间：对于不可修复产品，其失效前工作或贮存的 平均时间。
1） 韦伯分布(Weibull distribution ) 2） 正态分布（Normal Distribution） 3） 指数分布（Exponential distribution ） 4） 对数正态分布 （Lognormal distribution ）
*指数分布，对数正态分布是韦伯分布的特殊情况。
MTBF（Mean Time Between Failures），平均无 故障工作时间(对于可修复装置)：对于可修复产品，为 两次相邻失效间的平均工作时间，即平均无故障工作 时间。
Δ中位寿命 t0.5 ：
某批产品工作到刚好一半数量失效时的工作时间。
R( t0.5 )=F( t0.5 )=50%
常用的失效分布
定功能的能力。
“规定条件”：环境、负荷、工作方式、使用方法。 环境：温度、湿度、气氛、粒子、机械运动……
“规定时间”：贮存时间和使用时间，即寿命（ 实际上也是 “规定条件”） “完成规定功能”：顾客要求的“全部”功能。
产品失去规定的功能失效
生产率 1970~1980s
质量 1990s
可靠性 2000s~
集成电路失效百分比（%）
19.9 15.9 9.0a 6.0 4.6a 3.5a 3.2a 3.0 2.9 2.7 2.6a 2.4
失效机理
集成电路失效百分比（%）
处理过程不当、与硅片制造有关
2.4
管芯损伤、裂纹/划伤
2.4a
编程不当
2.0
氧化层不稳定
1.9
芯片设计
1.7
扩散缺陷
1.5
最后检测漏测
1
f（t） F（t）
R（t） exp[ t（t）dt] 0
若(t)= 常数,则 R(t)=e- ,失效率愈低,可靠性愈高
f(t) e- ,
F(t) 1-e .
失效率单位为 % /（103小时），即 每工作1000小时后产品失效的百分数。
非特（Fit）： 适用于半导体器件等高可靠性器件。
Δ偶然失效期：主要由非预期的过载、误操作、意外的天 灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。 偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。
Δ耗损失效期： 失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、 蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的 。
产品的寿命
产品寿命：对不可修复的产品是“产品失效前的工作时间 或工作次数”，或“无故障工作时间”。
(Temperature, Humidity & Bias Test) 高温贮存试验 HTS
(High Temperature Storage Test) 高加速应力试验HAST
合物，或金属-Si互扩散。
4.压力锅试验 （PCT）
在高温高压饱和蒸气中贮存。一般 耐湿性能， 为121℃，100%RH，2atm下168h. Al的电解腐蚀。
可靠性测试标准
环境应力试验 JESD22-A103-B High Temperature Storage Life高温储存寿命试验 JESD22-A104-D Temperature Cycling温度循环 JESD22-A106-A Test Method A106-A Thermal Shock热冲击
试验目的
1. 研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷改善设计 2. 生产阶段为监控生产过程提供信息优化工艺 3. 对定型产品进行可靠性鉴定或验收实现量产 4. 暴露和分析产品在不同条件下的失效规律及失效模式和机理
有针对性地加以改进以提高寿命 5. 为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案为用户选用
产品提供依据
对于不同的产品，考虑到不同的使用环境，可以选 择不同的可靠性试验方法。
手持电子产品的可靠性要求
动态机械可靠性
动态机械载荷
便携跌落危险 新功能（游戏、短信）键盘、按键的疲劳和弯曲 重量减轻紧凑包封机械保护 叠层封装封装体质量，总体尺寸 小型化互连尺度危险性（失效几率）
机械应力试验 EIA/JESD22-B116 Wire Bond Shear Test Method焊线邦定的剪切试验方法 JESD22-B117 BGA Ball Shear BGA焊球的剪切试验 JESD22-B111 Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic Products
可靠性和失效的数学定量描述
可靠度：R（t） 产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率：
Rt PT t N nt
N
T：产品寿命，N：产品总数，且足够大。 n（t）：从开始工作到t时刻的累积失效数。
失效分布函数=累积失效概率：F（t）
产品在规定的时间t以前累积失效的概率：
辐射
- 单粒子反转
- 死锁
失效机理分类： （1）过载和耗损两类：
间内发生失效的概率 。
失效率＝失效率函数
（t）
n（[Nt nt（）t）n]（t t）
[N
源自文库
n（t） n（t）]t
N为产品的总数，且足够大； n(t)为N个产品从开始工作到t时刻的累积失效数。
失效分布函数 F(t)、失效密度函数 f(t）与失效率(t）
