电子元器件失效性分析

电子元器件失效性分析与应用赵春平公安部第一研究所摘要：警用装备作为国内特种装备制造业之一，其可靠性、精确性要求非一般企业及产品所能满足，因其关系到现场使用者及人民的生命财产安全，故设备选材更是严之又严。电子元器件作为警用电子系统的基础及核心部件，它的失效及潜在缺陷都将对装备的可靠性产生重要影响；电子器件失效分析的目的是通过确定失效模式和失效机理，提出对策、采取措施，防止问题出现，失效分析对于查明元器件的失效原因并及时向设计者反馈信息是必须的。随着警用装备制造水平的不断进步，元器件的可靠性问题越来越受到重视，设备研制单位和器件生产厂家对失效分析技术及工程实践经验的需求也越来越迫切。关键词：警用装备、可靠性、失效模式、失效机理。一、失效分析的基本内容，定义和意义1．1失效分析的基本内容电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序认定器件的失效现象，判断其失效模式和机理，从而确定失效原因，对后续设计提出建议，在生产过程中改进生产工艺，器件使用者在系统设计时改进电路设计，并对整机提出相应测试要求、完成测试。因此，失效分析对元器件的研制速度、整机的可靠性有着重要意义。1.2失效的分类在实际使用中，可以根据需要对失效做适当分类：按模式分为：开路、短路、无功能、特性退化、重测合格；按原因分为：误用失效、本质失效、早起失效、偶然失效、耗损失效、自然失效；按程度分为：完全失效、局部失效、按时间分为：突然失效、渐变失效、退化失效；按外部表现分为：明显失效、隐蔽失效等。二、失效的机理、模式2.1失效的机理由于电子器件的失效主要来自于产品制造、实验、运输、存储、使用等一系列过程中发生的情况，与材料、设计、制造、使用密切相关。且电子元器件种类繁多，故失效机理也很多，失效机理是器件失效的实质原因，在此说明器件是如何失效，相当于器件失效的物理和化学过程，从而表现出来性能、性质（如腐蚀、疲劳、过应力等）。元器件主要失效机理有：2.1.1过应力（EOS）：指元器件承受的电流、电压应力或功率超过了其允许的最大范围。2.1.2静电损伤（ESD）指电子器件在加工生产、组装、贮存、运输中与可能带静电的容器、测试及操作人员接触，所带经典经过器件引脚放电到地面，使器件收到损伤或失效。2.1.3闩锁效应（Latch-Up）:MOS电路中由于寄生PNPN晶体管存在而呈现低阻状态，这种低阻状态在触发条件去除或者终止后任然会存在。2.1.4电迁移（EM）:当器件工作时，金属互联线内有一定电流通过，金属离子会沿着导体产生质量的运输，其结果会使导体的某些部位出现空洞或晶须。2.1.5热载流子效应（HC）:热载流子是指能量比费米能级大几个KT以上的载流子。这些载流子与晶格不处于热平衡状态，当其能量达到或者超过SI-SIO2界面势垒时（对电子注入为3.2eV,对空穴注入为4.5eV）便会注入到氧化层中，产生界面态，氧化层陷阱或被陷阱所俘获，是氧化层电荷增加或波动不稳，这就是热载流子效应。2.1.6栅氧击穿：在MOS器件及其电路中，栅氧化层缺陷会导致栅氧漏电，漏电增加到一定程度即构成击穿。2.1.7与时间有关的介质击穿（TDDB）：施加的电场低于栅氧的本证击穿强度，但经历一定的时间后仍然会击穿，这是由于施加应力过程中，氧化层内产生并聚集了缺陷的原因。2.1.8由于金-吕之间的化学势不同，经长期使用或200度以上的高温存储后，会产生多种金属间化合物，如紫斑、白斑等。使铝层变薄、接触电阻增加，最后导致开路。300度高温下还会产生空洞，即可肯德尔效应，这种效应是高温下金向铝迅速扩散并形成化合物，在键合点四周出现环形空间，是铝膜部分或全部脱离，形成高祖或开路。2.1.9爆米花效应：塑封元器件塑封料内的水汽在高温下受热膨胀，使塑封料与金属框架和芯片间发生分层反映，拉断键合丝，从而发生开路失效。2.2失效模式失效的模式指外在的表现形式和过程规律，通常指测试或观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能失效等。产品的失效依据其是否具有损伤的时间累积效应而被分为过应力失效和损耗性失效，所以与时间相关的失效模型定量地描述了产品随时间的损伤积累状况，在宏观上表现为性能或是参数随时间的退化。