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發(fā)現(xiàn)失效電子元器件、尋找失效原因

發(fā)現(xiàn)失效器件、尋找失效原因、改進提高可靠性,這就是“失效分析”?


失效分析的定義及意義

可靠性工作的目的不僅是為了了解、評價電子元器件的可靠性水平,更重要的是要改進、提高電子元器件的可靠性。所以,在從使用現(xiàn)場或可靠性試驗中獲得失效器件后,必須對它進行各種測試、分析,尋找、確定失效的原因,將分析結果反饋給設計、制造、管理等有關部門,采取針對性強的有效糾正措施,以改進、提高器件的可靠性。這種測試分析,尋找失效原因或機理的過程,就是失效分析。


失效分析對電子元器件失效機理、原因的診斷過程,是提高電子元器件可靠性的必由之路。元器件由設計到生產(chǎn)到應用等各個環(huán)節(jié),都有可能失效,從而失效分析貫穿于電子元器件的整個壽命周期。因此,需要找出其失效產(chǎn)生原因,確定失效模式,并提出糾正措施,防止相同失效模式和失效機理在每個元器件上重復出現(xiàn),提高元器件的可靠性。


歸納起來,失效分析的意義有以下5點:

1、通過失效分析得到改進設計、工藝或應用的理論和思想。

2、通過了解引起失效的物理現(xiàn)象得到預測可靠性模型公式。

3、為可靠性試驗條件提供理論依據(jù)和實際分析手段。

4、在處理工程遇到的元器件問題時,為是否要整批不用提供決策依據(jù)。

5、通過實施失效分析的糾正措施可以提高成品率和可靠性,減小系統(tǒng)試驗和運行工作時的故障,得到明顯的經(jīng)濟效益。


失效的分類

在實際使用中,可以根據(jù)需要對失效做適當?shù)姆诸悺?/p>


按失效模式,可以分為開路、短路、無功能、特性退化(劣化)、重測合格;按失效原因,可以分成誤用失效、本質失效、早期失效、偶然失效、耗損失效、自然失效;按失效程度,可分為完全失效、部分(局部)失效;


按失效時間特性程度及時間特性的組合,可以分成突然失效、漸變失效、間隙失效、穩(wěn)定失效、突變失效、退化失效、可恢復性失效;


按失效后果的嚴重性,可以分為致命失效、嚴重失效、輕度失效;按失效的關聯(lián)性和獨立性,可以分為關聯(lián)失效、非關聯(lián)失效、獨立失效、從屬失效;按失效的場合,可分為試驗失效、現(xiàn)場失效(現(xiàn)場失效可以再分為調試失效、運行失效);按失效的外部表現(xiàn),可以分為明顯失效、隱蔽失效。


失效機理

電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造、試驗、運輸、存儲和使用等過程中發(fā)生的,與原材料、設計、制造、使用密切相關。電子元器件的種類很多,相應的失效模式和機理也很多。失效機理是器件失效的實質原因,說明器件是如何失效的,即引起器件失效的物理化學過程,但與此相對的是它遲早也要表現(xiàn)出的一系列宏觀性能、性質變化,如疲勞、腐蝕和過應力等。


電子元器件的主要失效機理有:


1、過應力(EOS):是指元器件承受的電流、電壓應力或功率超過其允許的最大范圍。


2、靜電損傷(ESD):電子器件在加工成產(chǎn)、組裝、貯存以及運輸過程中,可能與帶靜電的容器、測試設備及操作人員相接觸,所帶靜電經(jīng)過器件引腳放電到地,使器件收到損傷或失效。


3、閂鎖效應(latch-up):MOS電路中由于寄生PNPN晶體管的存在而呈現(xiàn)一種低阻狀態(tài),這種低阻狀態(tài)在觸發(fā)條件去除或終止后仍會存在。


4、電遷移(EM):當器件工作是,金屬互聯(lián)線內(nèi)有一定的電流通過,金屬離子會沿導體產(chǎn)生質量的運輸,其結果會使導體的某些部位出現(xiàn)空洞或晶須。


