SMTHOME_404285_工艺失效分析技术培训(精华版)

工艺失效分析技术培训教材主要内容工艺失效分析业务范畴、流程与架构失效分析基本概念工艺失效分析基本方法XrayImagingCSAMCrossSectionSEMEDXGCMS典型工艺失效模式CaseStudy－DSPBlackPadFailure工艺失效分析业务范畴单板工艺、生产工艺、维修工艺和基础工艺工程师按照一定的工作流程参与市场和生产环节的例行工艺失效分析工作，它是基于失效现象、失效模式、失效机理和失效原因、改进对策确定的活动，其目的在于提升工艺质量和可靠性；对重大市场和生产工艺失效问题的攻关；失效分析技术平台、设备平台和失效分析流程建立与推行；可靠性试验平台的建立和应用；国内外可靠性/失效分析研究机构建立良好合作关系，跟踪业界在工艺可靠性研究和失效分析方面的先进技术和发展趋势；推动由工艺失效问题而引发的新工艺开发、规范优化、制程改善、来料控制以及认证证实等正向工艺项目在工艺总体技术部门的统一协调下由相关的工艺研究组组织进行。Whydoelectronicsystemsfail(SourceTWI)Dust6%Humidity19%Vibration20%Temperature55%DustHumidityVibrationTemperatureDFM、DFR与FA生命周期环境与历程Quality失效分析可靠性评估平台质量和可靠性改进失效机理物料（PCB、器件）制造工艺设计选型来料质量工艺参数工艺稳定性DFMReliability寿命耗损需求DFR失效分析平台spreadsheet业务架构FA组设计验证制造筛选规格应用返回ATC模拟TTCDFR制程认证制程证实制程能力工艺开发寿命试验筛选试验工艺研究等部门进行的可靠性工作生产工艺维修工艺单板工艺闭环改进系统工艺失效分析业务公司失效分析流程特殊渠道失效样品市场返修失效样品生产过程失效单板返修库返修板处理流程生产质量处理流程公司失效分析电子流生产质量信息库结论与对策工艺失效分析资源方法平台测试、器件等失效分析流程工艺失效分析流程筛选策略采购策略可靠性预计规范、设计、工艺、物料、设备的改进可靠性问题质量问题失效分析基本概念1、失效Failure：一个产品不能再完成所希望的功能；2、失效模式FailureMode：失效导致的能被观察到的结果；工艺FM分为开路、短路、时断时续、腐蚀、其他；3、失效机理FailureMechanism：物理的、化学的、热力的等导致失效的过程；4、失效根本原因RootCause：由于设计、材料或其他因素等而导致失效过程开始发生的本质，它能引发改进行为；（rootcause可能找不到；）5、负荷Load：促成失效的条件（电气、机械、热、化学的等）；6、应力Stress：失效点的操作或环境负荷的强度；7、过应力失效OverstressFailure：在单一应力条件下产生的失效。能够产生过应力失效的应力条件包括震动、高温、电过压等；8、耗尽失效WearOutFailure：在累积负荷或压力条件下产生的失效。能够产生累积损伤的负荷条件包括温度循环、磨损、材料寿命等。失效应力强度模型StressdistributionStrengthdistributionMax.stressMin.strength产品强度》应力当实际应力大于产品设计强度时，失效就产生了失效分析基本过程失效现象失效模式失效机理根本原因改进预防芯片级器件级单板级系统级……开路断路时断时续腐蚀……物理化学电学热学力学材料学……可靠性设计物料制造过程应用环境人为损坏……DFMDFRCE来料监控……无损到有损，宏观到微观，定性到定量例：器件BlackPad失效分析结果失效现象：BGA功能不正常失效模式：开路、短路、时断时续、腐蚀、其他失效机理：焊接不良、变形、基板镀层与IMC分离失效根本原因：NiP层电镀不良、温度异常、锡膏选择不良改进对象：设计、工艺、物料、设备、操作、环境、归结规范原因：规范错误、执行错误、未规范、不涉及、待定可改进性：优化器件基板电镀质量失效分类试验失效现场失效完全失效局部失效突然失效退化失效稳态失效间歇性失效明显失效隐藏失效设计失效制造失效应用失效自然失效人为失效早期失效随机失效老化失效（浴盆曲线）独立失效从属失效对失效分析的常见误解封装、组装层面的失效分析很容易做焊接很简单？