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失效分析技术 电子元器件失效
电子元器件失效分析技术Failure Analysis 一、电子元器件失效分析技术 1.1、失效分析的基本概念 1.2、失效分析的重要意义 1.3、失效分析的一般程序 1.4、收集失效现场数据 1.5、以失效分析为目的的电测技术 1.6、无损失效分析技术 1.7、样品制备技术 1.8、显微形貌像技术 1.9、以测量电压效应为基础的失效定位技术 1.10、以测量电流效应为基础的失效定位技术 1.11、电子元器件化学成份分析技术 1.1 失效分析的基本概念 目的: 确定失效模式和失效机理,提出纠正措施,防止这种失效模式和失效机理重复出现。 失效模式:指观察到的失效现象、失效形式,如开路、短路、参数漂移、功能失效等。 失效机理:指失效的物理化学过程,如疲劳、腐蚀和过应力等。 引起开路失效的主要原因: 过电损伤、静电击穿(SEM、图示仪)、金属电迁移、金属的化学腐蚀、压焊点脱落、闩锁效应。 其中淀积Al时提高硅片的温度可以提高Al原子的晶块体积,可以改善电迁移。 典型的闩锁效应电源对地的I-V曲线 引起漏电和短路失效的主要原因: 颗粒引发短路、介质击穿、PN结微等离子击穿、Si-Al互溶 引起参数漂移的主要原因: 封装内水汽凝结、介质的离子粘污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤 例: Pad点处无钝化层,有水汽的话,会导致短路,水汽蒸发后又恢复绝缘性,表现为工作时参数不稳定。 失效物理模型: 1、应力-强度模型(适于瞬间失效) 失效原因:应力强度 例如:过电应力(EOS)、静电放电(ESD)、闩锁(Latch up)等。 2、应力-时间模型 (适于缓慢退化) 失效原因:应力的时间积累效应,特性变化超差。 例如:金属电迁移、腐蚀、热疲劳等。 3、温度应力-时间模型 反应速度符合下面的规律 产品平均寿命的估算 1.2失效分析的重要意义 电子元器件研制阶段 纠正设计和研制中的错误,缩短研制周期 电子元器件生产阶段、测试和使用阶段 查找失效原因,判定失效的责任方 根据分析结果,生产厂可以改进元器件的设计和工艺,用户可以改进电路板的设计、改进器件和整机的测试和使用的环境参数或者改变供货商。 失效分析案例 案例1:GaAs微波器件的失效分析,表现为 缓慢减小,通过研究金属-半导体接触退化的机理,确定了金半接触处原子互扩散是根本原因,提出了增加阻挡层作为改进措施,通过对比改进前后的可靠性评价,证明了失效分析的有效性。 MESFET端面图 1.3失效分析的一般程序 1、收集失效现场数据 2、电测并确定失效模式 3、非破坏性分析 4、打开封装 5、镜检 6、通电激励芯片 7、失效定位 8、对失效部位进行物理、化学分析 9、综合分析,确定失效原因,提出纠正措施 1.4 收集失效现场数据 1.4.2收集失效现场数据的主要内容 失效环境、失效应力、失效发生期以及失效样品在失效前后的电测试结果。 失效环境包括:温度、湿度、电源环境、元器件在电路图上的位置和所受电偏置的情况。 1.5以失效分析为目的的电测技术 电子元器件的电测失效分类: 连接性失效(开路、短路、电阻变化等) 多数是ESD和EOS引起的,比例大概50%。 电参数失效(值超出范围和参数不稳定) 例如:电流增益、光电流、暗电流等。 功能失效(给定输入信号,输出异常) 多数是集成电路。 电子元器件电测失效之间的相关性 例如数字集成电路,连接性失效可引起电参数失效和功能失效。 输入端漏电-输入电流Iin、输入电压Vin达不到要求-功能失效、静态电流IDDQ失效 输入端开路和输出端开路-功能失效 电源对地短路-功能失效、静态电源电流IDDQ失效 电测的重要结论: 电测失效模式可能多种模式共存。 一般只有一个主要失效模式,该失效模式可能引发其他失效模式。 连接性失效,电参数失效和功能失效呈递增趋势,功能失效和电参数失效时常可以归结于连接性失效。 在缺少复杂功能测试设备时,有可能用简单的连接性测试和参数测试,结合物理失效分析技术,仍然可以获得令人满意的失效分析结果。 1.6无损失效分析技术 定义:不必打开封装对样品进行失效定位和失效分析的技术。 无损失效分析技术:X射线透视技术和反射式扫描声学显微技术(C-SAM) 表2、X射线透视技术和反射式扫描声学显微术(C-SAM)的比较 C-SAM的工作原理图 典型的C-SAM扫描出的图片 1.7样品制备技术 主要步骤: 1、打开封装 2、去钝化层 3、去除金属化层 4、剖切面 5、染色 1.7.1打开封装 机械开封(磨,撬,加热等方法) 主要针对金属封装的器件。 化学开封(磨,钻,发烟硝酸、发烟硫酸腐蚀法等) 主要针对塑料封装的器件。 去除塑料封装
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