电子产品可靠性试验及失效分析论文.docx
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电子产品可靠性试验及失效分析论文
毕业设计报告（论文）
报告（论文）题目：
电子产品可靠性试验
及失效分析
作者所在系部：
电子工程系
作者所在专业：
电子工艺与管理
作者所在班级：
10252
作者姓名：
作者学号：
指导教师姓名：
完成时间：
2013年6月6日
北华航天工业学院教务处制
北华航天工业学院电子工程系
毕业设计（论文）任务书
姓名：
专业：
电子工艺与管理
班级：
10252
学号：
指导教师：
职称：
讲师
完成时间：
2013年6月6日
毕业设计（论文）题目：
电子产品可靠性试验及失效分析
设计目标：
通过芯片的可靠性试验和失效分析，帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷、工艺参数的不匹配或设计与操作中的不当等问题。
技术要求：
1.能够确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量。
2.通过失效分析得到正确的分析结果，找到失效产生的根源。
3.进行封装失效的研究，提高产品的可靠性。
所需仪器设备：
计算机一台金相显微镜分析探针台
成果验收形式：
试工日志毕业论文
参考文献：
《电子元器件失效分析技术》、《可靠性分析在新产品研发中的作用》、《可靠性工程概述》
时间
安排
1
5周---6周
立题论证
3
9周---13周
试工日志
2
7周---8周
论文总结
4
14周---16周
成果验收
指导教师：
教研室主任：
系主任：
摘要
电子信息技术是当今新技术革命的核心，其技术基础是电子元器件，其中大部分的是微电子器件。
而可靠性就是IC产品的生命，好的品质及使用的耐力是一颗优秀IC产品的竞争力所在。
在做产品验证时我们往往会遇到三个问题，验证什么，如何去验证，哪里去验证，验证后的结果分析,如何进行提高。
解决了这些问题，可靠性就有了保证，制造商才可以大量地将产品推向市场，客户才可以放心地使用产品。
与此同时，集成电路在研制、生产和使用过程中失效又不可避免，随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高，失效分析工作也显得越来越重要，通过芯片失效分析，可以帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷、工艺参数的不匹配或设计与操作中的不当等问题。
关键词电子产品可靠性芯片封装失效分析
目录
第1章绪论1
1.1产品可靠性与封装失效1
1.1.1电子产品可靠性1
1.1.2芯片封装失效1
1.2电子产品可靠性试验的目的1
1.3失效分析概述及发展现状2
第2章电子产品的可靠性试验4
2.1电子产品的可靠性指标4
2.2可靠性试验的特点和分类4
2.3可靠性测试内容5
2.4可靠性试验方案的设计5
2.4.1试验类型的选择5
2.4.2环境条件及应力的确定6
2.4.3统计试验方案的参数确定6
2.5可靠性试验的数据分析与处理7
2.5.1可靠性试验的数据分析方法7
2.5.2电子设备产品可靠性试验数据的处理7
第3章芯片封装的失效分析8
3.1失效的分类8
3.2芯片失效分析的主要步骤和内容9
3.3封装失效分析的流程10
3.4失效分析中的破坏性物理分析和显微分析方法11
3.4.1破坏性物理分析11
3.4.2常用的显微分析技术12
3.5芯片封装失效分析的意义15
第4章结论17
致谢18
参考文献19
附录20
电子产品可靠性试验及失效分析
第1章绪论
1.1产品可靠性与封装失效
1.1.1电子产品可靠性
随着电子技术的发展，我们对电子设备产品也提出了更高的要求。
由于设备技术性能和结构要求等方面的提高，可靠性问题愈显突出。
