第10章-DPA与失效分析

元器件可靠性技术教程•张素娟：为民楼419房间;010-82316464•Email:[e-mail]第10章破坏性物理分析与失效分析可靠性工程研究所元器件工程部10.1破坏性物理分析10.1.1破坏性物理分析的定义10.1.2破坏性物理分析的目的10.1.3国内外开展破坏性物理分析的情况10.1.4破坏性物理分析工作适用范围及时机10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序10.1.6破坏性物理分析试验项目的裁剪10.1.7破坏性物理分析的结论和不合格处理10.1.8破坏性物理分析工作实例可靠性工程研究所元器件工程部10.2失效分析10.2.1失效分析的目的和作用10.2.2失效分析一些基本原则10.2.3失效分析工作基本内容10.2.4元器件的主要失效模式和失效机理10.2.5元器件失效分析的基本实施程序10.2.6半导体集成电路失效分析程序10.2.7电容器的失效分析程序和设备10.2.8失效分析常用设备10.2.9失效分析实例10.3破坏性物理与失效分析的比较可靠性工程研究所元器件工程部10.1破坏性物理分析失效时期失效损失应用领域购进元器件设备安装系统调试现场使用民用25550工业应用42545215军事应用7501201000航天应用15753002×108不同时期的失效所造成的损失可靠性工程研究所元器件工程部10.1破坏性物理分析(DPA)10.1.1破坏性物理分析的定义破坏性物理分析（DestructivePhysicalAnalysis）简称为DPA，是为验证元器件的设计、结构、材料和制造质量是否满足预定用途或有关规范的要求，按元器件的生产批进行抽样，对元器件样品进行解剖，以及解剖前后进行一系列检验和分析的全过程。它可以判定是否有可能产生危及使用并导致严重后果的元器件批质量问题。可靠性工程研究所元器件工程部可靠性工程研究所元器件工程部9.1.1破坏性物理分析的目的和意义10.1.2破坏性物理分析的目的(1)以预防失效为目的，防止有明显或潜在缺陷的元器件装机使用。(2)确定元器件生产方在设计及制造过程的中存在的偏离和工艺缺陷；(3)提出批次处理意见和改进措施；(4)检验、验证供货方元器件的质量。10.1破坏性物理分析(DPA)可靠性工程研究所元器件工程部美军标“MIL-STD-1580”《电子元器件破坏性物理分析方法》“MIL-STD-750”《半导体器件试验方法》“MIL-STD-883”《微电子器件试验方法和程序》管理标准或规范(NASA)“空间飞行项目的电气、电子和机电(EEE)元器件的管理与控制要求”（NASA）PEM-INST-001《塑封器件的选择、筛选和鉴定的规定》10.1.3国内外开展破坏性物理分析的情况可靠性工程研究所元器件工程部ESAPSS-01-60欧空局空间系统的电子元器件选择、采购和控制”在元器件到货验收以及储存期超过了规定期限的元器件应进行破坏性物理分析。承包商不得委托元器件生产厂承担破坏性物理分析。在承包商认可并可控时，可以委托独立实验室承担破坏性物理分析。10.1.3国内外开展破坏性物理分析的情况可靠性工程研究所元器件工程部航天系统自80年代起开展了破坏性物理分析工作。航天、航空各型号中都有破坏性物理分析的要求。GJB4027-2000《军用元器件破坏性物理分析(DPA)方法》，并于2006年修订出版了GJB4027A版，2015年正进行新版的修订。10.1.3国内外开展破坏性物理分析的情况可靠性工程研究所元器件工程部可靠性工程研究所元器件工程部10.1.4破坏性物理分析工作适用范围及时机（1）应用于高可靠性要求领域中，如航天、航空及军用要求。（2）在电子产品或设备中，列为关键件或重要件的元器件。（3）其质量等级低于规定要求的元器件。（4）超出规定的储存时间的元器件。（5）对已装机元器件的进行质量复验。进行破坏性物理分析的时机，主要有以下几种情况，（1）在订货合同中，提出破坏性物理要求，即在出厂前进行，生产厂家供货时必须提供破坏性物理分析合格的报告。（2）元器件到货后，在装机之间进行DPA，并结合二次筛选，可以起到很好地质量复验的作用。（3）超期复验，按GJB/Z123的规定进行DPA。