失效分析技术和案例

1电子元器件失效分析技术与案例信息产业部电子五所费庆宇第一部分电子元器件失效分析技术1．失效分析的基本概念和一般程序2．失效分析的电测试3．无损失效分析4．模拟失效分析5．制样技术6．形貌像技术7．扫描电镜电压衬度像8．热点检测技术9．聚焦离子束技术失效分析的基本概念•失效分析的定义•失效模式•失效机理•纠正措施•失效分析的作用失效模式的概念和种类•失效的表现形式叫失效模式•失效模式是失效的结果•按电测结果分类，失效模式可分为：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效失效机理的概念•失效的物理化学根源叫失效机理•失效机理是失效的原因开路的可能失效机理•过电应力（EOS）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、塑封器件的爆米花效应2金属电迁移过电应力（EOS）损伤金属的电化学腐蚀压焊点脱落bceCMOS电路的闩锁效应00.10.20.30.40.50.60.70.80.910246810V（V〕I（A）塑封器件的爆米花效应3漏电和短路的可能失效机理•静电放电（ESD）损伤、颗粒引发短路、介质击穿、pn结微等离子击穿、Si-Al互熔静电放电（ESD）损伤颗粒引发短路介质击穿PN结微等离子击穿VRISi-Al互熔4参数漂移的可能失效机理•封装内水汽凝结、介质的离子沾污、辐射损伤、欧姆接触退化、金属电迁移封装内水汽凝结水汽含量良品1266ppM失效品6724ppM介质的离子沾污辐射对电子元器件的影响•参数漂移、软失效•例：n沟道MOS器件阈值电压减小PN+N++++++++++++++++++++++++++++++SDG耗尽层反型层＋＋欧姆接触退化5欧姆接触退化失效机理的内容•失效模式与材料、设计、工艺的关系•失效模式与环境应力的关系环境应力包括：过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力•失效模式与时间的关系举例说明：失效分析的概念和作用•某EPROM使用后无读写功能•失效模式：电源对地的待机电流下降•失效部位：部分电源内引线熔断•失效机理：闩锁效应•确定失效责任方：模拟试验•改进措施建议：改善供电电网，加保护电路某EPROM的失效分析结果-5.00E-030.00E+005.00E-031.00E-021.50E-022.00E-022.50E-023.00E-023.50E-020123456电压（V〕电流A〔正常样品2号失效样品4号模拟试验确定失效责任方00.10.20.30.40.50.60.70.80.910246810V（V〕I（A）触发电流：200mA维持电压：8.76V（技术指标：电源电压：5V触发电流200mA）失效分析的受益者•元器件厂：获得改进产品设计和工艺的依据•整机厂：获得索赔、改变元器件供货商、改进电路设计、改进电路板制造工艺、提高测试技术、设计保护电路的依据•整机用户：获得改进操作环境和操作规程的依据•提高产品成品率和可靠性，树立企业形象，提高产品竞争力6失效分析技术的延伸•进货分析的作用：选择优质的供货渠道，防止假冒伪劣元器件进入整机生产线•良品分析的作用：学习先进技术的捷径•破坏性物理分析（DPA）：失效前的物理分析进货分析：ISPLSI1016E80LJI进货分析：ISPLSI1016E80LJI进货分析：复用、解复用芯片进货分析：复用、解复用芯片失效分析的一般程序•收集失效现场数据•电测并确定失效模式•非破坏检查•打开封装•镜检•通电并进行失效定位•对失效部位进行物理化学分析，确定失效机理•综合分析，确定失效原因，提出纠正措施7收集失效现场数据•作用：根据失效现场数据估计失效原因和失效责任方根据失效环境：潮湿、辐射根据失效应力：过电、静电、高温、低温、高低温根据失效发生期:早期、随机、磨损•失效现场数据的内容水汽对电子元器件的影响•电参数漂移•外引线腐蚀•金属化腐蚀•金属半导体接触退化失效应力与失效模式的相关性•过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁•静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁•热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电•热电：金属电迁移、欧姆接触退化•高低温：芯片断裂、芯片粘接失效•低温：芯片断裂失效发生期与失效机理的关系•早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分•随机失效：静电损伤、过电损伤•磨损失效：元器件老化•随机失效有突发性和明显性•早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性失效发生期与失效率试验时间试验初始的元件数数试验时间内失效的元件失效率＝×失效率时间随机磨损早期以失效分析为目的的电测技术•电测在失效分析中的作用重现失效现象，确定失效模式，缩小故障隔离区，确定失效定位的激励条件，为进行信号寻迹法失效定位创造条件•电测的种类和相关性连接性失效、电参数失效和功能失效8电子元器件失效分析的简单实用测试技术（一）•连接性测试：万用表测量各管脚对地端/电源端/另一管脚的电阻，可发现开路、短路和特性退化的管脚。电阻显著增大或减小说明有金属化开路或漏电部位。•待机(standby)电流测试:所有输入端接地（或电源），所有输出端开路，测电源端对地端的电流。待机(standby)电流显著增大说明有漏电失效部位。待机(standby)电流显著减小说明有开路失效部位。电子元器件失效分析的简单实用测试技术（二）•各端口对地端/电源端的漏电流测试（或I——V测试）,可确定失效管脚。•特性异常与否用好坏特性比较法确定。连接性测试应用实例：ISP端口过电应力损伤待机(standby)电流显著减小的案例-5.00E-030.00E+005.00E-031.00E-021.50E-022.00E-022.50E-023.00E-023.50E-02012345电压（V〕电流A〔正常样品2号失效样品4号待机(standby)电流偏大的案例TDA7340S音响放大器电路由反向I－V特性确定失效机理-5.00E-030.00E+005.00E-031.00E-021.50E-022.00E-022.50E-023.00E-023.50E-024.00E-024.50E-0202468101214反向电压（V）电流（A）烧断电源端1对地烧断电源端2对地烧断电源端3对地未烧断电源端对地9由反向I－V特性确定失效机理•直线为电阻特性，pn结穿钉，属严重EOS损伤。•反向漏电流随电压缓慢增大，pn结受EOS损伤或ESD损伤。•反向击穿电压下降，pn结受EOS损伤或ESD损伤。由反向I－V特性确定失效机理•反向击穿电压不稳定：芯片断裂、芯片受潮•高温储存试验可区分离子沾污和过电应力损伤失效无损失效分析技术•无损分析的重要性(从质检和失效分析两方面考虑)•X射线透视技术用途：观察芯片和内引线的完整性•反射式扫描声学显微技术用途：观察芯片粘接的完整性，微裂纹，界面断层X射线透视与反射式声扫描比较种类应用优势基本原理X射线透视象观察材料高密度区的完整性，如器件内引线断裂透过材料高密度区X射线强度衰减C-SAM象观察材料内部空隙，如芯片粘接不良，器件封装不良超声波传播遇空气隙受阻反射X射线透视象X射线透视象10反射式扫描声学显微镜原理反射式扫描声学显微象反射式扫描声学显微象模拟失效分析技术•定义：通过比较模拟试验引起的失效现象与现场失效现象，确定失效原因的技术•模拟试验的种类：高温储存、潮热、高低温循环、静电放电、过电试验、闩锁试验等。