如果没有可靠性保证，高性能指标是没有任何意义的，现代用户买产品就是买可靠性，对生产厂家来说，可靠性就是信誉，就是市场，就是经济效益。
从整机来讲，可靠性贯穿于设计、生产、管理中。
从部件、元器件的角度来讲，电子元器件的可靠性水平决定了整机的可靠性程度。
可靠性属于质量的范畴，是产品质量的时间函数。
从基本概念上讲，可靠性指标与质量的性能指标所强调的内容是不同的，可靠性的基本概念与时间有关，这些基本概念的具体化，就是产品故障或寿命特征的数学模型化。
只有通过可靠性试验才能确定产品故障或寿命特征符合哪一种数学分布，才可以决定产品的可靠性指标，进而推算产品的可靠程度。
1.1.2芯片封装失效
目前微电子产业已经相对独立为设计，制造，封装这三个方面。
在这三方面中，封装占了大约25％-35％的比重，并且随着微电子产业的发展，占的比重越来越大。
在这些元器件流向市场，并到最终运用过程中，封装起着巨大的作用，输入输出互连，保护和散热都是这些作用中的一部分。
封装用的材料众多，材料与材料之间的性能也各有差异，这些性能的失配将在使用过程中产生各种应力，并导致元器件的相关封装失效。
在目前微电子产业中，元器件的失效至少有1/3都是由封装引起的。
随微电子产业的发展，元器件朝着高密度化，轻型化，小型化，薄型化的方向发展，封装中常见的一些失效使封装就成为这个发展的瓶颈。
了解这些封装失效的原理和分类，对进行封装失效的研究，提高产品的可靠性是很有帮助的。
1.2电子产品可靠性试验的目的
可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。
试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。
具体目的有：
1．发现产品的设计、元器件、零部件、原材料和工艺等方面的各种缺陷；
2.为改善产品的完好性、提高任务成功性、减少维修人力费用和保障费用提供信息；
3.确认是否符合可靠性定量要求。
为实现上述目的，根据情况可进行试验室试验或现场试验。
试验室试验是通过一定方式的模拟试验，试验剖面要尽量符合使用的环境剖面，但不受场地的制约，可在产品研制、开发、生产、使用的各个阶段进行。
具有环境应力的典型性、数据测量的准确性、记录的完整性等特点。
通过试验可以不断地加深对产品可靠性的认识，并可为改进产品可靠性提供依据和验证。
现场试验是产品在使用现场的试验，试验剖面真实但不受控，因而不具有典型性。
因此，必须记录分析现场的环境条件、测量、故障、维修等因素的影响，即便如此，要从现场试验中获得及时的可靠性评价信息仍然困难，除非用若干台设备置于现场使用直至用坏，忠实记录故障信息后才有可能确切地评价其可靠性。
当系统规模庞大、在试验室难以进行试验时，则样机及小批产品的现场可靠性试验有重要意义。
1.3失效分析概述及发展现状
失效分析，作为可靠性技术的重要组成部分，伴随集成电路的出现而已经存在很多年了。
现在，国外的失效分析技术已经很成熟。
国内的失效分析起步较晚,于20世纪50年代开始于军事方面的研究需求,运用范围比较窄。
于70年代开始,我国的失效分析开始进入实践阶段,运用于航空航天领域的失效研究。
80年代我国的失效分析研究取得了长足的进步,进入民用集成电路,扩大了运用范围,并相继制定了一系列相关的失效标准。
自封装在国内发展以来，我国素有“世界封装工厂”之称，但是纵观国内每年封装排名前十的企业中，大多是外资或者合资企业，真正的本土产业少。
而从封装的产品的形式来看，多数是DIP等分立器件的封装，而真正的BGA，CSP等大型集成电路的封装少；从产品的寿命和质量上看，比国外和国内的外资企业封装的产品要差；据调查法国的SGS-THOMSON公司可靠器件生产线封装时，公司的水汽含量内控标准是30ppm，实测值是2ppm；国内调查了20个为卫星提供半导体器件的国内可靠性厂，有1/3的生产厂不做内部水汽含量控制，这些容易导致器件在使用过程失效。
