電子元器件分析技術第一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日基本概念和失效分析技術第一部分第二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效的概念失效定義1特性劇烈或緩慢變化2不能正常工作3不能自愈失效種類1致命性失效：如過電應力損傷2緩慢退化：如MESFET的IDSS下降3間歇失效：如塑封器件隨溫度變化間歇失效第三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效物理模型應力－強度模型失效原因：應力>強度強度隨時間緩慢減小如:過電應力（EOS）、靜電放電（ESD）、閂鎖（latchup)應力－時間模型（反應論模型）失效原因：應力的時間累積效應，特性變化超差。如金屬電遷移、腐蝕、熱疲勞第四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日溫度應力－時間模型M溫度敏感參數,E激活能,k玻耳茲曼常量,T絕對溫度,t時間,A常數T大,反應速率dM/dt大，壽命短E大，反應速率dM/dt小，壽命長第五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日溫度應力的時間累積效應失效原因：溫度應力的時間累積效應，特性變化超差第六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日與力學公式類比第七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效物理模型小結應力－強度模型：不考慮激活能和時間效應，適用于偶然失效，失效過程短，特性變化快，屬劇烈變化，失效現象明顯。.應力－時間模型（反應論模型）：需考慮激活能和時間效應，適用于緩慢退化，失效現象不明顯。第八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日明顯失效現象可用應力－強度模型來解釋如：與電源相連的金屬互連線燒毀是由浪涌電壓超過器件的額定電壓引起。第九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日可靠性評價的主要內容產品抗各種應力的能力產品的平均壽命第十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日預計平均壽命的方法1求激活能E

LnL1LnL21/T21/T1B第十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日預計平均壽命的方法2求加速系數F試驗獲得高溫T1的壽命為L1,低溫T2壽命為L2,可求出F第十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日預計平均壽命的方法由高溫壽命L1推算常溫壽命L2F=L2/L1對指數分布L1=MTTF=1/λλ失效率第十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效分析的概念失效分析的定義失效分析的目的確定失效模式確定失效機理提出糾正措施，防止失效重復出現

第十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效模式的概念和種類失效的表現形式叫失效模式按電測結果分類：開路、短路或漏電、參數漂移、功能失效第十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效機理的概念失效的物理化學根源叫失效機理。例如開路的可能失效機理：過電燒毀、靜電損傷、金屬電遷移、金屬的電化學腐蝕、壓焊點脫落、CMOS電路的閂鎖效應漏電和短路的可能失效機理：顆粒引發短路、介質擊穿、pn微等離子擊穿、Si-Al互熔第十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效機理的概念（續）參數漂移的可能失效機理：封裝內水汽凝結、介質的離子沾污、歐姆接觸退化、金屬電遷移、輻射損傷第十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日引起失效的因素材料、設計、工藝環境應力環境應力包括：過電、溫度、濕度、機械應力、靜電、重復應力時間第十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效分析的作用確定引起失效的責任方（用應力－強度模型說明）確定失效原因為實施整改措施提供確鑿的證據第十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日舉例說明：失效分析的概念和作用某EPROM使用后無讀寫功能失效模式：電源對地的待機電流下降失效部位：部分電源內引線熔斷失效機理：閂鎖效應確定失效責任方：模擬試驗改進措施建議：改善供電電網，加保護電路第二十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日某EPROM的失效分析結果由于有CMOS結構，部分電源線斷，是閂鎖效應。第二十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日模擬試驗確定失效責任方

觸發電流：350mA觸發電流：200mA維持電壓：2.30V維持電壓：8.76V（技術指標：電源電壓：5V觸發電流>200mA）第二十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效分析的受益者元器件廠：獲得改進產品設計和工藝的依據整機廠：獲得索賠、改變元器件供貨商、改進電路設計、改進電路板制造工藝、提高測試技術、設計保護電路的依據整機用戶：獲得改進操作環境和操作規程的依據提高產品成品率和可靠性，樹立企業形象，提高產品競爭力第二十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效分析技術的延伸進貨分析的作用：選擇優質的供貨渠道，防止假冒偽劣元器件進入整機生產線良品分析的作用：學習先進技術的捷徑第二十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效分析的一般程序收集失效現場數據電測并確定失效模式非破壞檢查打開封裝鏡檢通電并進行失效定位對失效部位進行物理化學分析，確定失效機理綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施第二十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日收集失效現場數據

