電子元器件檢測(cè)中心:失效模式和效果分析

日期:2021-08-23 13:55:14 瀏覽量:2893 標(biāo)簽: 失效分析

電子元器件產(chǎn)業(yè)作為電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)力量, 更是新時(shí)代發(fā)展革新的重點(diǎn)。中國(guó)電子元器件的發(fā)展過程是從淺到深、從少到多, 直到累積一定程度, 才獲取優(yōu)異成績(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 當(dāng)前我國(guó)電子元器件行業(yè)總產(chǎn)值大約占據(jù)電子信息產(chǎn)業(yè)的百分之二十,電子元器件產(chǎn)業(yè)也成為引導(dǎo)我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)內(nèi)容。所以,電子元器件的失效分析成為其中很重要的部分。    

1.失效分析的概述  

可靠性工作的目的不僅是為了了解、評(píng)價(jià)電子元器件的可靠性水平,更重要的是要改進(jìn)、提高電子元器件的可靠性。所以,在從使用現(xiàn)場(chǎng)或可靠性試驗(yàn)中獲得失效器件后,必須對(duì)它進(jìn)行各種測(cè)試、分析,尋找、確定失效的原因,將分析結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)、制造、管理等有關(guān)部門,采取針對(duì)性強(qiáng)的有效糾正措施,以改進(jìn)、提高器件的可靠性。這種測(cè)試分析,尋找失效原因或機(jī)理的過程,就是失效分析。  失效分析室對(duì)電子元器件失效機(jī)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(shè)計(jì)到生產(chǎn)到應(yīng)用等各個(gè)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(gè)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(jī)理在每個(gè)元器件上重復(fù)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(diǎn):  

(1) 通過失效分析得到改進(jìn)設(shè)計(jì)、工藝或應(yīng)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(yù)測(cè)可靠性模型公式。

(3) 為可靠性試驗(yàn)條件提供理論依據(jù)和實(shí)際分析手段。  

(4) 在處理工程遇到的元器件問題時(shí),為是否要整批不用提供決策依據(jù)。

(5) 通過實(shí)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(yàn)和運(yùn)行工作時(shí)的故障,得到明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2.失效的分類  

在實(shí)際使用中,可以根據(jù)需要對(duì)失效做適當(dāng)?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(cè)合格;

按失效原因,可以分成誤用失效、本質(zhì)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(shí)間特性程度及時(shí)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(fù)性失效;

按失效后果的嚴(yán)重性,可以分為致命失效、嚴(yán)重失效、輕度失效;

按失效的關(guān)聯(lián)性和獨(dú)立性,可以分為關(guān)聯(lián)失效、非關(guān)聯(lián)失效、獨(dú)立失效、從屬失效;

按失效的場(chǎng)合,可分為試驗(yàn)失效、現(xiàn)場(chǎng)失效(現(xiàn)場(chǎng)失效可以再分為調(diào)試失效、運(yùn)行失效);

按失效的外部表現(xiàn),可以分為明顯失效、隱蔽失效。    

3.失效機(jī)理與失效模式  

電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造、試驗(yàn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用等過程中發(fā)生的,與原材料、設(shè)計(jì)、制造、使用密切相關(guān)。電子元器件的種類很多,相應(yīng)的失效模式和機(jī)理也很多。失效機(jī)理是器件失效的實(shí)質(zhì)原因,說明器件是如何失效的,即引起器件失效的物理化學(xué)過程,但與此相對(duì)的是它遲早也要表現(xiàn)出的一系列宏觀性能、性質(zhì)變化,如疲勞、腐蝕和過應(yīng)力等。我們可以根據(jù)不同的失效機(jī)理確定相應(yīng)的失效模型,對(duì)電子元器件進(jìn)行失效分析。從現(xiàn)場(chǎng)失效和試驗(yàn)中去收集盡可能多得信息(包括失效形態(tài)、失效表現(xiàn)現(xiàn)象及失效結(jié)果等)進(jìn)行歸納和總結(jié)電子元器件的是失效模式,分析和驗(yàn)證失效機(jī)理,并針對(duì)失效模式和失效機(jī)理采取有效措施,是不斷提高電子元器件可靠性水平的過程。

電子元器件的主要失效機(jī)理有:     

(1)過應(yīng)力(EOS):是指元器件承受的電流、電壓應(yīng)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(yùn)輸過程中,可能與帶靜電的容器、測(cè)試設(shè)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(yīng)(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(huì)存在    

(4)電遷移(EM):當(dāng)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(huì)沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的運(yùn)輸,其結(jié)果會(huì)使導(dǎo)體的某些部位出現(xiàn)空洞或晶須。    

(5)熱載流子效應(yīng)(HC):熱載流子是指能量比費(fèi)米能級(jí)大幾個(gè)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(dāng)其能量達(dá)到或超過Si-SiO2界面勢(shì)壘時(shí)(對(duì)電子注入為3.2eV,對(duì)空穴注入為4.5eV)便會(huì)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(dòng)不穩(wěn),這就是熱載流子效應(yīng)。     