国内产业在失效分析力度的不够是造成这些的原因之一。
国内的失效分析，就失效分析设备的硬件水平来说，大多数硬件属于比较老式的分析仪器，少数研究所采用了较先进的分析仪器，但是毕竟没有大规模的运用，这样就限制了国内整体的失效分析的水平，在未来的新的失效分析设备的开发上，国内也落后于国外，例如SEM,SAM等这样常用的分析设备，基本上还是靠国外进口；在失效分析管理上来说，国外很早就建立各种器件失效和可靠性的相关标准来对器件的可靠性进行严格的保证，并且对每次进行的失效分析和所获得的相关失效模式，失效原因等都进行系统化管理，建立了庞大的失效分析数据库，而国内同样也建立一些失效和可靠性的相关标准，但是在失效管理上没有达到国外的水平，系统化，网络化也只是处于发展初期；失效分析软件作为失效分析的一种主要的辅助工具，也代表了失效分析的发展水平；国外的失效分析起步比较早，现在发展到比较成熟的阶段，有很多软件开发公司，各种应力分析软件，可靠性预测软件等品种繁多；国内的这方面起步比较晚，主要是靠进口国外的失效分析软件，并进行了一些自主开发；在国外各种可靠性和失效的学术交流进行很活跃，例如国际可靠性物理会议及国际可靠性与可维修性会议每年进行一次；就国内来说，随着我国失效分析技术的发展，相关的国际会议在我国的陆续的进行，国内的学术交流也在逐渐的形成一个良好的氛围，但是仍然处于初步发展阶段。
在集成电路不断发展，电路的集成度的不断提高，工艺的线宽不断减小的今天，器件的缺陷会变得的更小，达到纳米的数量级；新的封装新式的出现，倒装片要求非破坏性和背部探伤的失效分析技术的发展与完善；新的工艺材料和封装材料的引入，会引入新的失效和缺陷等等。
在未来发展的过程中，无论是失效根源的查找，还是失效的预防，还是可靠性设计方面，要真正的发展我国的封装产业，并建立“世界封装厂”，失效分析技术扮演的角色越来越重要。
第2章电子产品的可靠性试验
2.1电子产品的可靠性指标
大量统计资料证明：
电子设备产品的失效分布一般服从指数分布。
从电子设备产品及许多电子元器件的失效机理来看，随着时间的足够长，失效率趋近于一个稳定值，其基本特征可以用指数函数的曲线相比拟，即服从指数分布，因此电子设备产品的可靠性指标有：
可靠度R（t）：
累积失效概率
：
失效密度函数
：
平均故障间隔时间MTBF:
由上可看出在指数分布时产品的可靠性指标表示式比较简单，并且失效率λ是一个常数。
在进行电子设备产品可靠性分析时，只要得到λ的数值，其它指标就可以直接算出来。
2.2可靠性试验的特点和分类
电子设备产品的可靠性指标是一些综合性、统计性的指标，与质量性能指标完全不同，不可能用仪表、仪器或其它手段得到结果，而是要通过试验，从试验的过程中取得必要的数据，然后通过数据分析，处理才能得到可靠性指标的统计量。
可靠性指标的实现主要依靠现场试验或模拟现场条件试验，所以可靠性试验不同于一般设备的性能试验。
从广义上讲，为了了解、评价、分析和提高电子设备产品的可靠性水平而进行的试验，可以用来确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量。
一般说电子设备产品的可靠性试验可以分为研制阶段的试验，可靠性验收试验，可靠性增长试验，元器件老炼试验，极限试验，负荷及过负荷试验，过载能力试验等，这类试验的目的是了解设计是否满足了可靠性指标的要求，找出或排除设计与制造过程中的缺限和不足，证明设计可靠性能否实现，因而可靠性试验可以根据设备研制过程中的不同阶段，不同要求进行各种不同的试验。
对于不同的电子设备产品，所要达到的目的不同，可以进行的可靠性试验形式也就各异，因此可靠性试验对于电子设备产品来说是一个系统工程，电子设备产品的可靠性试验可以归纳为以下几大类型（如图2-1所示）。
图2-1可靠性试验的类型
2.3可靠性测试内容
可靠性测试应该在可靠性设计之后，但目前我国的可靠性工作主要还是在测试阶段，这里将测试放在前面。
