失效分析技术(赛宝)

10/19/20121中国赛宝实验室可靠性研究分析中心蔡伟2012-10失效分析技术主要内容一、初识失效分析二、失效分析作用三、失效分析技术四、典型的案例10/19/20122一、初识失效分析产品在规定的时间内和规定的使用条件下，完成规定功能的能力－可靠性概念。失效分析是保证鸡蛋变为鸡而不是荷包蛋的工具网络新闻图片网络新闻图片1986年1月28日73秒7名人员12亿美元挑战者号1986年1月28日执行第十次任务时，于升空过程中突然爆炸一、初识失效分析10/19/20123•美国总统里根下令成立一个13人组成的总统调查委员会,调查航天飞机失事的原因。在经过4个月的调查后,调查委员会向总统提出长达256页的调查报告。一、初识失效分析一、初识失效分析•直接原因（技术原因）：右部火箭发动机上的两个零件联接处出现了问题，具体的讲就是旨在防止喷气燃料事时的热气从联接处泄露的密封圈遭到了破坏，这是导致航天飞机失事的直接技术原因。•管理和决策的原因10/19/20124•失效分析就是针对已经失效的事件开展原因分析的过程•失效分析：电子行业的“医生”一、初识失效分析一、初识失效分析•失效--丧失功能或降低到不能满足规定的要求。–按失效的持续性分类：致命性失效、间歇失效、缓慢退化–按失效时间分类：早期失效、随机失效、磨损失效–按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效„–按失效原因分类：过电失效、机械失效、热失效„•缺陷—外形、装配、功能或工艺不符合规定的要求10/19/20125一、初识失效分析GJB548A-96微电子器件试验方法和程序，“方法5003微电路的失效分析程序”对失效分析的描述：•失效分析是对已失效器件进行的一种事后检查，根据需要，使用电测试以及许多先进的物理、金相和化学的分析技术，以验证所报告的失效，确定其失效模式，找出失效机理。一、初识失效分析FA事后分析，确认失效模式，分析失效机理，确定失效原因。无标准DPA事先预防，符合性检查，通常是对合格的元器件按生产批次进行抽样分析，检查是否存在可能会造成在正常使用中而发生失效的缺陷。两者共同把关，促使电子元器件提高质量。有标准。CA新型元器件或在特定的使用条件下没有使用经历的元器件，包含信息更多，为以后的验证和分析建立一个结构基础，对元器件结构设计进行评估，可用于供应商和元器件的选择，评估新技术和定制元器件的结构、质量与可靠性。筛选主要是剔除早期失效，通过筛选的合格产品是达到一定可靠性水平的器件，可以装机使用。是非破坏性的，通常是100%进行的，依据筛选大纲进行一次筛选是出厂检验，二筛是用户上机前进行的筛选，一方面可验证元器件的质量水平，另一方面使用方可根据自己的需要进行一定的补充筛选使元器件能满足自己的特殊需要。筛选程序分为非应力筛选和应力筛选，非应力筛选有目检、X射线检查、声学显微镜检查和电测试，应力筛选通常有温度循环、高温贮存和老练常见概念的关系10/19/20126二、失效分析的作用Ⅰ：早期失效Ⅱ：偶然失效Ⅲ：耗损失效找出产品失效的原因，提高产品的可靠性二、失效分析的作用－案例1－电阻端点陶瓷基板电阻层调整槽保护层案例1确认产品的缺陷－早期失效10/19/20127二、失效分析的作用－案例1－电阻•失效背景：1）样品：贴片电阻2）失效现象：不同位置的电阻在焊接后出现了阻值增大且不稳定的现象二、失效分析的作用－案例1－电阻•X-RAY形貌10/19/20128二、失效分析的作用－案例1－电阻•金相切片二、失效分析的作用-案例1－电阻•金相切片面电极印刷缺陷10/19/20129二、失效分析的作用-案例1－电阻SEM观察下Ag导电胶与面电极的互连形貌未发生异常互连异常二、失效分析的作用-案例2－发光二极管高温烘烤后样品I-V曲线跟未烘烤前无变化，仍为漏电，这说明样品的漏电不是由于离子导电所致。