(6) 柵氧擊穿:在MOS器件及其電路中,柵氧化層缺陷會(huì)導(dǎo)致柵氧漏電,漏電增加到一定程度即構(gòu)成擊穿。     

(7)與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿(TDDB):施加的電場(chǎng)低于柵氧的本征擊穿強(qiáng)度,但經(jīng)歷一定的時(shí)間后仍會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象,這是由于施加應(yīng)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(xué)勢(shì)不同,經(jīng)長(zhǎng)期使用或200以上的高溫存儲(chǔ)后,會(huì)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(dǎo)致開路。在300高溫下還會(huì)產(chǎn)生空洞,即柯肯德爾效應(yīng),這種效應(yīng)是高溫下金向鋁中迅速擴(kuò)散并形成化合物,在鍵合點(diǎn)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(yīng)”: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(yīng),拉斷鍵合絲,從而發(fā)生開路失效。失效模式是指失效的外在直觀失效表現(xiàn)形式和過程規(guī)律,通常指測(cè)試或觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式,如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。產(chǎn)品的失效依據(jù)其是否具有損傷的時(shí)間累積效應(yīng)而被分為“過應(yīng)力型失效”和“損耗型失效”,所以,與時(shí)間相關(guān)的失效模型定量地描述了產(chǎn)品隨時(shí)間的損傷積累狀況,在宏觀上表現(xiàn)為性能或是參數(shù)隨時(shí)間的退化。

常用的失效模型有:

(1) 阿列尼烏茲模型:阿列尼烏茲模型定量地給出化學(xué)反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系,所以,如果一個(gè)產(chǎn)品的失效過程取決于這樣的一個(gè)化學(xué),則阿列尼烏茲模型 就給出了產(chǎn)品的壽命,反應(yīng)環(huán)境溫度T(絕對(duì)溫度)下的產(chǎn)品壽命t.jpg,其中,C為常數(shù);Ea為化學(xué)反應(yīng)的激活能。建立在這一模型基礎(chǔ)上的加速因子AF則為:AF.jpg,這里,Tacc為加速條件下的溫度。     

(2) 艾林模型:艾林模型與阿列尼烏茲模型相比可以考慮溫度以外更多類型的應(yīng)力的影響,同時(shí),潛在地可以考慮這些不同類型應(yīng)力之間的相互作用。   

電子零件檢測(cè)中心:失效模式和效果分析

4.失效分析技術(shù)  

失效分析技術(shù)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(shù);樣品制備技術(shù);顯微分析技術(shù);應(yīng)力驗(yàn)證技術(shù);電子分析技術(shù);成份分析技術(shù)。

1、失效定位技術(shù)  

失效定位技術(shù)的主要目的是確定檢測(cè)目標(biāo)的失效部位,隨著現(xiàn)代集成電路及電子元器件的復(fù)雜化,失效定位技術(shù)就顯得尤為重要。失效定位技術(shù)有多種方法,其中無需開封即可進(jìn)行的無損檢測(cè)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(jié)構(gòu),內(nèi)引線開路或短路,粘接缺陷,焊點(diǎn)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(cè)到失效部位,則需要對(duì)元器件進(jìn)行開封處理,而后可進(jìn)行其他方法的失效定位,如顯微檢查。  

2、 樣品制備技術(shù)

解決大部分失效分析,都需要采用解剖分析技術(shù),即對(duì)樣品的剖層分析,它不對(duì)觀察和測(cè)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(duì)于多層結(jié)構(gòu)芯片來說,還要去層間介質(zhì)。打開封裝可以使用機(jī)械開封或化學(xué)開封方法。去鈍化層可使用化學(xué)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(shù)   

失效原因的分析,失效機(jī)理的確定及前文提到的失效定位都要用到顯微分析技術(shù)。顯微分析一般采用各種顯微鏡,且他們各具優(yōu)缺點(diǎn),如景深大成像立體感強(qiáng)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(dá)幾十萬倍)的SEM;制樣要求高可觀察到晶格結(jié)構(gòu)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(shí)際情況進(jìn)行設(shè)備和方法的選擇。  

4、 應(yīng)力驗(yàn)證技術(shù)  

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(yīng)力,不同電流、電壓下產(chǎn)生的電應(yīng)力等,都會(huì)導(dǎo)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(yàn)證元器件在各種應(yīng)力下的可靠性。  

5、 電子分析技術(shù)  

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

6、 成份分析技術(shù)  

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(shù),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(shè)備有EDS,EDAX,AES,SIMS等。

失效發(fā)生的環(huán)節(jié)有開發(fā)、生產(chǎn)、工程等階段,失效信息的匯集部門也相應(yīng)地存在于多個(gè)部門。如果沒有及時(shí)地將失效信息反饋至失效分析部門,勢(shì)必影響失效分析的及時(shí)性和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,必須建立有效的反饋渠道,使失效分析工程師能夠及時(shí)了解器件的失效情況以及分析進(jìn)展。


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