为了测得产品的可靠度（也就是为了测出产品的MTBF），我们需要拿出一定的样品，做较长时间的运行测试，找出每个样品的失效时间，根据第一节的公式计算出MTBF，当然样品数量越多，测试结果就越准确。
但是，这样的理想测试实际上是不可能的，因为对这种测试而言，要等到最后一个样品出现故障――需要的测试时间长得无法想象，要所有样品都出现故障——需要的成本高得无法想象。
为了测试可靠性，这里介绍：
加速测试，使缺陷迅速显现；经过大量专家、长时间的统计，找到了一些增加应力的方法，转化成一些测试的项目。
如果产品经过这些项目的测试，依然没有明显的缺陷，就说明产品的可靠性至少可以达到某一水平，经过换算可以计算出MTBF。
2.4可靠性试验方案的设计
电子设备产品可靠性试验计划的基本内容应含有：
（1）试验的目的和要求；
（2）试验样机数量；（3）试验条件（环境、维修等）；（4）试验类型的确定和统计试验方案的选择；（5）判断方法、失效判据，故障判据等等。
这里需要指出的是样机数量，对于可靠性增长试验，试验样机多一些是必要的，对鉴定和接收试验来说，样机多一些可以提高试验结果的置信度。
一般鉴定试验不足三台则全数试验。
接收试验不得少于3台，推荐样机数量为每批设备的10%。
总之可靠性试验方案要根据电子设备产品的实际使用条件和故障特征选择合适的试验方案。
2.4.1试验类型的选择
1．老产品已生产多年，未进行可靠性设计，现产品的生命力较强，需要继续生产，可选择可靠性测定试验，测出设备的MTBF验证值，同时根据暴露的问题采取措施，提高产品的可靠性。
2．新产品处于设计试制阶段，可通过可靠性试验暴露产品中的薄弱环节，以便采取改进措施，提高产品的固有可靠性，可选择可靠性增长试验。
3．新产品设计定型、生产定型和产品创优，可选择可靠性鉴定试验，一般情况下选用定时截尾或定数截尾试验方案，以对产品的MTBF真值作出估计。
4．根据供需双方鉴定的合同规定，需要对产品的MTBF真值作验证的，可选择可靠性验收试验，采用定时截尾或定数截尾试验方案。
若供需双方鉴定的合同规定，只要通过了系统试验方案就可交货，不需对产品的MTBF真值作出估计，可选用概率比序试验方案，这种情况特别适用单台大型电子设备产品。
2.4.2环境条件及应力的确定
根据使用方向生产方提供的电子设备产品任务书或供需双方签订的合同，搞清电子设备产品在工作时所处的环境条件及给予它的应力。
如果无特殊要求，应按电子设备产品总技术条件要求，在试验室模拟进行，一般情况下可采用图2-2所加的应力及循环方式。
图2-2电子设备可靠性试验方案所加的应力及循环方式
2.4.3统计试验方案的参数确定
1．θ0（可接收的MTBF值）的确定。
θ0应小于等于θ′（θ′是按照电子设备产品所处的环境条件和应力，用可靠性预计方法确定的MTBF值）。
θ0确定之后，根据选择的鉴别比Dm（Dm=θ0/θ1），就可以计算出θ1（θ1指最低可接受的MTBF值）。
2．生产方风险率α、使用方风险率β的选择。
一般情况下，供需双方签订的合同（包括协议书）已定的可按合同执行。
如果合同无规定，或是生产厂家自行验证，一般情况下可选择0.2～0.3，高风险可选择0.3～0.4。
3．试验时间t的选择。
除与α、β有关外，主要取决于电子设备产品属于何种类型，该设备能否长时间进行可靠性试验，试验费用的大小。
2.5可靠性试验的数据分析与处理
2.5.1可靠性试验的数据分析方法
可靠性试验的数据分析的基础就是产品寿命分布函数及参量之间的关系。
例如故障与应力（电、热、振动、温度等）的对应关系；故障与产品早期性能变化的规律等，这些包含有两个变量的数据，在分析时就可用相关及回归分析方法，或用最小二乘法，从试验中取得的数据，可以制成各种图，如直方图，拆线图等，拟合成直线、曲线用以确定产品故障（寿命）的数学模型，由模型就可写出其可靠性指标，最后推算出该产品的可靠性参数值。
2.5.2电子设备产品可靠性试验数据的处理