失效分析就是花钱深入分析没有意义？收集信息不重要、不全面责任与利益关系？失效分析常见不当做法对待样品未充分保护重熔的失效焊点分析过程种导致样品进一步损伤力、污染、热使用错误的技术手段分层与器件拆卸对结果作出错误的解释透锡不良？未及时记录观察到的现象注意有损分析对结果不做归档、总结重复的错误失效分析基础哲学失效分析常与统计有关；容易解释（马后炮），难于预测；容易批评一个方案，难于制定一个好方案；显而易见的现象未见得是失效的真正原因，也未见得不是；发现“很容易”不等于“很容易发现”；在充分分析以前，勿综合（可能的原因等于没有原因）；三思而后行，特别在有损分析前；可能时建立失效物理模型（清楚失效机理）；定期评估失效分析结果，建立内部的数据库；失效分析不能100％成功（实际在40－70％之间）；需要思路开阔、有团队精神、有自我批评精神；重视细节、重视反对意见、重视“人微言轻”；失效分析基础技术必须收集到充分、准确、可靠的信息；需要对产品和对象有一定的了解；对样品提供足够的保护以防止进一步的破坏；全面、细致的分析是必须的；再现失效是检验假设及获得更多分析样品的重要方法；熟悉常见分析手段、方法的特长与局限；勿要轻易相信电测量结果；可能时使用不同技术手段和方法定位缺陷及位置；及时记录所有可能的异常现象；失效分析主要方法技术手段切片分析失效模式假设开、短路时断时续失效点估测无损探测微观分析组织成份分析原因定位分析报告成份分析污染源判定断口形貌分析微观分析腐蚀EDX取样SEMX－rayCSAM成份分析设备切片设备显微镜显微镜SEM信息收集功能测试工艺失效分析知识结构需要物理、化学、材料、电子、力学、热力学、统计分析等方面的扎实基础知识；需要了解常用失效分析手段及其特点与局限性等；尽可能的了多产品设计、功能、使用环境、生产工艺过程等信息；成像技术立体显微镜、金相显微镜等适用用于一般的结果记录、形貌、结构分析；扫描电镜（SEM）焊点和PCB板材的结构、形貌等，高倍数；X射线成像（Xray）焊点错位、桥接、焊点空洞等；扫描超声显微镜（CSAM）器件或基板空洞、分层、开裂；层数限制红外热像仪（IRimaging）温度分布等结构与形貌技术轮廓仪（Profiler）如激光轮廓仪记录单板变形、引脚平整度；CSAM器件内部结构分析透射电子显微镜（TEM）焊点微观缺陷、微结构和物相鉴定；傅立叶变换红外光谱/拉曼光谱（FTIR，Ramanspectroscopy）有机物的官能团、结构分析成份技术化学分析（CA）定量分析焊料、器件引脚等化合物和金属的主要成份电子能谱/波谱（EDX/WDX）半定量分析元素成份、杂志含量、微区成份；等离子发射光谱（ICP）高精度定量分析微量杂质成份；液相、气相色谱（LC）有机物的成份分析测试；离子色谱（IC）极性离子的分析测试；俄歇电子能谱等表面材料污染、材料微区成份分析力学与热力学分析扫描差热分析（DSC）热重分析仪（TGA）热机械分析仪（TMA）动态热机械分析仪（DMA）推力、剪切力、拉力测试（shearpulltest）材料试验机（Microtester）XrayImaging基本原理Xray是利用X射线照射样品后的透射信号调制成像。像的灰度与样品的元素种类和厚度有关，元素的原子序数越大，对X光的吸收越强烈，像的灰度越小；样品厚度越大，对X光的吸收越强烈，像的灰度越小。