電子器件可靠性評價(jià)與分析技術(shù)進(jìn)展.ppt

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電子元器件失效分析技術(shù),信息產(chǎn)業(yè)部電子五所可靠性分析中心費(fèi)慶宇,基本概念和失效分析技術(shù),第一部分,失效的概念,失效定義1特性劇烈或緩慢變化2不能正常工作3不能自愈失效種類1致命性失效：如過電應(yīng)力損傷2緩慢退化：如MESFET的IDSS下降3間歇失效：如塑封器件隨溫度變化間歇失效,失效物理模型,應(yīng)力－強(qiáng)度模型失效原因：應(yīng)力>強(qiáng)度強(qiáng)度隨時(shí)間緩慢減小如:過電應(yīng)力（EOS）、靜電放電（ESD）、閂鎖（latchup)應(yīng)力－時(shí)間模型（反應(yīng)論模型）失效原因：應(yīng)力的時(shí)間累積效應(yīng)，特性變化超差。如金屬電遷移、腐蝕、熱疲勞,溫度應(yīng)力－時(shí)間模型,M溫度敏感參數(shù),E激活能,k玻耳茲曼常量,T絕對溫度,t時(shí)間,A常數(shù)T大,反應(yīng)速率dM/dt大，壽命短E大，反應(yīng)速率dM/dt小，壽命長,溫度應(yīng)力的時(shí)間累積效應(yīng),,失效原因：溫度應(yīng)力的時(shí)間累積效應(yīng)，特性變化超差,與力學(xué)公式類比,失效物理模型小結(jié),應(yīng)力－強(qiáng)度模型：不考慮激活能和時(shí)間效應(yīng)，適用于偶然失效，失效過程短，特性變化快，屬劇烈變化，失效現(xiàn)象明顯。.應(yīng)力－時(shí)間模型（反應(yīng)論模型）：需考慮激活能和時(shí)間效應(yīng)，適用于緩慢退化，失效現(xiàn)象不明顯。,明顯失效現(xiàn)象可用應(yīng)力－強(qiáng)度模型來解釋,如：與電源相連的金屬互連線燒毀是由浪涌電壓超過器件的額定電壓引起。,可靠性評價(jià)的主要內(nèi)容,產(chǎn)品抗各種應(yīng)力的能力產(chǎn)品的平均壽命,預(yù)計(jì)平均壽命的方法,1求激活能E,,,,LnL1,LnL2,1/T2,1/T1,B,預(yù)計(jì)平均壽命的方法,2求加速系數(shù)F,試驗(yàn)獲得高溫T1的壽命為L1,低溫T2壽命為L2,可求出F,預(yù)計(jì)平均壽命的方法,由高溫壽命L1推算常溫壽命L2F=L2/L1對指數(shù)分布L1=MTTF=1/λλ失效率,失效分析的概念,失效分析的定義失效分析的目的確定失效模式確定失效機(jī)理提出糾正措施，防止失效重復(fù)出現(xiàn),失效模式的概念和種類,失效的表現(xiàn)形式叫失效模式按電測結(jié)果分類：開路、短路或漏電、參數(shù)漂移、功能失效,失效機(jī)理的概念,失效的物理化學(xué)根源叫失效機(jī)理。例如開路的可能失效機(jī)理：過電燒毀、靜電損傷、金屬電遷移、金屬的電化學(xué)腐蝕、壓焊點(diǎn)脫落、CMOS電路的閂鎖效應(yīng)漏電和短路的可能失效機(jī)理：顆粒引發(fā)短路、介質(zhì)擊穿、pn微等離子擊穿、Si-Al互熔,失效機(jī)理的概念（續(xù)）,參數(shù)漂移的可能失效機(jī)理：封裝內(nèi)水汽凝結(jié)、介質(zhì)的離子沾污、歐姆接觸退化、金屬電遷移、輻射損傷,引起失效的因素,材料、設(shè)計(jì)、工藝環(huán)境應(yīng)力環(huán)境應(yīng)力包括：過電、溫度、濕度、機(jī)械應(yīng)力、靜電、重復(fù)應(yīng)力時(shí)間,失效分析的作用,確定引起失效的責(zé)任方（用應(yīng)力－強(qiáng)度模型說明）確定失效原因?yàn)閷?shí)施整改措施提供確鑿的證據(jù),舉例說明：失效分析的概念和作用,某EPROM使用后無讀寫功能失效模式：電源對地的待機(jī)電流下降失效部位：部分電源內(nèi)引線熔斷失效機(jī)理：閂鎖效應(yīng)確定失效責(zé)任方：模擬試驗(yàn)改進(jìn)措施建議：改善供電電網(wǎng)，加保護(hù)電路,某EPROM的失效分析結(jié)果,由于有CMOS結(jié)構(gòu)，部分電源線斷，是閂鎖效應(yīng)。