电子元器件失效性分析.docx
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电子元器件失效性分析
电子元器件失效分析技术
第一讲失效物理的概念
失效定义
失效的概念
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
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
可靠性评价的主要内容
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－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
dM
dt
Ae
−
kT
T高，反应速率大，寿命短
E大，反应速率小，寿命长
温度应力的时间累积效应
M
t
−
M
0
Ae
−
E
kT
（t
−
t
0
）
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
dM
dt
Ae
−
E
kT
dv
dt
F
m
M
t
−
M
0
Ae
−
E
kT
（t
−
t
0
）
mvt
−
mv0
F（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
LnL2
L
ln
ln
L
L1
A
exp（
B
B
E
kT
E
kT
E
kT
）
1
LnL1
B
ln
L
2
B
E
kT
2
1/T1
1/T2
预计平均寿命的方法
2求加速系数F
E
exp（LAEexp（）
L
2
A
2
kT
）
kT2
E
LAexp（）
1
E
kT
1
L
Aexp（
L
）
1
F
2exp（E（1−1））
kT
L
1
1
k
T
T21
F
L2
L1
exp（
E
k
（
1
T2
−
1））
T1
设定高温为T1,低温为T2,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L2
F=L2/L1
对指数分布
L1=MTTF=1/λ
λ失效率
失效率＝
试验时间内失效的元件数
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
内容：
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=32000h
35C，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
钽电容
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
电解电容的标称温度与寿命的关系
标称温度（℃）
85105
125
标称温度寿命（h）10001000
1000
工作温度（℃）
353535
工作温度寿命（h）1000X2E51000X2E7
1000X2E9
32000
128000912000
3.65年
14.6年
59.26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。
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电解电容的阳极修复功能
Al＋
OH－
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改进措施
降温使用，不做短路放电，
电源不反接，经常通电
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过流烧毁
正负极反接
固体钽电容
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陶瓷电容
电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增
大
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陶瓷电容
银迁移引起边缘漏电和介质内部漏电
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第三讲微电子器件失效机理
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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
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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、CMCMOS电路的闩锁效应
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
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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
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失效机理的内容
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
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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
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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
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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
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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
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第四讲
失效分析技术
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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
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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
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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
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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：
学习先进技术的捷径
破坏性物理分析（DPA）：
失效前的物理分
析
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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失效发生期与失效率
失效率＝
试验时间内失效的元件数
试验初始的元件数试验时间
失
效
率
早期
随机
磨损
时间
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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
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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。
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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。
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由反向反I－V特性确定失效机理
4.50E-02
4.00E-02
3.50E-02
烧断电源端1对地
烧断电源端2对地
烧断电源端3对地
未烧断电源端对地
3.00E-02
2.50E-02
2.00E-02
1.50E-02
1.00E-02
5.00E-03
0.00E+00
-5.00E-03
0
2
4
6
8
反向电压（V）
10
12
14
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电
流
（
A
）
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。
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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
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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：
高温储存、高温反偏
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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
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烘焙和清洗技术的应用举例
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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。
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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
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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
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检漏技术
粗检：
负压法、氟碳加压法
细检：
氦质谱检漏法
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负压法检漏
酒精
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接机械泵
焊点染色法
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F113沸点
47.6C
氟碳加压法
FC43沸
点180C
加热至125C
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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区的完
整性，如器件内引线断
裂
透过材料高密度区
X射线强度衰减
C-SAM象
观察材料内部空隙，如
芯片粘接不良，器件封
装不良
超声波传播遇空气
隙受阻反射
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
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打开塑料封装的技术
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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
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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
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作用
去金属化Al层技术
配方：
30％HCl或30％H2SO4
KOH、NaOH溶液
应用实例
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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
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