•案例模拟失效分析技术案例：空调柜机主控IC闩锁失效模拟失效分析技术案例：塑封器件间歇失效bce11样品制备技术•种类：打开封装、去钝化层、去层间介质、抛切面技术、去金属化层•作用：增强可视性和可测试性•风险及防范：监控打开塑料封装的技术去钝化层的技术•湿法：如用HF：H2O＝1：1溶液去SiO285％H3PO4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•干湿法对比去钝化层的监控去层间介质•作用：多层结构芯片失效分析•方法：反应离子腐蚀•特点：材料选择性和方向性•结果腐蚀的方向性12反应离子腐蚀技术16位微处理器1750监控技术：暴露M1去金属化Al层技术•作用•配方：30％HCl或30％H2SO4KOH、NaOH溶液•应用实例去金属化Al层技术Al-Si互溶AlSiO2n-Sip-SimA13抛切面技术抛切面技术SEM电压衬度象原理电压衬度象和差象示意图电压衬度象和差象以测量电流效应为基础的失效定位技术•红外热象技术用途：热分布图，定热点•光发射显微镜用途：微漏电点失效定位栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应•电子束感生电流象用途：pn结缺陷14改进前的混合电路热分布图改进后的混合电路热分布图TDA7340S音响放大器电路FPGA聚焦离子束技术用途：•1制备探测通孔，实现多层布线VLSI的下层金属节点的电压和波形测试•2为对准下层金属制备通孔，可同时显示CAD设计版图和芯片实时图象，可根据版图确定钻孔部位。•3在VLSI芯片上进行线路修改，省去重新制板和流片的手续，加快产品研制用FIB制备探测通孔15聚焦离子束技术•4为观察内部缺陷，对样品进行局部剖切面•5扫描离子显微镜可用于形貌观察聚焦离子束技术应用实例聚焦离子束技术应用实例聚焦离子束技术应用实例第二部分半导体器件失效机理、分析方法和纠正措施1．塑料封装失效2．引线键合失效3．水汽和离子沾污4．介质失效5．过电应力6．闩锁效应7．静电放电8．金属电迁移9．金属电化学腐蚀10．金属-半导体接触退化11．芯片粘结失效塑料封装失效机理•封装分层并长期暴露于潮湿环境•器件受热，封装内水汽膨胀•机械应力引起芯片形变和压焊点脱落•漏电流变化或开路16例：爆米花效应引起塑封器件内引线开路例：包封料－键合点分层引起塑封器件内引线开路bce纠正措施•装配前塑封器件不能长时暴露于潮湿空气•塑封器件长时暴露于潮湿空气，装配前要烘干•控制封装工艺，避免塑封器件分层•控制电路板焊接工艺，防止塑封器件长时间过热引线键合失效的机理•半导体器件的铝电极与管脚用内引线连接，内引线可分为金线和铝线两种。金－铝键合失效主要表现是：金内引线与芯片上的铝层压焊点发生固相反应，形成称为紫斑的AuAl2化合物层，导致接触不良或引线脱落。引线键合失效的机理•由于金—铝原子互扩散的扩散系数不同，在金－铝界面还会形成科肯德尔（Kirkendal）空洞，会引起压焊点开路。•引线键合失效的其它原因是键合工艺不良。引线键合失效的外部原因和分析方法•失效外因：高温试验、振动试验、过电应力、受潮、工艺不良•失效内因：压焊点金－铝发生化学反应和扩散•失效分析方法：X射线透视、扫描声学显微镜、打开封装、显微观察、X射线能谱分析•质检方法：引线拉力测试17引线键合失效引线键合失效过电烧毁内引线纠正措施•金－铝键合的器件应避免在过高温度下使用和试验。为避免金－铝键合失效，可改用铝硅－铝键合和无线键合。无线键合水汽和离子沾污的失效分析方法•芯片表面水汽和离子沾污•介质层内部离子沾污18芯片表面水汽和离子沾污•芯片表面水汽和离子沾污的失效分析方法：烘烤或开封清洗•试验结果分析：反向特性可完全恢复为离子沾污和受潮反向特性不可完全恢复为过电或静电介质层内部离子沾污•高温储存•高温反偏介质失效介质失效机理NNPEOS损伤的种类和机理过流(引起过热）•内引线熔断•金属化互连线熔断•Pn结漏电•Pn结穿钉•金属热电迁移过压:•氧化层针孔•热电子注入FPGA电源内引线烧断19微处理器电源金属互连线烧断三端稳压器过电烧毁，金属热电迁移硅整流器RB-156过电烧毁Al-Si互溶AlSiO2n-Sip-SimACMOS电路的闩锁效应•定义：触发信号进入I/O端或电源端，电源电流剧增。•可控硅特点：触发控制极，阳极－阴极导通。触发停止后，阳极－阴极继续导通。电源电压关断，不再导通。•CMOS电路的闩锁效应（大电源电流）的成因：可控硅效应发生闩锁效应的条件：输入电流大于触发电流00.10.20.30.40.50.60.70.80.91024681012V（V〕I（A）20静电放电（ESD）损伤防静电保护电路静电放电损