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电子元器件失效分析基础

时间:2020/6/9 15:31:05浏览次数:496

失效分析(Failure Analysis)是对已失效的器件进行的一种事后检查。根据需要,使用电测试以及显微形貌分析、结构分析、物理性能探测、微成分分析等一系列分析手段,确定其失效模式,找出失效机理,定义其失效原因。本文主要介绍失效分析的一些概念及失效分析的部分分析手段。



  1、失效分析的作用和意义  

失效分析是提高电子元器件可靠性的必要手段和途径。电子元器件可靠性工作主要包括两方面:一是评价可靠性水平,二是提高可靠性。可靠性工作不仅是为了评价可靠性水平,更重要的是设计和生产出高可靠性的产品。只有从失效分析入手,取得前期同类产品在生产、试验以及使用中的失效信息,分析其失效模式及失效机理,联系产品结构及工艺,揭露其失效的内在原因,才能生产出所需的高可靠性产品。

开展失效分析工作,不仅在提高产品可靠性方面有很好的效果,而且会产生很高的经济效益。失效分析虽不直接出产品,但提高了元器件的质量和可靠性,减少系统试验和现场使用中的故障。图表1给出在不同阶段排除失效半导体器件的费用比较。因此如能尽早开展失效分析工作,尽早采取相应措施,就可显著减少元器件现场失效的比例,大大降低维修费用,从而产生显著的经济效益。

表1 排除失效半导体器件的费用比较

(价格:美元/只)

用途 排除阶段
购进器件 设备安装 系统调试 现场使用
商业应用 2 5 5 50
工业应用 4 25 45 215
军事应用 7 50 120 10000000
航天应用 15 75 300 20000000


  2、失效分析的要求  


要开展电子元器件的失效分析工作,必须了解电子元器件的工作原理、材料性能、结构特性、制造工艺等方面。同时要了解电子元器件的应用电路,应用场所及环境。尽可能的了解元器件的运输装配过程等一切背景信息,确认电子元器件是否在运输、装配过程中带来了新的损伤,这对于失效分析工作特别重要。

明确其失效模式,失效模式是指失效的外在直观失效表现形式和过程规律,通常指测试观察到的失效现象、失效形式,如开路、短路、参数漂移、功能失效等。要明确失效模式,首先要细心收集失效现场数据。一般情况下失效分析委托方发现失效元器件,会对失效样品进行初步电测判断,再次会使用良品替换确认故障。如有可能要与发现失效的人员进行交流,详细了解原始数据,这是开展失效分析工作关键一步。

确认其失效机理,失效机理是指失效的物理和化学变化的过程,微观的过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化,但与此相对应的是其迟早要表现出一系列宏观(外在的)性能、性质的变化,如疲劳、过应力,腐蚀等等。失效机理的确认是对失效内在本质的研究,即对酿成失效的必然性和规律性的研究。例如在功率器件的EAS失效中,就可能存在着过电压导致寄生三极管开启,导致器件失效。也可能存在着电路板系统温度过高,致使器件寄生三极管开启电压下降,随即导致寄生三极管开启,导致器件失效。

要能精确的分析到器件内在的失效机理,就必须有一定的技术手段和设备手段。掌握了必要的设备分析手段,才能为开展失效分析打下良好的基础。一般失效分析的设备及其功能主要有如下几类,详见图表2.


表2 失效分析常用的设备及功能

设备 探测源 探测物理量 用途
电参数测试分析仪 电信号 确认失效模式和失效管脚定位
超声扫描声学显微分析仪(SAM) 超声波 超声波 发现器件中空洞、裂纹、不良粘结和分层剥离等的异常位置
X射线透视仪(X-RAY) X射线 X射线强度 检查芯片与基板的黏结是否良好、键和是否断开等
光学显微镜 可见光 反射光 表面形貌、尺寸测量、缺陷观察
显微红外热像探测仪(FTIR) 红外线 红外吸收光谱 获得器件结温、表面温度分布图、瞬态温度变化图、发现局部热点
二次离子质谱仪(SIMS) 离子 二次离子 元素确认、表面元素分布
俄歇电子能谱仪(AES) 电子 俄歇电子 元素确认、表面元素分布、表面元素化学价态分析、元素沿厚度(深度)方向分布分析
聚焦离子束分析仪(FIB) 离子 二次离子 界面加工和观察
扫描电子显微镜(SEM) 电子 二次电子、背散射电子 表面形貌、晶体缺陷、电位分布、电压衬度像、电压频闪图
透射电子显微镜(TEM) 电子 电子 截面形貌观察、晶格结构分析


  3、失效分析的一般程序  


失效分析的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,后内部(解剖)分析;先调查了解与失效的有关情况(电路、应力环境条件、失效现象),后分析失效元器件。失效分析流程图如下图所示。




3.1样品信息调查

失效样品信息是方案设计、分析过程和机理诊断的重要依据,信息调查应包括但不局限以下几点:(1)基本信息。样品工作原理、样品型号、批次等。(2)技术信息-特定的使用信息,如整机故障、异常环境、失效历史及失效比例。技术信息-特定的样品生产工艺,对于结构或参数有变动的器件,应先对良品测试或开帽了解其电性能或结构特征。


3.2失效分析方案的设计

制定失效分析方案是为了能快速准确的进行失效分析,得到正确的分析结论,避免分析过程的盲目性。在进行下一步分析,尤其是破坏性分析前,必须尽量保证已获得的信息的准确性。当然方案可随着分析开展随时进行调整。


3.3外观检查

失效元器件的外观检查十分必要,一般在4-60倍的光学立体显微镜下进行观察。外观检查中应关注这些现象,如灰尘、沾污、绝缘子裂纹、管壳或引脚变色、机械损伤、封装裂纹等等。


