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半导体元器件失效分析

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450 0 AA探针台 发表于 2019-2-15 16:51:27
由于最近在做这方面的事情,所以想跟大家一起来学习下,电子元器件失效状况的分析,其实我们在工作中都会遇到有元器件失效的情况,一般需要借助相关工具或者仪器设备来分析,很多时候,我们遇到类似的情况时,有可能就把不良元件扔到垃圾桶了,今天我就跟大家来一起学习下,为什么要做元件失效分析以及探讨下大家一般遇到类似情况下会怎么做?
目录
一.失效分析的目的和意义
二.失效分析的基本内容
三.失效分析要求
四.主要失效模式及其分布
五.主要的失效的原因和定义
六.失效分析的主要顺序
七.实例
八.控制失效模式的措施
九 .一般塑封器件分层预防措施
十.工艺质量的控制措施

一.失效分析的目的和意义
失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,并最终确认其失效原因,并提出改善设计和制造工艺的建议,防止失效的重复出现,提高元器件的可靠性,失效分析是产品可靠性工程中一个重要组成部分。
一般电子产品在研发阶段,失效分析可纠正设计和研发阶段的错误,缩短研发周期,在产品生产、测试和使用时期,失效分析可找出元件的失效原因与引起元件失效的责任方,并根据失效分析结果,改进设计,并完善产品,提高整机的成品良率和可靠性有重要意义。
二.失效分析的基本内容
对于电子元件失效原因过程的诊断过程叫做失效分析,但是我们在进行失效分析的过程中,往往需要借助仪器设备,以及化学类手段进行分析,失效分析的主要内容包括:明确分析对象,确认失效模式,判断失效原因,研究失效机理,提出改善预防措施。
1.明确分析对象

失效分析首先要确认分析对象及失效发生的背景,在对失效产品的分析前需先了解失效发生时的情况,并确定在那个环节发生失效,如可能的话,最好是能详细描述失效时的现象以及失效发生前后的变化,并确认产品是否真的失效,就像我们的产品在实验室做实验时,总会有不良状况存在,只是我们在分析之前需要先了解产品具体发生失效的测试项目,具体在那个测试项目中发生失效,失效现象是怎么样的。

2.确认失效模式

失效的表面现象或失效的表现形式就是失效模式,失效模式的确定通常采用两种方式(这里只讲元件的)电气测试和显微镜观察,根据测试,观察到的现象与效应进行初步分析,确定出现这些现象的可能的原因,或者与失效样品的那一部分有关联,通过外观检查,观察样品外观标志是否完整,是否存在机械损伤,是否有腐蚀痕迹等,通过电气测试判断其电气参数是否与原数据是否相符,分析失效的现象可能与失效产品哪一部分有关。

3.判断失效原因

根据失效模式、失效元件材料性质、制造工艺和制造经验,结合观察到的失效的位置的大小,颜色,化学组成,物理结构,物理特性等因素,参照失效发生的阶段,失效发生的应力条件和环境条件,提出可能导致失效的原因。失效的原因可能由一系列的原因造成,如设计缺陷,材料质量问题,制程问题,运输和储藏问题,以及操作过载等。

4.研究失效机理

在确认失效机理时,需要选用有关分析,试验和对观测设备对失效样品进行分析,验证失效原因的判断是否属实,并且能够把整个失效的顺序与症状对照起来,也可以使用合格元件进行类似模拟破坏性试验,并看能不能产生相似的失效现象,通过反复验证,确认失效的真实原因所在。

5.提出预防措施及设计改进方法

根据分析判断,提出消除产生失效的办法和建议,及时的反馈到设计,工艺,使用者等各方面,以便控制以及杜绝失效现象的再次出现,一般需要大家对元件的材料,工艺,电路设计,结构设计,筛选方法和条件,使用方法和条件,质量控制等方面有相当强的了解。