作用：根據失效現場數據估計失效原因和失效責任方根據失效環境：潮濕、輻射根據失效應力：過電、靜電、高溫、低溫、高低溫根據失效發生期:早期、隨機、磨損失效現場數據的內容第二十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日水汽對電子元器件的影響電參數漂移外引線腐蝕金屬化腐蝕金屬半導體接觸退化第二十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日輻射對電子元器件的影響參數漂移、軟失效例：n溝道MOS器件閾值電壓減小第二十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效應力與失效模式的相關性過電：pn結燒毀、電源內引線燒毀、電源金屬化燒毀靜電：MOS器件氧化層擊穿、輸入保護電路潛在損傷或燒毀熱：鍵合失效、Al-Si互溶、pn結漏電熱電：金屬電遷移、歐姆接觸退化高低溫：芯片斷裂、芯片粘接失效低溫：芯片斷裂第二十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效發生期與失效機理的關系早期失效：設計失誤、工藝缺陷、材料缺陷、篩選不充分隨機失效：靜電損傷、過電損傷磨損失效：元器件老化隨機失效有突發性和明顯性早期失效、磨損失效有時間性和隱蔽性第三十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效發生期與失效率

失效率時間隨機磨損早期第三十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日以失效分析為目的的電測技術電測在失效分析中的作用重現失效現象，確定失效模式，縮小故障隔離區，確定失效定位的激勵條件，為進行信號尋跡法失效定位創造條件電測的種類和相關性連接性失效、電參數失效和功能失效第三十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日電子元器件失效分析的簡單實用測試技術（一）連接性測試：萬用表測量各管腳對地端/電源端/另一管腳的電阻，可發現開路、短路和特性退化的管腳。電阻顯著增大或減小說明有金屬化開路或漏電部位。待機(standby)電流測試:所有輸入端接地（或電源），所有輸出端開路，測電源端對地端的電流。待機(standby)電流顯著增大說明有漏電失效部位。待機(standby)電流顯著減小說明有開路失效部位。第三十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日電子元器件失效分析的簡單實用測試技術（二）各端口對地端/電源端的漏電流測試（或I——V測試）,可確定失效管腳。特性異常與否用好壞特性比較法確定。第三十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日待機(standby)電流顯著減小的案例由于閂鎖效應某EPROM的兩條電源內引線之一燒斷。第三十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日待機(standby)電流偏大的案例TDA7340S音響放大器電路用光發射顯微鏡觀察到漏電部位第三十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日由反向I－V特性確定失效機理第三十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日由反向I－V特性確定失效機理直線為電阻特性，pn結穿釘，屬嚴重EOS損傷。反向漏電流隨電壓緩慢增大，pn結受EOS損傷或ESD損傷。反向擊穿電壓下降，pn結受EOS損傷或ESD損傷。第三十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日由反向I－V特性確定失效機理反向擊穿電壓不穩定：芯片斷裂、芯片受潮烘烤變化與否可區分離子沾污和靜電過電失效第三十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日烘焙技術1應用范圍：漏電流大或不穩定、阻值低或不穩定、器件增益低、繼電器接觸電阻大2用途：確定表面或界面受潮和沾污3方法：高溫儲存、高溫反偏第四十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日清洗技術應用范圍：離子沾污引起的表面漏電用途：定性證明元器件受到表面離子沾污方法：無水乙醇清洗去離子水沖洗（可免去）烘干第四十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日烘焙和清洗技術的應用舉例彩電圖像模糊的失效分析第四十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日烘焙和清洗技術的應用舉例雙極型器件的反向靠背椅特性是鈍化層可動離子沾污的結果，可用高溫反偏和高溫儲存來證實。第四十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日失效分析的發展方向失效定位成為關鍵技術非破壞非接觸高空間分辨率高靈敏度第四十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日無損失效分析技術無損分析的重要性(從質檢和失效分析兩方面考慮)檢漏技術X射線透視技術用途：觀察芯片和內引線的完整性反射式掃描聲學顯微技術用途：觀察芯片粘接的完整性，微裂紋，界面斷層第四十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日檢漏技術粗檢：負壓法、氟碳加壓法細檢：氦質譜檢漏法第四十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日負壓法檢漏酒精接機械泵第四十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日氟碳加壓法FC43沸點180CF113沸點47.6C加熱至125C第四十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日X射線透視與反射式聲掃描比較第四十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日X射線透視舉例FPGA電源內引線燒斷第五十