可靠性试验的数据是一些实际的、多因素的信息集体，对于电子设备产品来说，试验的目的不同，所需采集的数据种类就不同，因此要用试验的观测值来估计设备的可靠性特征值，这是电子设备产品可靠性试验数据处理的关键。
我们知道MTBF是衡量电子产品可靠性的一个重要指标，并且检验下限应等于电子设备产品最低可接受的MTBF。
实际工作中常采用观测值的点估计即：
式中，
为MTBF（电子设备产品）观测点估计值；T为电子设备产品试验时间总和；r为电子设备产品在试验中的故障次数。
第3章芯片封装的失效分析
3.1失效的分类
在电子元器件的失效物理与失效分析中，常用的失效类型有以下几种：
1．从失效率浴盆曲线区分
在大量电子元器件的使用及试验中，获得了大量失效率λ（t）（元器件在t时刻尚未失效，在t时刻后的单位时间内发生失效的概率）和时间的关系曲线，因其形状像浴盆故得名为浴盆曲线。
如图3-1所示，就是浴盆曲线的图片。
早期失效是浴盆曲线的盆边，失效率较高，早期失效的失效因素较简单，有一定的普遍性。
不同批次，不同晶体，不同工艺的元器件其早期失效的延续时间，失效比例是不同的。
严格的工艺操作和工序检验，可以减少这个阶段的失效。
给予适当的应力，进行合理的筛选，可使元器件在正式使用时早把早期失效的元器件剔除掉，使元器件的失效率达到或接近偶然失效的较高可靠性水平。
这也是元器件生产厂及使用方进行例行筛选试验的目的。
显然试验时间过长，施加应力过大，又会损坏元器件的平均寿命（元器件失效的平均时间）。
浴盆曲线的盆底平坦段是偶然失效阶段。
此阶段失效率低且变化不大，近似为常数，是元器件较好的使用期。
偶然失效时电子元器件中多种不很严格的偶然失效因素发生的失效。
耗损失效时电子元器件由于老化，磨损，损耗，疲劳等带有一定全局性的原因造成的失效。
此时元器件进入严重的损伤期，失效率随时间的延续而明显上升。
图3-1浴盆曲线
2．失效按性质及性质变化区分
（1）致命失效
致命失效是指电子元器件完全丧失规定功能而无法恢复的一类失效。
例如:
膜电容器或MOS电容器的瞬时电击穿，导致极间形成短路，使电容器完全丧失功能且不能恢复。
（2）漂移性失效
元器件的一个或某些基本参数发生漂移，退化性变化超过规定值，以致不能
完成规定功能的失效，如电阻器的阻值变化超过允许范围，半导体器件反向漏电流超差，连接器或开关等接插件的接触不良，在规模集成电路中MOSFET的阀值电压退化等。
（3）间竭失效
元器件在使用或试验过程中呈现出时好时坏的一类失效。
如：
元器件的封壳内混有导电性的多与无颗粒及表面的沾污会引起瞬时的断路。
元器件的接点虚焊也会引起间竭失效。
3．失效的起源和失效的场合
（1）人为失效
属于人为的使用，操作所引起的元器件失效，其中使用失效时在元器件使用时由于超过其规定能承受的应力所引起的失效。
而误操作失效是由于错误或不小心操作而发生的失效。
例如，使用时加在器件上的正负电极接错属于无操作，由此引起失效为误操作失效，也就是人为失效。
又如，加在元器件上电负荷超过规定引起失效属误用失效，也属于人为失效。
（2）现场失效
元器件在现场使用或工作时发生的失效。
（3）试验失效
元器件在施加一定应力条件的试验时引起的失效。
4．失效的关联性
在失效分析时，区别非关联失效和关联失效是很重要的。
在分析失效的成因及元器件
在可靠性的改进措施中，必须将这两类失效区分开来。
（1）非关联失效或独立失效
它们是按失效是否与系统中其他器件的影响有关而区分的。
非关联（独立）失效是元器件失效是元器件失效，由其本身原因造成，和系统中其他元器件，部件等的影响无关。
例如：
电容器在规定的工作条件和时间内因电解质的烧化引起电解老化失效。
（2）关联失效或从属失效
元器件的失效是其他部件先失效而引起的一种连带失效。
例如，电容器本身工作没有失效，但因电路中其他部分的失效，如稳压部分失效，引起加在电容器上的两端电压大大超过其额定值以致产生击穿失效，这种电容器失效是关联失效或称从属失效。