可靠性工程研究所元器件工程部9.1.3DPA试验项目简介10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序确定需作DPA的元器件种类抽取样品型号工作管理规定和规范型号工作管理规定和规范DPA依据标准和试验项目的确定型号工作管理规定和规范委托单位明确试验委托要求或DPA实验室提出试验项目建议书DPA试验非破坏性试验破坏性试验得出DPA结论不合格委托单位依据DPA结论和处理意见指导该批次元器件的具体应用采取相应措施后可以使用合格批次性不可筛选缺陷非批次缺陷或可筛选缺陷本批次不得使用本批次可以使用可靠性工程研究所元器件工程部10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序GJB4027《军用元器件破坏性物理分析（DPA）方法》元器件共分16大类，49小类，标准中涉及到的DPA试验项目共18个。因元器件的结构、制造工艺不同，DPA的试验项目也不尽相同。以单片集成电路为例，分为密封半导体集成电路和塑封半导体集成电路，其工作项目号分别为1101和1103，因封装结构不同，其试验项目有很大的差异。可靠性工程研究所元器件工程部10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序抽样方法样本大小应以满足破坏性物理分析的检验项目的需要量为前提，对于一般元器件为生产批总数的2%，但不少于5只也不多于10只；对于结构复杂的元器件，样本大小应为生产批总数的1%，但不少于2只也不多于5只；对于价格昂贵或批量很少的元器件，样本大小可适当减少，但应经有关机构批准。有关机构包括：鉴定机构、采购机构或元器件使用方。国军标GJB4027中规定了应在生产批中随机抽样，也可选最能暴露缺陷的元器件作为样品。在实际的应用过程中可根据情况进行适当调整。型号DPA规范中规定抽样方案可靠性工程研究所元器件工程部集成电路工艺流程集成电路工艺流程:集成电路设计、掩膜版制造、原始材料加工、芯片制造、组装、测试等工序，芯片制造则包括：外延、氧化、光刻、扩散、金属化等十几道工序。通常芯片制造称为前工序，组装、测试等称为后工序。可靠性工程研究所元器件工程部集成电路封装的工艺流程示意图管芯测试划片芯片粘接引线键合封装测试可靠性工程研究所元器件工程部序号试验项目主要检查内容试验方法号GJB548仪器设备要求1外部目检结构、密封、涂覆或玻璃填料工艺中的各项缺陷，记录识别标记2009立体显微镜及照相系统2X射线检查封壳内结构、芯片固定、内引线、多余物等2012X射线照相设备3颗粒碰撞噪声检测(PIND)封壳内的可动颗粒2020颗粒碰撞噪声检测仪4密封密封性1014氦质谱检漏仪、氟油粗检漏仪等密封型单片集成电路DPA试验程序10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序可靠性工程研究所元器件工程部序号试验项目主要检查内容试验方法号(GJB548)仪器设备要求5内部水汽含量封装内的水汽含量1018内部水汽含量分析仪6内部目检芯片金属化层、扩散和钝化层、划片和芯片、玻璃钝化层、介质隔离、膜电阻和激光修正、引线键合、内引线、芯片安装、外来物质等2010立体显微镜、金相显微镜、照相系统等7键合强度内引线键合强度2011内引线键合强度测试仪8扫描电镜检验芯片表面互连、金属化层等与批有关的缺陷2018扫描电子显微镜9芯片剪切强度芯片的粘结强度2019芯片剪切强度测试仪密封型单片集成电路DPA试验程序10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序可靠性工程研究所元器件工程部序号试验项目可以预防的失效模式1外部目检封装和镀层不符合要求；密封缺陷；2X射线检查结构错误；多余物；装配工艺不良3颗粒碰撞噪声检测(PIND)可动颗粒引起的随机短路4密封不良的环境气氛引起的电性能不稳定；内部腐蚀开路密封型单片集成电路DPA可以发现的缺陷、可预防的失效模式10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序可靠性工程研究所元器件工程部序号试验项目可以预防的失效模式5内部水汽含量内部水汽含量过高引起电性能不稳定；内部腐蚀开路6内部目检加工工艺