案例2确认环境因素对产品的影响－使用失效10/19/201210二、失效分析的作用-案例2－发光二极管从芯片开封来看，不管是机械开封还是化学开封样品，其芯片表面都有明显的击穿点，同时击穿点具有静电击穿的特征案例2－发光二极管静电击穿二、失效分析的作用-案例3－钽电解电容器案例3确认老化失效－耗损失效10/19/201211二、失效分析的作用-归零－陶瓷电容器国防工程中“双5归零”可以看到失效分析的重要作用技术归零5项定位准确机理清楚问题重现措施有效举一反三管理归零5项过程清楚责任明确严肃处理措施落实完善规章二、失效分析的作用-归零－陶瓷电容器型号：CT41L－1206－2C1－50V－104K使用情况：收发信机、同批次1518只、1只使用失效情况：整机调试阶段、360小时、常温失效失效模式：绝缘电阻不稳定（脉宽调制器的8脚，正常4.8V，失效时2.4V，拆卸和重装后都故障有复现）－－定位准确10/19/201212二、失效分析的作用-归零－陶瓷电容器绝缘电阻测试不稳定，在104至1010跳动－－问题重现二、失效分析的作用-归零－陶瓷电容器10/19/201213二、失效分析的作用-归零－陶瓷电容器失效机理：失效样品内电极之间的介质中存在大量大小不等的空洞，特别是个别大空洞超过相邻介质厚度一半，大空洞还与多个小空洞互连，减少了局部相邻介质的有效厚度，甚至直接形成贯穿性通道，使介质绝缘性能降低，极易导致局部漏电。结论：失效样品内部介质存在空洞，引起绝缘电阻不稳定，导致样品因漏电而失效。--机理清楚二、失效分析的作用-归零－陶瓷电容器10/19/201214对于失效样品不应该直接在其额定电压50V进行绝缘电阻测试；仅用酒精清洗方法来排除外部粘污影响的理由是不充分的；结论的得出没有相应试验的支撑。•体会1）必须有高度重视的态度；军工产品事无巨细，都必须重视2）必须具体严谨的态度二、失效分析的作用-归零－陶瓷电容器二、失效分析的作用-小结10/19/2012151）先非破坏性分析，后破坏性分析2）分析过程中不能引入新的失效机理3）先外部后内部三、失效分析技术-失效分析原则三、失效分析技术-失效分析程序失效信息收集外观检查电测应力试验故障模拟失效模式确认物理分析X-RAY扫描声学密封内部气氛PIND开封/制样定位失效点失效机理确认红外热像SEMFIBEMMISIMS/AES/XPS„编写报告10/19/201216三、失效分析技术-信息收集信息包括：基本信息和技术信息基本信息：•工作原理、结构、材料、工艺，功能参数；•主要和常见失效机理以及失效原因；•还有，出于管理需要的信息，包括样品来源、型号、批次、编号、时间、地点等（很重要－报告中应反映－真实性和唯一性）。技术信息：是判断可能的失效机理、制订失效分析方案设计的重要依据。特定使用应用信息整机故障现象﹑异常环境﹑在整机中的状态﹑应用电路、筛选应力、失效历史、失效比例、失效率及其随时间的变化等。特定生产工艺1)生产工艺条件和方法2)特种器件应先用好品开封了解和研究其结构特点三、失效分析技术-信息收集10/19/201217三、失效分析技术-外观检查失效样品标准规范有关标准和规范主要内容与失效可能的关系多余物沾污与附着极间漏电，功能失效机械损伤泄漏或内装部件损坏玻璃绝缘子破裂泄漏或内部短断路外壳腐蚀泄漏电损伤或电弧残迹内部电损伤、高压涂层(镀层)剥落，变色高温，极间漏电破裂、变形机械力、内部电烧外观三、失效分析技术-外观检查引脚交叉外壳弧形变形漏液10/19/201218三、失效分析技术-外观检查外观分析工具：目检体视显微镜金相显微镜„三、失效分析技术-电测目的：确认失效模式和失效管脚定位方法：与同批次好品同时进行测试和试验注意：电测试可能扩大原来的失效而掩盖原来的失效特征，以及引入新的失效。应结合失效模式和电测的本质设计测试项目和流程。