的关系：
（t）
Rf（（tt））
1.4
接触失效
1.2
键合失效，没有金
1.2a
保护层缺陷
0.9
组装，其他
0.9a
多晶硅/硅化物
0.8
外部沾污
0.7a
其他因素
5.3
a注：与封装或组装密切关联的失效共计28.1%
失效机理
过载(Overstress)
磨损(Wear out)
机械 热
- 大弹性变形 - 屈服 - 断裂—脆性，韧性 - 裂纹，爆裂(Popcorn) - 弯曲 - 界面分开 - 热过载 - 接近Tg(玻璃化温度)
温度循环曲线示意
JESD22-A104D
温度循环测试条件
11级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；
JESD22-A104D
板级跌落试验设备(Drop Tester)
手机跌落
手机内存有可 能经常承受大 的冲击载荷
JESD22-B111
板级跌落试验条件
8级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；
JESD22-B110
失效分析基础
技术名词：失效模式和失效机理 失效模式： 是指失效的形式，如开路、短路、漏气等。 失效机理：
是指造成器件失效的原因。 机械失效：疲劳、过载 电化学失效：腐蚀、电迁移
3400种VLSI器件失效机理分类
失效机理
电过应力和静电放电 未分析清的 金丝球焊在球焊点的失效 不能确认的 金丝球焊在楔焊点失效 剪切应力，芯片表面 腐蚀，芯片金属化/组装 介质失效，聚合物-金属，金属-金属 氧化层缺陷 肉眼可见沾污 金属短路、金属开路 闩锁现象
跌落、弯曲、剪切、拉伸、冲击
电化学
温度、湿度、电压
加速试验方法
常规的加速载荷 - 振动(Vibration) - 温度(Temperature) - 湿度(Humidity) - 电压（Voltage） - 杂质(Contaminations)
不同加速试验方法会得 到不同的结果
环境可靠性测试方法
- 融化 - 蠕变断裂温度
机械 电
- 高低周疲劳 - 蠕变 - 磨损（磨粒磨损 等） - 金属迁移 （电/离子迁移） - 应力驱动扩散 - 表面充电
- 电磁干扰损伤
电
- EOS（电冲击）
- 静电放电(ESD)
- 介质击穿
- 二次击穿
化学
- 内部扩散 Kirkendall空洞 - 氢脆 - 腐蚀 - 解聚
综合试验与测试 JEDEC Standard No.22-A109 Test Method A109 Hermeticity密封性试验
JEDEC（Joint Electron Devices Engineering Council ）,电子元件工业联合会，作 为一个全球性组织，JEDEC所制定的标准为全行业所接受和采纳。 MIL-STD 美国军用标准，当今世界技术最先进、体系最完备的军用标准 。
正态分布（高斯分布、误差分布）
F（t） t
1
e dt （t22）2
2
f t
1
t 2
e 2 2
2
：正态分布的标准差; ：正态分布的平均值。
标准正态分布
μ = 0,σ = 1的正态分布
可靠性试验方法
可靠性试验简介
为评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为： 可靠性试验
(High Accelerated Temperature /Humidity Stress Test)
BGA的环境应力可靠性试验
筛选项目
筛选项目
失效机理
1.温度循环（TC）
－40℃或－55℃或－65℃到＋ 85℃或125℃或150℃或175℃等两 个极端温度之间循环、每10分钟转 换一次，连续循环1000次。
动态机械载荷下的可靠性非常重要
跌落、拉伸、剪切、弯曲、冲击和振动 焊点：
脆性断裂－－对应力集中更为敏感 影响因素：金属间化合物（IMC）、润湿性、…
PCB: 绝缘层/铜线裂开 封装:焊球、焊点大小
可靠性试验加载方式
循环载荷
热机械 循环弯曲、震动
动态机械载荷
电应力和电测试试验 EIA/JESD78 IC Latch-Up Test集成电路器件闩锁试验 ECJEloeSmcDtrp2oo2sn-tCaet1ni0ct-s1D微-Ais电cFhi子ealrd器g-eI件n-Wd在uitch电esdt荷aCn感hda应Trgh模erde型s-Dho条elvd件isceo下Mf 的Mo抗idcer静ol Te电leesc放ttMr电oen试tihc验od for
由热－力应力引起的失 效
2.高温/高湿/偏压 高温、高湿环境并施正偏压或反向 铝引线或铝金属化层的
（THB）
偏压工作。通常为85℃/85%RH/ 腐蚀；模塑料中的离子
额定偏置
性杂质的浸蚀。
3.高温贮存寿命 （HTS）
高温环境下，施加偏压或不加偏压下工 高温失效机理；
作。
Al-Au互扩形成金属间化
如125℃或150℃下1000h。
1 Fit=1×10-9/h=1×10-6/1000h
典型的失效率曲线
递减型
恒定型
递增型
产品的失效率随时间而变化的规律可用失效率曲线表示， 有时形象地称为浴盆曲线。
Δ早期失效期：产品使用的早期，失效率较高且下降很快。 主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及 调试、起动不当等人为因素所造成的。
微电子封装可靠性与失效分析
蔡坚 清华大学 jamescai@tsinghua.edu.cn
可靠性基础知识
Reliability is possibility!