,模擬試驗(yàn)確定失效責(zé)任方,觸發(fā)電流：350mA觸發(fā)電流：200mA維持電壓：2.30V維持電壓：8.76V（技術(shù)指標(biāo)：電源電壓：5V觸發(fā)電流>200mA）,失效分析的受益者,元器件廠：獲得改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝的依據(jù)整機(jī)廠：獲得索賠、改變元器件供貨商、改進(jìn)電路設(shè)計(jì)、改進(jìn)電路板制造工藝、提高測試技術(shù)、設(shè)計(jì)保護(hù)電路的依據(jù)整機(jī)用戶：獲得改進(jìn)操作環(huán)境和操作規(guī)程的依據(jù)提高產(chǎn)品成品率和可靠性，樹立企業(yè)形象，提高產(chǎn)品競爭力,失效分析技術(shù)的延伸,進(jìn)貨分析的作用：選擇優(yōu)質(zhì)的供貨渠道，防止假冒偽劣元器件進(jìn)入整機(jī)生產(chǎn)線良品分析的作用：學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)的捷徑,失效分析的一般程序,收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)電測并確定失效模式非破壞檢查打開封裝鏡檢通電并進(jìn)行失效定位對失效部位進(jìn)行物理化學(xué)分析，確定失效機(jī)理綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施,收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù),作用：根據(jù)失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)估計(jì)失效原因和失效責(zé)任方根據(jù)失效環(huán)境：潮濕、輻射根據(jù)失效應(yīng)力：過電、靜電、高溫、低溫、高低溫根據(jù)失效發(fā)生期:早期、隨機(jī)、磨損失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)的內(nèi)容,水汽對電子元器件的影響,電參數(shù)漂移外引線腐蝕金屬化腐蝕金屬半導(dǎo)體接觸退化,輻射對電子元器件的影響,參數(shù)漂移、軟失效例：n溝道MOS器件閾值電壓減小,失效應(yīng)力與失效模式的相關(guān)性,過電：pn結(jié)燒毀、電源內(nèi)引線燒毀、電源金屬化燒毀靜電：MOS器件氧化層擊穿、輸入保護(hù)電路潛在損傷或燒毀熱：鍵合失效、Al-Si互溶、pn結(jié)漏電熱電：金屬電遷移、歐姆接觸退化高低溫：芯片斷裂、芯片粘接失效低溫：芯片斷裂,失效發(fā)生期與失效機(jī)理的關(guān)系,早期失效：設(shè)計(jì)失誤、工藝缺陷、材料缺陷、篩選不充分隨機(jī)失效：靜電損傷、過電損傷磨損失效：元器件老化隨機(jī)失效有突發(fā)性和明顯性早期失效、磨損失效有時(shí)間性和隱蔽性,失效發(fā)生期與失效率,,,,,失效率,時(shí)間,隨機(jī),磨損,早期,以失效分析為目的的電測技術(shù),電測在失效分析中的作用重現(xiàn)失效現(xiàn)象，確定失效模式，縮小故障隔離區(qū)，確定失效定位的激勵(lì)條件，為進(jìn)行信號(hào)尋跡法失效定位創(chuàng)造條件電測的種類和相關(guān)性連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效,電子元器件失效分析的簡單實(shí)用測試技術(shù)（一）,連接性測試：萬用表測量各管腳對地端/電源端/另一管腳的電阻，可發(fā)現(xiàn)開路、短路和特性退化的管腳。電阻顯著增大或減小說明有金屬化開路或漏電部位。待機(jī)(standby)電流測試:所有輸入端接地（或電源），所有輸出端開路，測電源端對地端的電流。待機(jī)(standby)電流顯著增大說明有漏電失效部位。待機(jī)(standby)電流顯著減小說明有開路失效部位。,電子元器件失效分析的簡單實(shí)用測試技術(shù)（二）,各端口對地端/電源端的漏電流測試（或I——V測試）,可確定失效管腳。特性異常與否用好壞特性比較法確定。