5、熱載流子效應(HC):熱載流子是指能量比費米能級大幾個kT以上的載流子。這些載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài),當其能量達到或超過Si-SiO2界面勢壘時(對電子注入為3.2eV,對空穴注入為4.5eV)便會注入到氧化層中,產(chǎn)生界面態(tài)、氧化層陷阱或被陷阱所俘獲,使氧化層電荷增加或波動不穩(wěn),這就是熱載流子效應。


6、柵氧擊穿:在MOS器件及其電路中,柵氧化層缺陷會導致柵氧漏電,漏電增加到一定程度即構成擊穿。


7、與時間有關的介質擊穿(TDDB):施加的電場低于柵氧的本征擊穿強度,但經(jīng)歷一定的時間后仍會發(fā)生擊穿現(xiàn)象,這是由于施加應力的過程中,氧化層內(nèi)產(chǎn)生并聚集了缺陷的原因。


8、由于金-鋁之間的化學勢不同,經(jīng)長期使用或200℃以上的高溫存儲后,會產(chǎn)生多種金屬間化合物,如紫斑、白斑等。使鋁層變薄、接觸電阻增加,最后導致開路。在300℃高溫下還會產(chǎn)生空洞,即柯肯德爾效應,這種效應是高溫下金向鋁中迅速擴散并形成化合物,在鍵合點四周出現(xiàn)環(huán)形空間。使鋁膜部分或全部脫離,形成高阻或開路。


9、“爆米花效應”:塑封元器件塑封材料內(nèi)的水汽在高溫下受熱發(fā)生膨脹,使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應,拉斷鍵合絲,從而發(fā)生開路失效。


失效分析技術

失效分析技術是失效分析說使用的手段和方法,它主要包括六大方面的內(nèi)容:失效定位技術;樣品制備技術;顯微分析技術;應力驗證技術;電子分析技術;成份分析技術。


1、失效定位技術

失效定位技術的主要目的是確定檢測目標的失效部位,隨著現(xiàn)代集成電路及電子元器件的復雜化,失效定位技術就顯得尤為重要。失效定位技術有多種方法,其中無需開封即可進行的無損檢測有X-ray,SAM等。X-ray可用于觀察元器件及多層印刷電路板的內(nèi)部結構,內(nèi)引線開路或短路,粘接缺陷,焊點缺陷,封裝裂紋,空洞、橋連、立碑及器件漏裝等缺陷。SAM則可觀察到材料內(nèi)部裂紋,分層缺陷,空洞、氣泡、空隙等。若X-ray,SAM不能探測到失效部位,則需要對元器件進行開封處理,而后可進行其他方法的失效定位,如顯微檢查。


2、樣品制備技術

解決大部分失效分析,都需要采用解剖分析技術,即對樣品的剖層分析,它不對觀察和測試部分存在破壞。樣品的制備步驟一般包括:打開封裝、去鈍化層,對于多層結構芯片來說,還要去層間介質。打開封裝可以使用機械開封或化學開封方法。去鈍化層可使用化學腐蝕或等離子體腐蝕(如ICP、RIE)的方法,或FIB等。


3、顯微分析技術

失效原因的分析,失效機理的確定及前文提到的失效定位都要用到顯微分析技術。顯微分析一般采用各種顯微鏡,且他們各具優(yōu)缺點,如景深大成像立體感強的體視顯微鏡;平面成像效果好顏色突出的金相顯微鏡;放大倍數(shù)高(可達幾十萬倍)的SEM;制樣要求高可觀察到晶格結構的TEM;成像精度不高但操作方便的紅外顯微鏡;成像精度較高的光輻射顯微鏡等,要根據(jù)實際情況進行設備和方法的選擇。


4、應力驗證技術

電子元器件在不同的環(huán)境中可靠性存在差異,如不同濕度、溫度下產(chǎn)生的應力,不同電流、電壓下產(chǎn)生的電應力等,都會導致電子元器件性能的變化,或失效。因此,可以模擬各種環(huán)境參數(shù),來驗證元器件在各種應力下的可靠性。


5、電子分析技術

利用電子進行失效分析的方法很多,如EBT,EPMA,SEM,TEM,AES等。


6、成份分析技術

需要確定元器件中某部分的成份和組份即需要用到成份分析技術,以判斷是否存在污染,或組份是否正確,而影響了元器件的性能。常用設備有EDS,EDAX,AES,SIMS等


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