3.4电性能测试

失效分析中电性能测试是确认失效模式是否与客户提供的一致,当然电测试的结果不仅局限于发现样品与客户提供的失效模式一致,应使用更专业的半导体测试设备,深究器件失效后的电参数。电性能测试包括功能参数测试、直流(IV特性)测试。功能参数测试即是对照样品规格书进行测试,如有良品对照,可取得事半功倍的效果。直流(IV特性)测试是最直接,最快速判断样品失效的手段,但应特别注意,测试量程的限制,避免对样品造成二次损伤。


3.5应力实验分析

元器件的失效通常与应力有关,这些应力包括电应力,如电压、电流、电功率;温度应力,如高温、低温、温度变化等;机械应力,如振动、冲击、跌落等;还有湿度、盐雾、霉菌等。在失效分析中开展应力实验主要用来激发失效,复现失效模式或观察在应力条件下参数分布的变化趋势,从而有助于分析失效机理,确认失效原因。例如高温偏置试验下,样品漏电特性是否发生变化,有助于帮助识别是否存在离子沾污;振动试验可以激发可能存在的接触不良等。


3.6故障模拟分析

故障模拟分析的目的是使故障重现,适用于失效样品发生参数恢复、漂移,或者失效模式为间歇性短路、开路的情况。分析项目包括模拟应用分析、全温度参数测试,以及温度、温变、机械振动等试验。


3.7失效分析定位

3.7.1非破坏性分析

非破坏性分析即通常所说的无损检测,在不破坏样品封装的前提下查找样品的失效点。通常包括:X-RAY透视检查、扫描声学显微检查、磁显微缺陷定位技术、热点定位分析等。

X-RAY透射检查,可用于无损检测电子元器件及多层印刷电路板的内部结构、内引线开路或短路、粘结缺陷、焊点缺陷、封装裂纹、桥连、立碑及器件漏装等缺陷。

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扫描声学显微检查,可用于对电子元器件内部缺陷的检查,如材料之间的分层,空洞等进行无损检查。

磁显微缺陷定位技术不受封装材料和封装形式的影响。电流图像能同时从器件正面和背面穿过多层金属、芯片或封装材料后被获取。因此利用磁显微缺陷定位技术不需进行样品的制备(如开封、去钝化层等)。利用磁显微缺陷定位技术可以实现对芯片级、互连极及封装级的失效定位,可以定位电短路、漏电及高阻缺陷,如走线破裂、润湿不好或C4焊接撞破、过孔分层、3D堆叠封装的缺陷分析。

显微红外热点探测。很多情况下器件会在加电的情况下出现异常热点,通过显微红外热点探测就可以进行损伤定位。目前最新的增强型带锁定功能的显微红外技术可以在不开封的情况下对芯片进行热点探测。


3.7.2半破坏性分析

半破坏性分析即对样品进行开封,但保留样品内部所有状态和信息(如不能破坏引线键合)的分析。具体包括开封、显微形貌观察、物理性能分析。

开封,及对样品去除芯片表面包封,使芯片裸露出来,常用的开封方法包括:机械开封、化学开封、激光开封等。开封的原则是尽量不破坏样品的失效信息。

显微形貌观察是对器件内部失效和缺陷定位的基本方法。除了光学显微镜,SEM观察是最常用的方法。主要用二次电子和背散射电子来成像做形貌观察。同时SEM配套的X射线能谱仪可利用样品发出的X射线来对样品微小区域的元素进行定量分析。

物理性能分析是指在施加偏置或应力的条件下,通过探测元器件内部电、光、热、电磁场等物理性能进行探测的技术,是失效分析技术的重要手段。主要包括:电子束探测技术、显微红外热点探测技术等。电子束探测技术是使用SEM发展的一种新的分析技术。采用电子束探针代替传统机械探针,对半导体芯片进行非接触式、非破坏性的探测,主要用于VLSI芯片的设计验证和失效定位。


3.7.3破坏性分析

破坏性分析主要包括物理分析和微量成分分析。

物理分析主要包括:芯片剥层、机械剖面制样和FIB制样。芯片剥层主要使用化学腐蚀、等离子刻蚀和反应离子刻蚀等方法对芯片钝化层、金属层或介质层进行逐层去除,最终达到暴露失效点或缺陷点的目的。机械剖面是指对样品进行机械研磨、抛光,获得平整的样品剖面,进行进一步分析。FIB制样是指在微观尺度上对半导体器件表面进行微米、纳米尺度上的制样技术。

微量成分分析是指对器件表面或内部的材料进行元素分析的手段。成分的异常如表面沾污、内部材料的相互渗透及掺杂缺陷都有可能是失效的主要原因。所以在失效分析中也经常需要对微区的成分进行探测和分析。


3.8综合分析确定失效原因

完成所有分析项目后,就需要对所采集的数据进行整合、推理和分析。综合分析的内容一般包括:确认失效模式,包括功能参数和外观形貌等;确定失效区域,包括有些需要深入到芯片级的微观结构和区域;阐述失效机理,从电性能测试、应力实验、故障模拟和失效定位分析的结果出发,对可能的失效机理进行分析;给出失效原因,机理明确后,结合样品的背景信息,给出造成失效的可能原因。在可能的情况下,应给出此次失效是批次性的还是偶发性的,是元器件本身问题还是使用不当造成的,或者是兼而有之。


3.9结果验证

失效分析的结果是否正确,只有在实际应用中才能得到验证,应紧密联系元器件生产单位、使用单位和失效分析单位,使失效分析、应用验证形成闭环系统。不断提高元器件及系统端的可靠性。

 


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