,待機(jī)(standby)電流顯著減小的案例,由于閂鎖效應(yīng)某EPROM的兩條電源內(nèi)引線之一燒斷。,待機(jī)(standby)電流偏大的案例TDA7340S音響放大器電路,用光發(fā)射顯微鏡觀察到漏電部位,由反向I－V特性確定失效機(jī)理,由反向I－V特性確定失效機(jī)理,直線為電阻特性，pn結(jié)穿釘，屬嚴(yán)重EOS損傷。反向漏電流隨電壓緩慢增大，pn結(jié)受EOS損傷或ESD損傷。反向擊穿電壓下降，pn結(jié)受EOS損傷或ESD損傷。,由反向I－V特性確定失效機(jī)理,反向擊穿電壓不穩(wěn)定：芯片斷裂、芯片受潮烘烤變化與否可區(qū)分離子沾污和靜電過電失效,烘焙技術(shù),1應(yīng)用范圍：漏電流大或不穩(wěn)定、阻值低或不穩(wěn)定、器件增益低、繼電器接觸電阻大2用途：確定表面或界面受潮和沾污3方法：高溫儲(chǔ)存、高溫反偏,清洗技術(shù),應(yīng)用范圍：離子沾污引起的表面漏電用途：定性證明元器件受到表面離子沾污方法：無水乙醇清洗去離子水沖洗（可免去）烘干,烘焙和清洗技術(shù)的應(yīng)用舉例,彩電圖像模糊的失效分析,烘焙和清洗技術(shù)的應(yīng)用舉例,雙極型器件的反向靠背椅特性是鈍化層可動(dòng)離子沾污的結(jié)果，可用高溫反偏和高溫儲(chǔ)存來證實(shí)。,失效分析的發(fā)展方向,失效定位成為關(guān)鍵技術(shù)非破壞非接觸高空間分辨率高靈敏度,無損失效分析技術(shù),無損分析的重要性(從質(zhì)檢和失效分析兩方面考慮)檢漏技術(shù)X射線透視技術(shù)用途：觀察芯片和內(nèi)引線的完整性反射式掃描聲學(xué)顯微技術(shù)用途：觀察芯片粘接的完整性，微裂紋，界面斷層,檢漏技術(shù),粗檢：負(fù)壓法、氟碳加壓法細(xì)檢：氦質(zhì)譜檢漏法,負(fù)壓法檢漏,,,,,,,,,,,,,,,,,,,酒精,接機(jī)械泵,氟碳加壓法,,,,,,,,,,,,,,,FC43沸點(diǎn)180C,,F113沸點(diǎn)47.6C,加熱至125C,X射線透視與反射式聲掃描比較,X射線透視舉例,FPGA電源內(nèi)引線燒斷,C－SAM像舉例,功率器件芯片粘接失效塑封IC的管腳與塑料分層,樣品制備技術(shù),種類：打開封裝、去鈍化層、去層間介質(zhì)、拋切面技術(shù)、去金屬化層作用：增強(qiáng)可視性和可測試性風(fēng)險(xiǎn)及防范：監(jiān)控,打開塑料封裝的技術(shù),濃硫酸和發(fā)煙硝酸腐蝕法,去鈍化層的技術(shù),濕法：如用HF：H2O＝1：1溶液去SiO285％HPO3溶液，溫度160C去Si3N4干法：CF4和O2氣體作等離子腐蝕去SiNx和聚酰亞胺干濕法對比,去鈍化層的監(jiān)控,觀察壓焊點(diǎn),去層間介質(zhì),作用：多層結(jié)構(gòu)芯片失效分析方法：反應(yīng)離子腐蝕特點(diǎn)：材料選擇性和方向性結(jié)果,腐蝕的方向性,無方向性：金屬互連失去依托有方向性：金屬互連有介質(zhì)層作依托,去金屬化Al層技術(shù),作用配方：30％HCl或30％H2SO4KOH、NaOH溶液應(yīng)用實(shí)例：pn結(jié)穿釘,拋切面技術(shù),環(huán)氧固化、剖切、研磨,形貌象技術(shù),光學(xué)顯微術(shù)：分辨率3600A，倍數(shù)1200X景深小，構(gòu)造簡單對多層結(jié)構(gòu)有透明性，可不制樣掃描電子顯微鏡：分辨率50A，倍數(shù)10萬景深大，構(gòu)造復(fù)雜對多層結(jié)構(gòu)無透明性，需制樣,以測量電壓效應(yīng)為基礎(chǔ)的失效定位技術(shù),用途：確定斷路失效點(diǎn)位置主要失效定位技術(shù)：掃描電鏡的電壓襯度象機(jī)械探針的電壓和波形測試電子束測試系統(tǒng)的電壓和波形測試,SEM電壓襯度象原理,金屬化層負(fù)電位為亮區(qū)，零或正電位為暗區(qū),電子束測試技術(shù),用途：（與IC測試系統(tǒng)相比較）測定芯片內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電壓和波形，進(jìn)行芯片失效定位（電鏡+電子束探頭示波器）特點(