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
=2=exp(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
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 电子元器件 失效 分析