三.失效分析要求
现在科技发展迅速,电子产品越来越小型化,复杂化,系统化,其他的功能越来越强大,集成度越来越高,体积越来越小,所以对于失效元件分析的要求越来越高,用于分析的失效的新技术,新方法,新设备越来越多,在实际的失效分析过程中,遇到的失效情况各不相同,可以根据失效分析的目的与实际,选择合适的分析技术与方法,要做到模式准确,原因明确,机理清楚,措施得力,模拟再现,举一反三。
1.模式准确

失效模式指的是失效外在直观失效变现形式和过程规律,通常指测试或观察到失效现象,失效形式,如开路,短路,参数漂移,功能失效等,需要我们做到的是将失效类型与失效性质判断准确,失效模式判断应先从失效的环境入手,失效的环境反应了失效的外部环境,对确定失效的责任方有重要意义,失效环境包括:温度,湿度,电源环境,元器件在电路图的位置,作用,工作条件和偏置状况。失效应力包括:电应力,温度应力,机械应力,气候应力和辐射应力,如样品经可靠性试验而失效,需要了解样品经受试验应力种类和时间。失效发生期包括,失效样品的经历和失效时间,失效发生阶段,如研发,生产,测试,试验,储存,使用等。通常情况下,失效分析前需要先做电测,并针对失效样品与正常样品进行数据比对,并查看同一测试条件的情况下,数据的不同之处。

2.失效原因明确

失效原因的判断通常是整个失效分析的核心和关键,对于确定失效机理,提出预防措施等均具有重要意义,失效原因通常是指造成电子元件失效的直接关键性因素,其判断建立在失效模式判断的基础上,通过失效原因的分析判断,确定造成失效的直接关键因素处于设计,材料,制造工艺,使用环境,失效现场数据为确定电子元件失效原因提供重要依据,失效可分为早期失效,随机失效和磨损失效,早期失效是由工艺缺陷,原材料缺陷,筛选遗漏引起,随机失效是由整机开关的浪涌电流,静电放电,过电损伤等,磨损失效主要由电子元件的自然老化引起。

3.分析到位,措施得力,模拟再现

失效分析是一个复杂,综合性强的过程,不仅仅是需要失效工程师的分析,而且需要设计工程师,制造工程师的密切配合,其实为了得到合适的失效分析结果,需要具备几个基本知识,保护实物证据,避免过多的加电测试,保证失效元器件在到达失效分析工程师手中时不受损伤,制定分析方案,确定失效现象等。
四.主要失效模式及其分布


五.主要的失效的原因和定义
主要的失效原因是物理与化学的过程,可能是设计上的弱点或者是制造工艺中形成的潜在缺陷,在某种应力作用下发生失效。

1.机械损伤

机械损伤在电子元件制备电极及电极系统工艺中经常出现,如果在成品中,存在金属膜划伤缺陷而未被剔除,则划伤缺陷将是元器件潜在的失效因素,必将影响器件的长期可靠性。

2.结穿刺

结穿刺是指PN结界面处于一导电物所穿透,结穿刺通常导致PN结短路失效。

3.金属化电迁移

当元件在工作时,在电流的作用下,金属离子沿导体移动,导体内部某一部位出现空洞,这就是电迁移,产生电迁移的内在因素为薄膜导体内部结构的非均匀化,外部因素为电流密度。

4.表面离子沾污

电子元件在制造过程和使用过程中,因芯片表面沾污了湿气和导电物质,或由于辐射电离,静电荷积累等因素影响,在器件内部氧化层表面产生正离子和负离子,在偏压的作用下能沿表面移动,正离子聚集在负电极周围,负离子聚集在正电极周围,沾污严重时足以使芯片发生改变,引起表面漏电,击穿,表面离子沾污还会引起金属腐蚀,使的电极和封装系统发生生锈、断裂。

5.银迁移

在电子元件储存过程及使用中,空气中存在湿气,水分,导致其相对活泼的金属银离子发生迁移,导致短路,耐压劣化,绝缘性能变差等失效。

6.过电应力

电子元件在其参数指标中设定了使用时所承载的最大应力,包括最高环境温度,最大额定功率,最大工作电压、电流、峰值电压、最大输入、输出电流/电压等,如果在使用过程中,所加的电应力超过元件的最大应力,即使是瞬间通过,也会对元件造成损伤,一般过电应力分为过电压和过电流两种,在过电应力作用下,电子元件局部形成热点,当温度达到材料熔点时,会造成材料熔化,形成开路或者短路,导致元件失效。