可靠性的定义-名词解释
生产率(Productivity)资源的利用效率，即产出与投入的比值。 质量(Quality) 产品符合顾客规定要求的程度 。(经久耐用) 可靠性（Reliability）产品在规定条件下、规定时间内完成规
F（t） P（T t） n（t）
（0 1）
N
R（t） F（t） 1
失效密度函数 f(t) 理论上失效概率在时间上的分布。
f（t） dF（t） dR（t）
dt
dt
F（t） 1 R（t） t f（t）dt 0
f(t)、F(t)和R(t)的关系
失效率λ(t)
Lambda(t) 工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后，单位时
韦伯分布
分布函数：
F（t） 1 e（t）m/t0
f
t
m
t
t m
m1 e
t0
t0
m为形状参数, 为位置参数, t0为尺度参数。
m通常在[1，7]间取值，通过改变m可以表示不同阶段的失效情况； 也可以作为许多其他分布的近似，如，可将形状参数设为合适的 值近似正态、对数正态、指数（m=1)等分布。
产品寿命往往研究的是某一批或某一类产品的“总体寿 命”。所以在数学上常用的是平均寿命、中位寿命、特征 寿命（统计学概念）。
产品的寿命的数学表征
Δ平均寿命 ：t
某批产品寿命的算术平均值。
MTTF（Mean Time To Failure），失效前平均工 作时间：对于不可修复产品，其失效前工作或贮存的 平均时间。
1） 韦伯分布(Weibull distribution ) 2） 正态分布（Normal Distribution） 3） 指数分布（Exponential distribution ） 4） 对数正态分布 （Lognormal distribution ）
*指数分布，对数正态分布是韦伯分布的特殊情况。
MTBF（Mean Time Between Failures），平均无 故障工作时间(对于可修复装置)：对于可修复产品，为 两次相邻失效间的平均工作时间，即平均无故障工作 时间。
Δ中位寿命 t0.5 ：
某批产品工作到刚好一半数量失效时的工作时间。
R( t0.5 )=F( t0.5 )=50%
常用的失效分布
定功能的能力。
“规定条件”：环境、负荷、工作方式、使用方法。 环境：温度、湿度、气氛、粒子、机械运动……
“规定时间”：贮存时间和使用时间，即寿命（ 实际上也是 “规定条件”） “完成规定功能”：顾客要求的“全部”功能。
产品失去规定的功能失效
生产率 1970~1980s
质量 1990s
可靠性 2000s~
集成电路失效百分比（%）
19.9 15.9 9.0a 6.0 4.6a 3.5a 3.2a 3.0 2.9 2.7 2.6a 2.4
失效机理
集成电路失效百分比（%）
处理过程不当、与硅片制造有关
2.4
管芯损伤、裂纹/划伤
2.4a
编程不当
2.0
氧化层不稳定
1.9
芯片设计
1.7
扩散缺陷
1.5
最后检测漏测
1
f（t） F（t）
R（t） exp[ t（t）dt] 0
若(t)= 常数,则 R(t)=e- ,失效率愈低,可靠性愈高
f(t) e- ,
F(t) 1-e .
失效率单位为 % /（103小时），即 每工作1000小时后产品失效的百分数。
非特（Fit）： 适用于半导体器件等高可靠性器件。
Δ偶然失效期：主要由非预期的过载、误操作、意外的天 灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。 偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。
Δ耗损失效期： 失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、 蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的 。
产品的寿命
产品寿命：对不可修复的产品是“产品失效前的工作时间 或工作次数”，或“无故障工作时间”。