缺陷引起的质量缺陷7键合强度键合强度缺陷引起的引线开路8扫描电镜检验氧化层台阶处电迁移引起开路9芯片剪切强度芯片脱离管座引起的开路；粘结不良，芯片散热不良造成过热烧毁10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序密封型单片集成电路DPA可以发现的缺陷、可预防的失效模式可靠性工程研究所元器件工程部10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序序号试验项目可以发现的缺陷、可预防的失效模式1外部目检封装、引线不符合要求2X射线检查结构错误、多余物、芯片粘接不良及装配工艺不良等3声学扫描显微镜检查塑封器件的内部的缺陷，如芯片粘接不良、裂纹、分层、异物、空洞等6内部目检加工工艺缺陷引起的质量缺陷7键合强度键合强度缺陷引起的引线开路8扫描电镜检验氧化层台阶处电迁移引起金属化开路9玻璃钝化层完整性检查玻璃钝化层不完整性，失去保护芯片表面作用塑封型单片集成电路DPA可以发现的缺陷、可预防的失效模式可靠性工程研究所元器件工程部芯片开裂芯片裂纹可靠性工程研究所元器件工程部密封型破坏性物理分析试验项目(裁剪后)序号试验项目试验方法号(GJB548)仪器设备要求1外部目检2009立体显微镜及照相系统2颗粒碰撞噪声检测(PIND)2020颗粒碰撞噪声检测仪3密封1014氦质谱检漏仪、氟油粗检漏仪等4内部目检2010立体显微镜、金相显微镜、照相系统等5键合强度2011内引线键合强度测试仪6芯片剪切强度2019芯片剪切强度测试仪10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序可靠性工程研究所元器件工程部序号试验项目试验方法号(GJB548)仪器设备要求1外部目检2009立体显微镜及照相系统2X射线检查2012X射线照相设备3内部目检2010塑封开帽机、立体显微镜、金相显微镜、照相系统等4键合强度2011内引线键合强度测试仪塑封型单片集成电路DPA试验项目（裁剪后）10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序可靠性工程研究所元器件工程部表10-5片式元件的DPA的试验项目和可以发现的缺陷序号试验项目可以发现的缺陷1外部目检基体的裂纹、端电极缺陷、错误标识2制样镜检基体内部的缺陷10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序可靠性工程研究所元器件工程部破坏性物理分析的结论和不合格处理（1）未发现缺陷或异常情况,结论为合格；（2）未发现缺陷或异常情况，但样品大小小于相关规定，结论为样品通过；（3）发现相关标准中的拒收缺陷，其结论为不合格，但结论中应说明缺陷的属性（如：批次性缺陷或可筛选缺陷）；（4）发现异常情况时，其结论为可疑或可疑批，依据可疑点可继续进行DPA。凡是具有以下条件之一的缺陷，即构成了批拒收缺陷：缺陷属于致命缺陷或严重缺陷；具有批次性的缺陷；具有发展性的（如铝腐蚀等）且难以筛选的缺陷；严重超过定量合格判据的缺陷。10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序可靠性工程研究所元器件工程部XX年DPA统计情况12835批，不合格299批，批次不合格率2.33%;国产器件不合格率为2.84%;进口器件不合格率为2.09%;进口元器件不合格原因：内部目检;国产元器件不合格原因：内部水汽含量、内部目检、键合强度和剪切强度可靠性工程研究所元器件工程部破坏性物理分析工作实例10.1.5破坏性物理分析工作方法和程序四年的产品存在着批次性的键合缺陷“零克点”可靠性工程研究所元器件工程部金焊片的尺寸与芯片不匹配芯片破损有裂纹可靠性工程研究所元器件工程部芯片粘结不良器件中包括4个单独的管芯，管芯的面积为14mm2，在进行键合试验时，400gf的拉力即把一个管芯拉起，远远低于5000gf的抗剪强度要求可靠性工程研究所元器件工程部可靠性工程研究所元器件工程部可靠性工程研究所元器件工程部可靠性工程研究所元器件工程部元素OAlSiSClTotal元素比(Elemen)%57.5232.711.005.623.15100.00原子量比(