电子元器件失效性分析报告文案.docx
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电子元器件失效性分析报告文案
电子元器件失效分析技术
第一讲失效物理的概念
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
失效种类
1致命性失效：
如过电应力损伤
2缓慢退化：
如MESFE的TIDSS下降
3间歇失效：
如塑封器件随温度变化间歇失效
失效物理的概念
定义：
研究电子元器件失效机理的学科失效物理与器件物理的区别失效物理的用途
失效物理的定义
定义：
研究电子元器件失效机理的学科失效机理：
失效的物理化学根源
举例：
金属电迁移
金属电迁移
失效模式：
金属互连线电阻值增大或开路失效机理：
电子风效应产生条件：
电流密度大于10E5A/cm2
高温
纠正措施：
高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺
失效物理与器件物理的区别
撤销应力后电特性的可恢复性时间性
1失效分析：
确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现
2可靠性评价：
根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性
可靠性评价的主要容
产品抗各种应力的能力
产品平均寿命
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（静电放电ESD）、闩锁
（latchup）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
应力一强度模型的应用
器件抗静电放电（ESD能力的测试
温度应力－时间模型
E
dMAe-kTdt
T高，反应速率大，寿命短
E大，反应速率小，寿命长
-E
Mt-M0Ae-kT（-t0）t
失效原因：
温度应力的时间累积效
应，特性变化超差
dM
dt
E
Ae-kT
dv
dt
-E
Mt-M0Ae-kT（-t0）tmvt-mv0F（-t
t0）
失效物理模型小结
应力－强度模型与断裂力学模型相似，不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效和致命性失效，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）与牛顿力学模型相似，考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显
应力－时间模型的应用：
预计元器
件平均寿命
1求激活能E
Aexp（
kT
lnL
lnL1
E
kT
E
kT1
lnL2
E
kT2
LnL2
LnL1
B
2求加速系数F
L2
L
1
A
L
1
Aexp（）
）
kT2
kT
1
Aexp（L）
FE1
2exp（（-
1
1））
kT
L1kT
1T21
L2
L1
exp（
（1
1））
T2
T1
设定高温为T1,低温为T2,可求出F
由高温寿命L1推算常温寿命L2F=L2/L1对指数分布
L1=MTTF=1λ/λ失效率
初始时间未失效元件数试验时间
温度应力－时间模型的简化：
十度
法则
容：
从室温算起，温度每升高10度，寿命减半。
应用举例：
推算铝电解电容寿命
105C，寿命寿1000h（标称值）
55C,寿命1000X2E5=32000h35C，寿命1000X2E7=128000h
=128000/365/24=14.81年
小结
失效物理的定义：
研究电子元器件失效机理
的学科
失效物理的用途：
1失效分析：
确定产品的失效模式、失效机
理，提出纠正措施，防止失效重复出现
2可靠性评价：
根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性
第二讲阻容元件失效机理
电容器的失效机理
电解电容袒电容陶瓷电容薄膜电容
电解电容的概况
重要性：
多用于电源滤波，一旦短路，后果严重
优点：
电容量大，价格低
缺点：
寿命短，漏电流大，易燃
延长寿命的方法：
降温使用，选用标称温度高的产品
14.6年
59.26年
电解电容的标称温度与寿命的关系
标称温度（℃）
85
125
105
标称温度寿命（h）
1000
1000
1000
工作温度（℃）
35
35
35
工作温度寿命（h）
1000X2E5
1000X2E9
1000X2E7
32000
128000
912000
3.65年
电解电容的失效机理和改进措施
漏液：
电容减小阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。
短路放电：
大电流烧坏电极电源反接：
大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜增厚，电容量下降
长期放置：
不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。
改进措施
降温使用，不做短路放电，电源不反接，经常通电
固体钽电容
过流烧毁正负极反接
陶瓷电容
电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增大
陶瓷电容
银迁移引起边缘漏电和介质部漏电
第三讲微电子器件失效机理
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、CMCMO电S路的闩锁效应
漏电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
参数漂移的可能失效机理：
封装水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤
失效模式与材料、设计、工艺的关系
失效模式与环境应力的关系环境应力包括：
过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力
失效模式与时间的关系
电参数漂移
外引线腐蚀
金属化腐蚀金属半导体接触退化
参数漂移、软失效
失效应力与失效模式的相关性
过电：
pn结烧毁、电源引线烧毁、电源金属化烧毁
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
第四讲失效分析技术
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
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
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：
学习先进技术的捷径破坏性物理分析（DPA）：
失效前的物理分析
收集失效现场数据电测并确定失效模式非破坏检查打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
失效现场数据的容
电参数漂移
外引线腐蚀
金属化腐蚀金属半导体接触退化
参数漂移、软失效
失效应力与失效模式的相关性
过电：
pn结烧毁、电源引线烧毁、电源金属化烧毁
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＝试验时间失效的元件数
试验初始的元件数试验时间
早期
磨损
随机
时间
PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion.pdffactory.
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（standby）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（standby）电流显著增大说明有漏电失效部位。
待机（standby）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I
—V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。
由反向反I－V特性确定失效机理
由反向反I－V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I－V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
烘焙技术
1应用围：
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：
高温储存、高温反偏
清洗技术
应用围：
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
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、氟碳加压法
细检：
氦质谱检漏法
负压法检漏
酒精
接机械泵
焊点染色法
氟碳加压法
F113沸点
47.6C
FC43沸点180C
加热至125C
X射线透视与反射式声扫描比较
种类应用优势基本原理X射线透视象观察材料高密度透过材料高密度区区的完X射线强度衰减整性，如器件引线断裂
C-SAM象观察材料部空超声波传播遇空气
隙，如隙受阻反射芯片粘接不良，器件封装不良
样品制备技术
种类：
打装、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：
监控
打开塑料封装的技术
去钝化层的技术
湿法：
如用HF：
H2O＝1：
1溶液去SiO
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
去金属化Al层技术
作用配方：
30％HCl或30％H2SO4
KOH、NaOH溶液
应用实例
形貌象技术
光学显微术：
分辨率3600A，倍数倍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
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
单端输出EBIC可同时
缺陷，适用于VVLSI失效分析
例某CMO电S路的EBIC
原理
封装部气体成份分析
封装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
置传感器
露点检测
质谱分析
露点检测
1应用围:
气密性封装部水汽浓度
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
样品
JK2567923DG130143DG13062
氮气
％
99.952.2
99.0
96.1
水汽
％
0.0238.2
0.21
0.56
仪器灵敏度：
水汽100ppm,其它气体10ppm
固态器件微区化学成份分析
原子序数检测
N>10N>2
全部
围
灵敏度（％）
10．1
10－4
深度分辨
率
10001
1
（nm）
横向分辨
率
10003001
000宁可累死在路上，也
技术指标
EDAXAESSIMS
nm）
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