7.静电损伤

静电失效分为两种,潜在性失效和突发性失效,潜在性失效是指静电的放电能量比较低,仅仅局限于元件内部轻微损伤,放电后元件参数变化不大,但元件的抗过电压能力已经下降,使用寿命缩短,经过一段工作时间后就会再次出现失效,而突发性失效是指元件在静电放电损伤后,突然出现开路、短路或者参数漂移,这类表现明显,也比较容易被发现。
对于电子材料来讲,静电分为过电压场和过电流热,过电压场指的是高阻抗的静电放电回路中,绝缘介质两端电极受到高静电放电电荷而呈现高电压,有可能使电极之间的电场超过其介质临界击穿电场,使得电极之间介质发生击穿失效,过电压场失效多发于MOS元器件以及双极性电路和混合电路。过电流热失效指的是在较低阻抗的放电回路中,由于静电放电电流过大,使局部区域温度温升超过材料熔点温度,导致材料发生局部熔融是元器件失效,过电流热致失效多发生在双极性元件,包括输入用PN结保护的MOS电路,肖特基二极管以及含有双极性元件的混合电路。
六.失效分析的主要顺序

失效分析原则是先进行非破坏性分析,后进行破坏性分析,先外部分析,后解剖分析,先了解失效的有关情况,比如说设计线路,应力条件,失效现象,后分析元器件。

1.失效环境的了解

①产品数据、存货量和储存条件。
②工艺过程、外场使用情况与失效日期。
③产品在制造和装配工艺过程中的工艺条件、交货日期、条件和可接受的检查结果,装配条件和相同失效的有关记录。
④电路条件、热/机械应力、操作环境,温/湿度,室内/外,失效前发生的操作。
⑤失效类型,特性变化,完全失效或间歇性失效,失效比例和批次情况,失效的处于何种现象,无功能、参数漂移、开路、短路。

2.失效样品的保护

由于机械损伤和环境腐蚀引起失效的结果,必须对元器件进行拍照保存其原始形貌,必须保证样品在传递和存放过程中,不受环境、电和机械应力的再一次损伤。


3.失效分析方案设计

失效方案设计的目的是为了有顺序的选择试验项目,避免盲目性,避免失误和覆盖有关痕迹,可以节省时间,以便快速准确的找到失效的原因。

4.外观检查

外观检查需要通过肉眼来对失效元件与正常元件的差异,需要看失效元件上是否由灰尘、水迹、油迹、焊料痕迹、或者其他液体沾污,引起互连劣化和漏电,管脚有没有氧化、硫化和缺陷,或者由压力引起的引线断开、机械引线损坏、封装裂缝等。

5.电气检测

1.电特性测试,通过对失效元件电特性测试后,用来确定失效模式。
2.直流特性测试,通过仪器设备来测试样品的直流特性,大规模集成电路中,寄生二极管的存在使电流的漂移跟不上等效电路的变化,测试需要参照合格品来测试。
3.失效模拟测试,如果在电特性与直流特性检测不出来的情况下,需要进行使用条件的失效模拟测试。

6.应力试验分析

元件失效一般与应力有关,包括温度,电压、电流、功率、湿度、机械振动、冲击、热冲击、温度循环等,可以通过应力试验评估产品的失效应力分布,确定产品的失效应力范围。

7.故障模拟分析

一般模拟分析包含 模拟应用分析,全温度参数测试,瞬时短路、断路的试验分析,高温和高湿电偏置试验。

8.内部分析
分为非破坏性的内部分析和破坏性分析,内部分析包含X射线检查,声学扫描检查,残留气体检查,密封性检查,破坏性检查包含开封,失效点定位,芯片钝化层去除,物理分析,杂质和合成物分析。

9.纠正措施
根据失效分析结果,提出防止再次发生失效的措施与建议。

10.结果验证
失效结果正确与否,在实际应用中会得到验证,有利于采取有效措施防止类似失效再次发生,提高元件可靠性。
七.实例
一般集成封装器件,主要的失效模式和相关的失效机理如下:

