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1、电子元器件失效分析技术,信息产业部电子五所 可靠性分析中心 费庆宇,基本概念和失效分析技术,第一部分,失效的概念,失效定义1 特性剧烈或缓慢变化2 不能正常工作3 不能自愈失效种类1 致命性失效：如过电应力损伤2 缓慢退化：如MESFET的IDSS下降3 间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效,失效物理模型,应力强度模型 失效原因：应力强度 强度随时间缓慢减小 如:过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（latch up)应力时间模型（反应论模型）失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳,温度应力时间模型,M温度敏感参数,E激活能,k 玻耳兹曼常量,T绝对温
2、度,t时间,A常数T大,反应速率dM/dt 大，寿命短E大，反应速率dM/dt 小，寿命长,温度应力的时间累积效应,失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差,与力学公式类比,失效物理模型小结,应力强度模型：不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显。.应力时间模型（反应论模型）：需考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显。,明显失效现象可用应力强度模型来解释,如：与电源相连的金属互连线烧毁是由浪涌电压超过器件的额定电压引起。,可靠性评价的主要内容,产品抗各种应力的能力产品的平均寿命,预计平均寿命的方法,1求激活能 E,Ln L1,
3、Ln L2,1/T2,1/T1,B,预计平均寿命的方法,2 求加速系数F,试验获得高温T1的寿命为L1,低温T2寿命为L2,可求出F,预计平均寿命的方法,由高温寿命L1推算常温寿命L2F=L2/L1对指数分布L1=MTTF=1/失效率,失效分析的概念,失效分析的定义失效分析的目的 确定失效模式 确定失效机理 提出纠正措施，防止失效重复出现,失效模式的概念和种类,失效的表现形式叫失效模式按电测结果分类：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。例如开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMOS电路的闩锁效应漏电
4、和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔,失效机理的概念（续）,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、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤,引起失效的因素,材料、设计、工艺环境应力 环境应力包括：过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力时间,失效分析的作用,确定引起失效的责任方（用应力强度模型说明）确定失效原因为实施整改措施提供确凿的证据,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
5、,某EPROM的失效分析结果,由于有CMOS结构，部分电源线断，是闩锁效应。,模拟试验确定失效责任方,触发电流：350mA 触发电流：200mA 维持电压：2.30V 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,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
6、习先进技术的捷径,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,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,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,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
7、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,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
8、数失效和功能失效,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(stand by)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(stand by)电流显著增大说明有漏电失效部位。待机(stand by)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IV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。,待机(stand by)电流显著减小的案例
