元器件失效分析基本概念与机理分析

器件一旦坏了，千万不要敬而远之，而应该如获至宝。

开车的人都知道，哪里最能练出驾驶水平？高速公路不行，只有闹市和不良路况才能提高水平。社会的发展就是一个发现问题解决问题的过程，出现问题不可怕，但频繁出现同一类问题是非常可怕的。

失效分析基本概念

定义：对失效电子元器件进行诊断过程。

1、进行失效分析往往需要进行电测量并采用先进的物理、冶金及化学的分析手段。

2、失效分析的目的是确定失效模式和失效机理，提出纠正措施，防止这种失效模式和失效机理的重复出现。

3、失效模式是指观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能失效等。

4、失效机理是指失效的物理化学过程，如疲劳、腐蚀和过应力等。

失效分析的一般程序

1、收集现场场数据

2、电测并确定失效模式

3、非破坏检查

4、打开封装

5、镜验

6、通电并进行失效定位

7、对失效部位进行物理、化学分析，确定失效机理。

8、综合分析，确定失效原因，提出纠正措施。

1、收集现场数据：

应力类型	试验方法	可能出现的主要失效模式
电应力	静电、过电、噪声	MOS器件的栅击穿、双极型器件的pn结击穿、功率晶体管的二次击穿、CMOS电路的闩锁效应
热应力	高温储存	金属－半导体接触的Al－Si互溶，欧姆接触退化，pn结漏电、Au-Al键合失效
低温应力	低温储存	芯片断裂
低温电应力	低温工作	热载流子注入
高低温应力	高低温循环	芯片断裂、芯片粘接失效
热电应力	高温工作	金属电迁移、欧姆接触退化
机械应力	振动、冲击、加速度	芯片断裂、引线断裂
辐射应力	X射线辐射、中子辐射	电参数变化、软错误、CMOS电路的闩锁效应
气候应力	高湿、盐雾	外引线腐蚀、金属化腐蚀、电参数漂移

2、电测并确定失效模式

电测失效可分为连接性失效、电参数失效和功能失效。

连接性失效包括开路、短路以及电阻值变化。这类失效容易测试，现场失效多数由静电放电（ESD）和过电应力（EOS）引起。
电参数失效，需进行较复杂的测量，主要表现形式有参数值超出规定范围（超差）和参数不稳定。

确认功能失效，需对元器件输入一个已知的激励信号，测量输出结果。如测得输出状态与预计状态相同，则元器件功能正常，否则为失效,功能测试主要用于集成电路。

三种失效有一定的相关性,即一种失效可能引起其它种类的失效。功能失效和电参数失效的根源时常可归结于连接性失效。在缺乏复杂功能测试设备和测试程序的情况下，有可能用简单的连接性测试和参数测试方法进行电测，结合物理失效分析技术的应用仍然可获得令人满意的失效分析结果。

3、非破坏检查

名称	应用优势	主要原理
X射线透视技术	以低密度区为背景，观察材料的高密度区的密度异常点	透视X光的被样品局部吸收后成象的异常
反射式扫描声学显微术（C－SAM）	以高密度区为背景，观察材料内部空隙或低密度区	超声波遇空隙受阻反射

 

X-Ray检测，即为在不破坏芯片情况下，利用X射线透视元器件（多方向及角度可选），检测元器件的封装情况，如气泡、邦定线异常，晶粒尺寸，支架方向等。

 

适用情境：检查邦定有无异常、封装有无缺陷、确认晶粒尺寸及layout

优势：工期短，直观易分析

劣势：获得信息有限

局限性：

1、相同批次的器件，不同封装生产线的器件内部形状略微不同；

2、内部线路损伤或缺陷很难检查出来，必须通过功能测试及其他试验获得。

案例分析：

X-Ray 探伤----气泡、邦定线

X-Ray 真伪鉴别----空包弹（图中可见，未有晶粒）

“徒有其表”

下面这个才是货真价实的

X-Ray用于产地分析（下图中同品牌同型号的芯片）

X-Ray 用于失效分析（PCB探伤、分析）

（下面这个密密麻麻的圆点就是BGA的锡珠。下图我们可以看出，这个芯片实际上是BGA二次封装的）

4、打开封装

开封方法有机械方法和化学方法两种,按封装材料来分类，微电子器件的封装种类包括玻璃封装(二极管)、金属壳封装、陶瓷封装、塑料封装等。

机械开封

化学开封

5、显微形貌像技术

光学显微镜分析技术

扫描电子显微镜的二次电子像技术

电压效应的失效定位技术

 

6、半导体主要失效机理分析

电应力（EOD）损伤

静电放电（ESD）损伤

封装失效

引线键合失效

芯片粘接不良

金属半导体接触退化

钠离子沾污失效

氧化层针孔失效

审核编辑：郭婷