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日C－SAM像舉例功率器件芯片粘接失效塑封IC的管腳與塑料分層第五十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日樣品制備技術種類：打開封裝、去鈍化層、去層間介質、拋切面技術、去金屬化層作用：增強可視性和可測試性風險及防范：監控第五十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日打開塑料封裝的技術濃硫酸和發煙硝酸腐蝕法第五十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日去鈍化層的技術濕法：如用HF：H2O＝1：1溶液去SiO285％HPO3溶液，溫度160C去Si3N4干法：CF4和O2氣體作等離子腐蝕去SiNx和聚酰亞胺干濕法對比第五十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日去鈍化層的監控觀察壓焊點第五十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日去層間介質作用：多層結構芯片失效分析方法：反應離子腐蝕特點：材料選擇性和方向性結果第五十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日腐蝕的方向性無方向性：金屬互連失去依托有方向性：金屬互連有介質層作依托第五十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日去金屬化Al層技術作用配方：30％HCl或30％H2SO4KOH、NaOH溶液應用實例：pn結穿釘第五十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日拋切面技術環氧固化、剖切、研磨第五十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日形貌象技術光學顯微術：分辨率3600A，倍數1200X景深小，構造簡單對多層結構有透明性，可不制樣掃描電子顯微鏡：分辨率50A，倍數10萬景深大，構造復雜對多層結構無透明性，需制樣第六十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日以測量電壓效應為基礎的失效定位技術用途：確定斷路失效點位置主要失效定位技術：掃描電鏡的電壓襯度象機械探針的電壓和波形測試電子束測試系統的電壓和波形測試第六十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日SEM電壓襯度象原理金屬化層負電位為亮區，零或正電位為暗區第六十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日電子束測試技術用途：（與IC測試系統相比較）測定芯片內部節點的電壓和波形，進行芯片失效定位（電鏡+電子束探頭示波器）特點：（與機械探針相比較）高空間分辨率，非接觸，無電容負載，容易對準被測點第六十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日機械探針與電子探針比較直流電壓、交流電壓、脈沖電壓電壓精度高，用于模擬電路、數字電路信號注入、信號尋跡接觸性探針，需去鈍化層有負載，波形易變形空間分辨率差交流電壓、脈沖電壓電壓精度低，用于數字電路信號尋跡非接觸性探針，不需去鈍化層無負載，波形不變形空間分辨率高第六十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日由設計版圖確定電子束探測點用波形比較法進行設計驗證CAD設計版圖芯片實時象第六十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日用EBT進行失效分析實例80腳進口HD63B03微處理器單元手工焊正常載流焊，90％發生多腳開路失效原因改進建議第六十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日80腳進口HD63B03微處理器單元失效分析引線框架密封不良的IC的反射聲學顯微圖象第六十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日以測量電流效應為基礎的失效定位技術紅外熱象技術用途：熱分布圖，定熱點光發射顯微鏡用途：微漏電點失效定位柵氧化層缺陷，pn結缺陷，閂鎖效應電子束感生電流象用途：pn結缺陷第六十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日改進前后的混合電路熱分布圖第六十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日FPGA第七十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日EMM確定CMOS電路閂鎖效應易發區閂鎖效應的外因和內因閂鎖效應的危害閂鎖效應的預防增強薄弱環節EMM的作用失效定位第七十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日單端輸出束感生電流象（EBIC）EBIC的用途：用SEM觀察pn結缺陷傳統EBIC用雙端輸出，每次只能觀察一個結單端輸出EBIC可同時觀察芯片所有pn結的缺陷，適用于VLSI失效分析例某CMOS電路的EBIC第七十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日原理第七十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日CMOS電路的束感生電流象第七十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日封裝內部氣體成份分析封裝內部水汽和腐蝕性氣體的危害：引起芯片表面漏電，器件電特性不穩定腐蝕金屬化層直至開路檢測法內置傳感器露點檢測質譜分析第七十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日露點檢測1應用范圍:氣密性封裝內部水汽濃度2原理:露點與水汽濃度相關3方法:通過降溫確定器件的水汽敏感電特性的突變溫度(露點)第七十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期日質譜分析結果其