10/19/201219三、失效分析技术-电测三、失效分析技术-电测•应力试验10/19/201220三、失效分析技术-电测合格判据R=2MΩ±10％样品编号R5#9#试验状态原始状态1MΩ左右跳动9kΩ左右跳动酒精擦洗105℃烘烤18h2.080，且稳定2.037MΩ，且稳定双85（+85℃，85％RH）20小时1.5M左右开始跳动到合格范围0.4M左右开始跳动，且阻值一直增加105℃烘烤48h2.081MΩ,且稳定2.037MΩ，且稳定应力试验三、失效分析技术-电测ElementWt%At%CK26.4539.10OK10.0411.14FK49.6946.44NaK00.8300.64AlK01.2300.81SiK00.5400.34PbM05.2100.45ClK00.2600.13AgL05.7400.9410/19/201221三、失效分析技术-电测电测工具：LCR网络分析仪图示仪高阻仪„三、失效分析技术-物理分析-X-RAY工作原理X射线检测是根据样品不同部位对X射线吸收率和透射率的不同，利用X射线通过样品各部位衰减后的射线强度检测样品内部缺陷的一种方法。透过材料的X射线强度I（x）随材料的X射线吸收系数u和厚度x作指数衰减：I（x）＝Ioexp(－ux)10/19/201222三、失效分析技术-物理分析-X-RAYX射线衰减的程度与样品的品种、厚度、密度有关。三、失效分析技术-物理分析-X-RAY穿过样品的X射线轰击到X射线敏感板上的磷涂层，并激发出光子，这些光子随后被摄像机探测到，然后对该信号进行处理放大，由计算机进一步分析或成像。处理后的灰度图像显示了被检查的物体密度或材料厚度的差异。材料的内部结构和缺陷对应于灰黑度不同的X射线影像图。10/19/201223三、失效分析技术-物理分析-X-RAY空间分辨率：亚微米量级；图像的放大倍数：～104；被检测物体的尺寸：数百毫米；被测物体水平旋转：3600，Z方向调整：±450的。技术指标三、失效分析技术-物理分析-X-RAY用途X射线透视仪一般用于检测电子元器件及多层印刷电路板的内部结构–内引线开路或短路–粘接缺陷–封装裂纹、空洞–桥连、立碑及器件漏装–焊点缺陷（PCB）–……10/19/201224三、失效分析技术-物理分析-X-RAY三、失效分析技术-物理分析-X-RAY•缺陷芯片粘接空洞陶瓷基板与金属管座粘接空洞10/19/201225三、失效分析技术-物理分析-X-RAY•内部结构从侧视图发现焊球脱开三、失效分析技术-物理分析-X-RAY•小结快速、直观、无损观察效果与被观测物对象的密度、厚度有关小缺陷(裂纹、孔洞)比较困难深度分析困难无法观察器件内部界面分层10/19/201226三、失效分析技术-物理分析-扫描声学超声波基础•超声波指的是频率高于20KHz的声波，超过10MHz的超声波不能穿透空气。（检测中应用的超声波频率通常超过10MHz。）•扫描声学显微中利用到的主要优点：•能在液体或固体材料中自由传输；•声波会在材料界面，内部缺陷或材料变化的地方发生反射；•能够聚焦，能够沿直线传输；•对材料非破坏性。三、失效分析技术-物理分析-扫描声学工作原理超声波在介质中传输时，若遇到不同密度或弹性系数的物质，会产生反射回波，而此种反射回波强度会因材料密度不同而有所差异，扫描声学显微镜利用此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收的信号变化将它转换成图像10/19/201227三、失效分析技术-物理分析-扫描声学频率范围：（1～500）MHz空间分辨率：0.1μm扫描面积达到：0.25～300mm各种扫描模式：–超声波传输时间测量（A扫描）–纵向截面成像（B扫描）、–X/Y二维成像（C、D、G、X扫描）–三维扫描与成像。–T-扫描方式：检测透射信号技术指标三、失效分析技术-物理分析-扫描声学CSAM是的重要技术手段之一，与X射线分析具有互补性对平直界面不连续性缺陷十分灵敏特别适合塑料封装器件内部分层分析，也适合器件、印制电路板上热沉焊接的分析结合破坏性手段，可以用于焊点的分析。对设备配置和操作员经验有一定要求复杂情况下的超声分