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    发现失效电子元器件、寻找失效原因。

    2017-02-14
    发现失效器件、寻找失效原因、改进提高可靠性,这就是“失效分析”?


    失效分析的定义及意义

    可靠性工作的目的不仅是为了了解、评价电子元器件的可靠性水平,更重要的是要改进、提高电子元器件的可靠性。所以,在从使用现场或可靠性试验中获得失效器件后,必须对它进行各种测试、分析,寻找、确定失效的原因,将分析结果反馈给设计、制造、管理等有关部门,采取针对性强的有效纠正措施,以改进、提高器件的可靠性。这种测试分析,寻找失效原因或机理的过程,就是失效分析。


    失效分析对电子元器件失效机理、原因的诊断过程,是提高电子元器件可靠性的必由之路。元器件由设计到生产到应用等各个环节,都有可能失效,从而失效分析贯穿于电子元器件的整个寿命周期。因此,需要找出其失效产生原因,确定失效模式,并提出纠正措施,防止相同失效模式和失效机理在每个元器件上重复出现,提高元器件的可靠性。


    归纳起来,失效分析的意义有以下5点:

    1、通过失效分析得到改进设计、工艺或应用的理论和思想。

    2、通过了解引起失效的物理现象得到预测可靠性模型公式。

    3、为可靠性试验条件提供理论依据和实际分析手段。

    4、在处理工程遇到的元器件问题时,为是否要整批不用提供决策依据。

    5、通过实施失效分析的纠正措施可以提高成品率和可靠性,减小系统试验和运行工作时的故障,得到明显的经济效益。


    失效的分类

    在实际使用中,可以根据需要对失效做适当的分类。


    按失效模式,可以分为开路、短路、无功能、特性退化(劣化)、重测合格;按失效原因,可以分成误用失效、本质失效、早期失效、偶然失效、耗损失效、自然失效;按失效程度,可分为完全失效、部分(局部)失效;


    按失效时间特性程度及时间特性的组合,可以分成突然失效、渐变失效、间隙失效、稳定失效、突变失效、退化失效、可恢复性失效;


    按失效后果的严重性,可以分为致命失效、严重失效、轻度失效;按失效的关联性和独立性,可以分为关联失效、非关联失效、独立失效、从属失效;按失效的场合,可分为试验失效、现场失效(现场失效可以再分为调试失效、运行失效);按失效的外部表现,可以分为明显失效、隐蔽失效。


    失效机理

    电子元器件的失效主要是在产品的制造、试验、运输、存储和使用等过程中发生的,与原材料、设计、制造、使用密切相关。电子元器件的种类很多,相应的失效模式和机理也很多。失效机理是器件失效的实质原因,说明器件是如何失效的,即引起器件失效的物理化学过程,但与此相对的是它迟早也要表现出的一系列宏观性能、性质变化,如疲劳、腐蚀和过应力等。


    电子元器件的主要失效机理有:


    1、过应力(EOS):是指元器件承受的电流、电压应力或功率超过其允许的最大范围。


    2、静电损伤(ESD):电子器件在加工成产、组装、贮存以及运输过程中,可能与带静电的容器、测试设备及操作人员相接触,所带静电经过器件引脚放电到地,使器件收到损伤或失效。


    3、闩锁效应(latch-up):MOS电路中由于寄生PNPN晶体管的存在而呈现一种低阻状态,这种低阻状态在触发条件去除或终止后仍会存在。


    4、电迁移(EM):当器件工作是,金属互联线内有一定的电流通过,金属离子会沿导体产生质量的运输,其结果会使导体的某些部位出现空洞或晶须。


    5、热载流子效应(HC):热载流子是指能量比费米能级大几个kT以上的载流子。这些载流子与晶格不处于热平衡状态,当其能量达到或超过Si-SiO2界面势垒时(对电子注入为3.2eV,对空穴注入为4.5eV)便会注入到氧化层中,产生界面态、氧化层陷阱或被陷阱所俘获,使氧化层电荷增加或波动不稳,这就是热载流子效应。


    6、栅氧击穿:在MOS器件及其电路中,栅氧化层缺陷会导致栅氧漏电,漏电增加到一定程度即构成击穿。


    7、与时间有关的介质击穿(TDDB):施加的电场低于栅氧的本征击穿强度,但经历一定的时间后仍会发生击穿现象,这是由于施加应力的过程中,氧化层内产生并聚集了缺陷的原因。


    8、由于金-铝之间的化学势不同,经长期使用或200℃以上的高温存储后,会产生多种金属间化合物,如紫斑、白斑等。使铝层变薄、接触电阻增加,最后导致开路。在300℃高温下还会产生空洞,即柯肯德尔效应,这种效应是高温下金向铝中迅速扩散并形成化合物,在键合点四周出现环形空间。使铝膜部分或全部脱离,形成高阻或开路。


    9、“爆米花效应”:塑封元器件塑封材料内的水汽在高温下受热发生膨胀,使塑封料与金属框架和芯片间发生分层效应,拉断键合丝,从而发生开路失效。


    失效分析技术

    失效分析技术是失效分析说使用的手段和方法,它主要包括六大方面的内容:失效定位技术;样品制备技术;显微分析技术;应力验证技术;电子分析技术;成份分析技术。


    1、失效定位技术

    失效定位技术的主要目的是确定检测目标的失效部位,随着现代集成电路及电子元器件的复杂化,失效定位技术就显得尤为重要。失效定位技术有多种方法,其中无需开封即可进行的无损检测有X-ray,SAM等。X-ray可用于观察元器件及多层印刷电路板的内部结构,内引线开路或短路,粘接缺陷,焊点缺陷,封装裂纹,空洞、桥连、立碑及器件漏装等缺陷。SAM则可观察到材料内部裂纹,分层缺陷,空洞、气泡、空隙等。若X-ray,SAM不能探测到失效部位,则需要对元器件进行开封处理,而后可进行其他方法的失效定位,如显微检查。


    2、样品制备技术

    解决大部分失效分析,都需要采用解剖分析技术,即对样品的剖层分析,它不对观察和测试部分存在破坏。样品的制备步骤一般包括:打开封装、去钝化层,对于多层结构芯片来说,还要去层间介质。打开封装可以使用机械开封或化学开封方法。去钝化层可使用化学腐蚀或等离子体腐蚀(如ICP、RIE)的方法,或FIB等。


    3、显微分析技术

    失效原因的分析,失效机理的确定及前文提到的失效定位都要用到显微分析技术。显微分析一般采用各种显微镜,且他们各具优缺点,如景深大成像立体感强的体视显微镜;平面成像效果好颜色突出的金相显微镜;放大倍数高(可达几十万倍)的SEM;制样要求高可观察到晶格结构的TEM;成像精度不高但操作方便的红外显微镜;成像精度较高的光辐射显微镜等,要根据实际情况进行设备和方法的选择。


    4、应力验证技术

    电子元器件在不同的环境中可靠性存在差异,如不同湿度、温度下产生的应力,不同电流、电压下产生的电应力等,都会导致电子元器件性能的变化,或失效。因此,可以模拟各种环境参数,来验证元器件在各种应力下的可靠性。


    5、电子分析技术

    利用电子进行失效分析的方法很多,如EBT,EPMA,SEM,TEM,AES等。


    6、成份分析技术

    需要确定元器件中某部分的成份和组份即需要用到成份分析技术,以判断是否存在污染,或组份是否正确,而影响了元器件的性能。常用设备有EDS,EDAX,AES,SIMS等

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