3.2芯片失效分析的主要步骤和内容
1．芯片开封：
去除IC封胶，同时保持芯片功能的完整无损，保持die，bondpads，bondwires乃至lead-frame不受损伤，为下一步芯片失效分析试验做准备。
2．SEM扫描电镜/EDX成分分析：
包括材料结构分析/缺陷观察、元素组成常规微区分析、精确测量元器件尺寸等等。
3．探针测试：
以微探针快捷方便地获取IC内部电信号。
镭射切割：
以微激光束切断线路或芯片上层特定区域。
4．EMMI侦测：
EMMI微光显微镜是一种效率极高的失效分析工具，提供高灵敏度非破坏性的故障定位方式，可侦测和定位非常微弱的发光（可见光及近红外光），由此捕捉各种元件缺陷或异常所产生的漏电流可见光。
5．OBIRCH应用（镭射光束诱发阻抗值变化测试）：
OBIRCH常用于芯片内部高阻抗及低阻抗分析，线路漏电路径分析。
利用OBIRCH方法，可以有效地对电路中缺陷定位，如线条中的空洞、通孔下的空洞。
通孔底部高阻区等，也能有效的检测短路或漏电,是发光显微技术的有力补充。
6．LG液晶热点侦测：
利用液晶感测到IC漏电处分子排列重组，在显微镜下呈现出不同于其它区域的斑状影像，找寻在实际分析中困扰设计人员的漏电区域（超过10mA之故障点）。
7．定点/非定点芯片研磨：
移除植于液晶驱动芯片Pad上的金凸块，保持Pad完好无损，以利后续分析或rebonding。
8．X-Ray无损侦测：
检测IC封装中的各种缺陷如层剥离、爆裂、空洞以及打线的完整性，PCB制程中可能存在的缺陷如对齐不良或桥接，开路、短路或不正常连接的缺陷，封装中的锡球完整性。
9．SAM（SAT）超声波探伤可对IC封装内部结构进行非破坏性检测,有效检出因水气或热能所造成的各种破坏如：
晶元面脱层，锡球、晶元或填胶中的裂缝，封装材料内部的气孔，各种孔洞如晶元接合面、锡球、填胶等处的孔洞。
3.3封装失效分析的流程
为了提高微电子产品的可靠性，就应研究生产封装失效的原因。
通过失效模式的确定，深入分析失效的机理，讨论并提出防止失效的方法。
所以失效分析的一般路程：
1．数据的收集与分析。
在完成现场失效数据收集报告和使用者报告后，从失效元器件所处的产品的使用环境，工作条件，及它与产品中其他组件的功能联系，较准确的判断失效根源所在。
2．失效现象的观察和判定。
在确定是元器件本身失效问题后，根据观察到的现象（包括失效部位，颜色，大小，形状等）判定失效的可能部位和原因，明确要详细分析的目的。
3．假定失效机理。
由失效现象出发，结合元器件的基本理论，材料至工艺的特征，基于失效物理和失效分析事例及经验，对若干失效原因，提出失效机理的假定。
4．失效机理的认定和验证。
按照失效分析程序，从外部分析到内部分析，同时进行事宜的非破坏性检测到半破坏性检测至全破坏性检测和分析。
适用时还可以进行一些理论分析项目：
X射线形貌分析，各种电子和红外的显微分析等。
因元器件的技术领域不同有所侧重，可根据假定的失效机理采用必要的分析仪器，最终认定并验证失效的机理。
3.4失效分析中的破坏性物理分析和显微分析方法
集成电路产的另外一个名字是微电子。
从这点可以看出集成电路是在很小的尺寸上进行产生的。
短短十年之间，微电子器件的尺寸从原来的微米量级逐步缩小，到亚微米，深亚微米，再到今天的纳米量级。
随之变化是器件中的缺陷尺寸也逐步缩小。
因此，开展电子元器件封装失效分析必须具备一定的测试方法和分析仪器。
各种测试方法和分析仪器都有其性能特点，如功能，应用范围和灵敏度等。
根据封装失效分分析的需要和要求，选用适当的方法和仪器，充分利用其特点进行失效分析才能得到正确的分析结果，找到失效产生的根源。
3.4.1破坏性物理分析
破坏性物理分析简称DPA（DPA,Destructive
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