Xray技术特点X射线成像是一种快速、无损的缺陷检测手段；X射线主要用于对材料内部金属材料状态的观察；X射线成像分析受样品厚度、样品内部物质的原子序数、设备的图像处理能力等因素影响；厚度越大、内部物质原子序数越大的试样对X光的吸收越强烈；通过X光机的接收探头和夹具的旋转，可以使用各种旋转模式，从不同角度观察到一个三维图片。这对于观察焊点润湿情况、通孔孔壁情况非常重要。比如我司的X光机其接收探头可在0～45度之间旋转；PCB板夹具能旋转180度；小夹具能旋转360度，倾斜90度；像清晰度受X射线束尺寸的影响，尺寸越大，清晰度越低；Xray可以用于对任何形状的焊点、PCB孔、导线、焊盘以及器件的分析，特别对于球形焊点的分析更有独到之处；5DX可以使用分层观察方法达到三维效果。Xray的应用Xray应用Xray应用扫描超声显微镜基本原理超声波在材料界面发生反射和透射现象；与入射波相比反射波和透射波波形发生变化；波形的变化取决于界面的声阻变化；接收反射波或透射波成像，得到反映样品界面信息的照片，进行界面状态分析；超声波在材料界面的声阻如右图所示；Z2、Z1是两种材料的声阻，Z2和Z1之间的差异将导致反射和透射波的不同，这种不同可以通过一定的信号变换，反映出界面的变化。CSAM基本原理不同界面超声波反射波形不同，在分层和空洞处产生全反射CSAM技术特点扫描超声显微镜是一种快速、无损缺陷检测手段；扫描超声显微镜的探测方式有反射模式和透射模式；反射模式可以得到样品不同深度方向的界面信息；透射模式能够较快确定试样中是否有缺陷；探头频率越高，超声显微镜的分辨率越高；超声对不同材料界面上的分层和微裂纹敏感；扫描超声检测时试样需要放入水或其它惰性液体中，以保证声波传入试样；扫描超声分析前需要对样品结构有所了解；扫描超声测试结果对操作者有依赖性，并且需要与其它分析手段相结合。CSAM应用CrossSection基本原理切片技术是一种试样制备技术；通过取样、镶嵌、研磨、抛光得到一个光亮的、表面组织未发生任何变化的镜面；使用金相显微镜进行观察，如果希望观察的相与基体的反光能力有较大的差别，在抛光后可以直接观察，否则需要用化学腐蚀或其它腐蚀方法将显微组织显露出来；切片技术常用于得到材料内部和界面的形貌信息，如材料内部和界面处不同成份的组织形态、层次、结构以及裂纹、空洞、夹杂等缺陷；可以使用成份分析仪器对抛光面进行成份分析。CrossSection基本原理CrossSection技术特点直观地获取材料内部的大量信息，与X－Ray、扫描声学显微镜等无损手段相比，切片的优点在于能够直观的获取有关材料的形态、结构以及内部的微观形貌、裂纹、缺陷等信息；是焊点开路研究的重要分析手段；适用于除有机材料之外的所有材料；是一种破坏性分析；试样制备复杂、耗时并对操作经验有依赖性；由于浇铸试样的胶粘剂固化需要时间较长，试样制备过程至少需要4个小时，并且由于试样制备的复杂性，试样质量与操作者的经验有很大关系。CrossSection应用SEM基本原理由电子枪发射的电子束，经会聚透镜和物镜的缩小、聚焦，在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束；在扫描线圈的磁场作用下，入射电子束在样品表面上按一定时间空间顺序作光栅式逐点扫描；由于入射电子与样品表面之间相互作用，产生二次电子和背散射电子；收集两种信号中的任何一种并调制成像，得到扫描电子显微镜照片；电子束与样品作用会产生多种信号，其中二次电子产生于样品表面5～10nm深度范围，SEM的二次电子像能够很好反映样品表面特征；背散射电子产生于样品表面0.1-1微米深度范围，背散射电子产额随原子序数的增加而增大，因此SEM的背散射电子像兼有表面形貌特征和原子序数特征。SEM技术特点分辨率：扫描电镜的分辨率与检测信号种类有关，二次电子像分辨率可达5～10nm，而背散射电子像的分辨率为50～200nm。一般二次电子像用于表面形貌观察，而背散射电子像用于成份定性分析（其图像对形貌不敏感）；扫描电镜的放大倍数可以从几倍到几十万倍