1.开路 (EOS、ESD、电迁移、应力迁移、腐蚀、键合点脱落、机械应力、热变应力)
2.短路(PN结缺陷、PN结穿钉、EOS、介质击穿、金属迁移)
3.参漂(氧化层电荷、表面离子、芯片裂纹、热载流子、辐射损伤)
4.功能失效(EOS、ESD)

实例一??浪涌损坏
样品为整流桥,在实验室做实验过程中,突然失效,有输入没输出,属于功能失效,主要原因是,浪涌损坏,主要是过大的电源电压使器件发生击穿,形成短路,造成大电流,导致整流桥内部电流过大,导致整流桥损坏。
样品图如下:









八.控制失效模式的措施

一般造成失效最常见的原因是过电应力失效,具体包括过电压,过电流,浪涌及静电损伤,要避免与控制过电应力失效,需要从以下几个方面改进:


①.尽可能的了解器件的抗过电应力,如抗过静电损伤能力,工作极限电压,工作极限电流,最高工作温度等,可以从规格书或者供应商处得到相关技术指标,也可抽样按照相关标准检测,例如抗静电能力的评价试验,只有知道相关的能力参数才能在使用过程中,采取针对性设计和防护措施,在条件允许的情况下,尽可能选择抗过电应力强的器件。

②.电路设计时,在满足功能要求外,还须针对抗过电应力进行相关的可靠性设计,满足一定的可靠性设计,如在接口处设计静电保护设计,电源端的抗过压设计,以及抗浪涌设计,设计完成的电路应进行相关的抗过电能力评价试验,以便及时的修改设计,提高最终电路的抗过电应力的能力。

③.浪涌,浪涌指的是电瞬变的过电应力的一种,虽平均功率小,但瞬时功率很大,并且电浪涌的出现时随机的,对电路中元件危害很大,所以在电路中,需要使用过流保护和过压保护器件,提供过压过流保护,防止电浪涌损伤元件。

④.器件的降额使用,在我们选取设计中,首先应考虑元件的降额使用,并考虑到相关器件的散热问题,同时在功能允许条件下,减少电路的输入和输出负荷,降低其工作频率以减少功耗。

⑤.所有器件及线路板禁止带电插拔,对使用人员进行静电知识有关培训与考核,建立完整的防静电控制程序,从包装、运输等环节,消除一切可能产生静电的事物,地板,测试仪器,PCB周转箱,库房等均为防静电设计,保持室内空气的一定湿度,防止静电在设备和身体上的大量累积,各种塑料和橡胶制品容易产生静电,要避免使用,不能用尼龙的化纤制品,防止摩擦带电。

⑥.遵守使用规程,确保使用可靠性,如加电次序,不应带电操作等。
九 一般塑封器件分层预防措施

塑封料和芯片及基板的分层也是导致塑封器件,尤其是表面贴片元件失效的常见原因,具体措施如下:

①.先了解塑封器件的回流焊耐湿敏等级,可以从厂商处处于相关的技术指标,也可按照国际相关标准进行试验评定。

②.根据湿敏等级,对塑封器件存放的环境温湿度进行相应控制,并在回流焊过程中选择适当的温变速率和温变范围,避免和控制塑封器件可能发生的分层现象。

③.对存放时间和温湿度环境超过敏感度等级标准的塑封集成电路,在回流焊工艺之前应进行适当的高温烘烤,以排除可能吸附湿气,防止或控制回流焊过程中塑封料和芯片及基板之间有分层现象。
十.工艺质量的控制措施
①.首先要选择合格的供应商,要求供应商的生产工艺和产品的质量水平要达到一定的要求,并要求提供相关的工艺控制与产品质量的统计数据。

②.对每种型号批次都应进行质量检验或者甄别,需要做一些相关的测试,常温性能测试,高温储存,温度循环,功率老化等。

③.对于每种型号批次应抽样进行破坏性试验,通过简便的技术手段快速有效的发现批次性工艺缺陷。


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