9、,由于闩锁效应某EPROM的两条电源内引线之一烧断。,待机(stand by)电流偏大的案例TDA7340S音响放大器电路,用光发射显微镜观察到漏电部位,由反向IV特性确定失效机理,由反向IV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IV特性确定失效机理,反向击穿电压不稳定：芯片断裂、芯片受潮烘烤变化与否可区分离子沾污和静电过电失效,烘焙技术,1应用范围：漏电流大或不稳定、阻值低或不稳定、器件增益低、继电器接触电阻大2用途：确定表面或界面受潮和沾污3方法：高
10、温储存、高温反偏,清洗技术,应用范围：离子沾污引起的表面漏电用途：定性证明元器件受到表面离子沾污方法：无水乙醇清洗 去离子水冲洗（可免去）烘干,烘焙和清洗技术的应用举例,彩电图像模糊的失效分析,烘焙和清洗技术的应用举例,双极型器件的反向靠背椅特性是钝化层可动离子沾污的结果，可用高温反偏和高温储存来证实。,失效分析的发展方向,失效定位成为关键技术非破坏非接触高空间分辨率高灵敏度,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)检漏技术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,检漏技术,粗检：负压法、氟碳加压
11、法细检：氦质谱检漏法,负压法检漏,酒精,接机械泵,氟碳加压法,FC43 沸点180C,F113沸点47.6C,加热至125C,X射线透视与反射式声扫描比较,X射线透视举例,FPGA电源内引线烧断,CSAM像举例,功率器件芯片粘接失效塑封IC的管脚与塑料分层,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,浓硫酸和发烟硝酸腐蚀法,去钝化层的技术,湿法：如用HF：H2O1：1溶液去SiO2 85 HPO3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
12、的监控,观察压焊点,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,无方向性：金属互连失去依托有方向性：金属互连有介质层作依托,去金属化Al层技术,作用配方：30HCl 或 30H2SO4 KOH、NaOH溶液应用实例：pn结穿钉,抛切面技术,环氧固化、剖切、研磨,形貌象技术,光学显微术：分辨率3600A，倍数1200X 景深小，构造简单 对多层结构有透明性，可不制样扫描电子显微镜：分辨率50A，倍数10万 景深大，构造复杂 对多层结构无透明性，需制样,以测量电压效应为基础的失效定位技术,用途：确定断路失效点位置主要失效定位技术：扫描电镜的电
13、压衬度象机械探针的电压和波形测试电子束测试系统的电压和波形测试,SEM电压衬度象原理,金属化层负电位为亮区，零或正电位为暗区,电子束测试技术,用途：（与IC测试系统相比较）测定芯片内部节点的电压和波形，进行芯片失效定位（电镜+电子束探头示波器）特点：（与机械探针相比较）高空间分辨率，非接触，无电容负载，容易对准被测点,机械探针与电子探针比较,直流电压、交流电压、脉冲电压电压精度高，用于模拟电路、数字电路信号注入、信号寻迹接触性探针，需去钝化层有负载，波形易变形空间分辨率差,交流电压、脉冲电压电压精度低，用于数字电路信号寻迹非接触性探针，不需去钝化层无负载，波形不变形空间分辨率高,由设计版图确定
14、电子束探测点用波形比较法进行设计验证,CAD设计版图,芯片实时象,用EBT进行失效分析实例,80脚进口HD63B03微处理器单元手工焊正常载流焊，90发生多脚开路失效原因改进建议,80脚进口HD63B03微处理器单元失效分析,引线框架密封不良的IC的反射声学显微图象,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,改进前后的混合电路热分布图,FPGA,EMM确定CMOS电路闩锁效应易发区,闩锁效应的外因和内因闩锁效应的危害闩锁效应的预防 增强薄弱环节EMM的作用
15、失效定位,单端输出束感生电流象（EBIC）,EBIC的用途：用SEM观察pn结缺陷传统EBIC用双端输出，每次只能观察一个结单端输出EBIC可同时观察芯片所有pn结的缺陷，适用于VLSI失效分析例某CMOS电路的EBIC,原理,CMOS电路的束感生电流象,封装内部气体成份分析,封装内部水汽和腐蚀性气体的危害：引起芯片表面漏电，器件电特性不稳定腐蚀金属化层直至开路检测法内置传感器露点检测质谱分析,露点检测,1应用范围:气密性封装内部水汽浓度2 原理:露点与水汽浓度相关3 方法:通过降温确定器件的水汽敏感电特性的突变温度(露点),质谱分析结果,其它结果为：气体总压强，氧，氩，氢，CO2，酒精，甲醇
16、，碳氢化合物仪器灵敏度：水汽 100ppm,其它气体 10ppm,用SEM进行VLSI金属化层晶粒结构的定量分析,1.定量分析的重要性适当增大晶粒尺寸可增加铝金属层抗电迁移能力定量测定VLSI铝金属化层晶粒尺寸，有助于控制工艺条件，制备高可靠的铝金属化层,用SEM进行VLSI金属化层晶粒结构的定量分析,2.定量分析方法SEM图象数字分析软件，可统计出金属化层任意区域不同晶粒尺寸范围的晶粒数目，用于VLSI金属化工艺的统计工艺控制，是观念上的创新。,固态器件微区化学成份分析,ISP在过电应力作用下金属化层的热电迁移照片和连接物的能谱分析结果,X射线能谱分析确定铝金属桥接,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,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,电路修改,