diǎn)：（與機(jī)械探針相比較）高空間分辨率，非接觸，無電容負(fù)載，容易對準(zhǔn)被測點(diǎn),機(jī)械探針與電子探針比較,直流電壓、交流電壓、脈沖電壓電壓精度高，用于模擬電路、數(shù)字電路信號(hào)注入、信號(hào)尋跡接觸性探針，需去鈍化層有負(fù)載，波形易變形空間分辨率差,交流電壓、脈沖電壓電壓精度低，用于數(shù)字電路信號(hào)尋跡非接觸性探針，不需去鈍化層無負(fù)載，波形不變形空間分辨率高,由設(shè)計(jì)版圖確定電子束探測點(diǎn)用波形比較法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證,CAD設(shè)計(jì)版圖,,芯片實(shí)時(shí)象,,用EBT進(jìn)行失效分析實(shí)例,80腳進(jìn)口HD63B03微處理器單元手工焊正常載流焊，90％發(fā)生多腳開路失效原因改進(jìn)建議,80腳進(jìn)口HD63B03微處理器單元失效分析,引線框架密封不良的IC的反射聲學(xué)顯微圖象,以測量電流效應(yīng)為基礎(chǔ)的失效定位技術(shù),紅外熱象技術(shù)用途：熱分布圖，定熱點(diǎn)光發(fā)射顯微鏡用途：微漏電點(diǎn)失效定位柵氧化層缺陷，pn結(jié)缺陷，閂鎖效應(yīng)電子束感生電流象用途：pn結(jié)缺陷,改進(jìn)前后的混合電路熱分布圖,FPGA,EMM確定CMOS電路閂鎖效應(yīng)易發(fā)區(qū),閂鎖效應(yīng)的外因和內(nèi)因閂鎖效應(yīng)的危害閂鎖效應(yīng)的預(yù)防增強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)EMM的作用失效定位,單端輸出束感生電流象（EBIC）,EBIC的用途：用SEM觀察pn結(jié)缺陷傳統(tǒng)EBIC用雙端輸出，每次只能觀察一個(gè)結(jié)單端輸出EBIC可同時(shí)觀察芯片所有pn結(jié)的缺陷，適用于VLSI失效分析例某CMOS電路的EBIC,原理,CMOS電路的束感生電流象,封裝內(nèi)部氣體成份分析,封裝內(nèi)部水汽和腐蝕性氣體的危害：引起芯片表面漏電，器件電特性不穩(wěn)定腐蝕金屬化層直至開路檢測法內(nèi)置傳感器露點(diǎn)檢測質(zhì)譜分析,露點(diǎn)檢測,1應(yīng)用范圍:氣密性封裝內(nèi)部水汽濃度2原理:露點(diǎn)與水汽濃度相關(guān)3方法:通過降溫確定器件的水汽敏感電特性的突變溫度(露點(diǎn)),質(zhì)譜分析結(jié)果,其它結(jié)果為：氣體總壓強(qiáng)，氧，氬，氫，CO2，酒精，甲醇，碳?xì)浠衔飪x器靈敏度：水汽100ppm,其它氣體10ppm,用SEM進(jìn)行VLSI金屬化層晶粒結(jié)構(gòu)的定量分析,1.定量分析的重要性適當(dāng)增大晶粒尺寸可增加鋁金屬層抗電遷移能力定量測定VLSI鋁金屬化層晶粒尺寸，有助于控制工藝條件，制備高可靠的鋁金屬化層,用SEM進(jìn)行VLSI金屬化層晶粒結(jié)構(gòu)的定量分析,2.定量分析方法SEM圖象數(shù)字分析軟件，可統(tǒng)計(jì)出金屬化層任意區(qū)域不同晶粒尺寸范圍的晶粒數(shù)目，用于VLSI金屬化工藝的統(tǒng)計(jì)工藝控制，是觀念上的創(chuàng)新。,固態(tài)器件微區(qū)化學(xué)成份分析,ISP在過電應(yīng)力作用下金屬化層的熱電遷移照片和連接物的能譜分析結(jié)果,X射線能譜分析確定鋁金屬橋接,聚焦離子束技術(shù),用途：1制備探測通孔，實(shí)現(xiàn)多層布線VLSI的下層金屬節(jié)點(diǎn)的電壓和波形測試2為對準(zhǔn)下層金屬制備通孔，可同時(shí)顯示CAD設(shè)計(jì)版圖和芯片實(shí)時(shí)圖象，可根據(jù)版圖確定鉆孔部位。3在VLSI芯片上進(jìn)行線路修改，省去重新制板和流片的手續(xù)，加快產(chǎn)品研制,用FIB制備探測通孔,,,,,,聚焦離子束技術(shù),4為觀察內(nèi)部缺陷，對樣品進(jìn)行局部剖切面5掃描離子顯微鏡可用于形貌觀察,聚焦離子束技術(shù)應(yīng)用實(shí)例,電路修改,