常用的失效模型有：2.2.1阿列尼乌兹模型：列尼乌兹模型定量的给出化学反应速率与温度的关系，所以，如果一个产品的失效过程取决于这样的一个化学，列尼乌兹模型就给出了产品的寿命。2.2.2艾林模型：艾林模型与列尼乌兹模型相比可以考虑温度以外的更多应力的影响，同时潜在的可以考虑这些不同类型应力之间的相互作用。三、失效分析技术失效分析技术是失效分析使用的手段和方法，主要包括六大方面：失效定位技术、样品制备技术；显微分析技术；应力验证技术；电子分析技术；成分分析技术。3.1失效定位技术：失效定位技术的主要目的是确定检测目标的失效部位，随着现代集成电路及电子器件的复杂化，失效定位技术就显得尤为重要。失效定位技术有多种方法，其中无需开封即可进行的无损检测有X-RAY,SAM等。X-RAY可用于观察元器件及多层印刷电路板的内部结构，内引线的是否开路或短路，粘接缺陷，焊点缺陷，封装裂纹，空洞、桥连、立碑及器件漏装等缺陷。这也是人工焊接操作时容易反生的问题，经过这几年在线上的学习和工作，对此类缺陷了如于心，这也从根本上排除了由于人工操作引起的失效。SAM则可观察到内部裂纹，分层缺陷，空洞，气泡，空隙等，若X-RAY，SAM不能检测到失效部位，则需要对元器件进行开封，而后用其他方法定位。例如显微检查。3.2样品制备技术未解决大部分失效分析，都需要采用解剖分析技术，即对样品的剖层分析，阴气不对观察和测试部分存在破坏。样品的制备步骤一般包括：开发封装、去钝化层，对于多层结构芯片来说，还要去除层间介质。打开封装可以使用机械和化学两种方法，去钝化层可使用化学腐蚀或等离子腐蚀。3.3显微分析技术失效原因的分析，失效机理的确定及前文提到的失效定位都要用到现为分析技术。现为分析技术一般采用各种显微镜，且它们个具有优缺点，如景深大成像立体感强的体式显微镜；平面成像效果好的金相显微镜；放大倍数高的SEM；制样要求高可观察到晶格结构的TEM；成像精度不高但操作方便的红外显微镜；成像精度较高的光辐射显微镜等，要根据实际情况进行设备和方法的选择。3.4应力验证技术电子器件在不同环境中可靠性存在差异，如不同温度、湿度下产生的应力，不通电流、电压下产生的电应力等，都会导致电子元器件性能的变化，或失效。因此，可以模拟各种环境参数，来验证元器件各种应力下的可靠性。3.5电子分析技术利用电子进行失效分析的方法很多，如EBT,EPMA,SEM,TEM,AES等。3.6成分分析技术需要确定元器件中某一部分的成分即需要用到成分分析技术，以判断是否存在污染，或组份是否正确，而影响了元器件的性能。常用设备有EDS,EDAX,AES,SIMS等。四、失效分析的应用以上是失效分析的概念问题，下面讲讲失效分析的实际应用：例如一个EPROM在使用后不能读写的分析1）先不要相信使用者的话，进行一系列复判。2）快速失效分析：失效定位分析，查找电源端开始测试，首先做待机电流测试，电源对地的待机电流下降；制备分析，进行开封测试。开封发现电源线中间断（中间散热慢，两端散热快），因为断开，相当于并联电阻少了一个电阻，电流减小。3）分析原因：闩锁效应应力大于产品本身强度。4）责任：确定失效责任方：进行模拟实验，测闩锁的能力，看触发的电流值，越大越好，至少要大于datasheet或近似良品的值在标准范围内的。接下来检测维持电压（第二拐点电压），若大于标准指，则很难回到原值。若多片良品检测没问题，说明是使用者使用不当导致。5）改善建议：改善供电措施，加电路保护措施。4.1常见电子器件失效分析方法及改正措施4.1.1电阻器：电阻器最容易失效于阻值增大；开路原因：受潮，发生电腐蚀，过电应力。4.1.2电容器：电解电容用于电源滤波，一旦短路后果很严重特点是容值大寿命短，如果漏液则导致电容减少，大点路烧坏电极造成短路放电；电源犯戒会产生强大电流烧坏电极；阴极氧化使绝缘膜增厚，导致电容下降；长期放置不通电，阳极氧化膜不断脱落不能及时修补，漏电电流增大，可加直流电使之修复。4.1.3继电器：触点飞弧放电粘结原因：键结合点外围回路有线圈，线圈产生大的电动势时，且当键间有水气，会发生触点飞弧放电，造成粘结。4.1.4电路板：离子迁移当线间有水分和杂质，通电后使离子通电，短路。五、失效分析在警用设备中应用的重要性作为保障警用设备可靠性、保证警用设备正常工作，防止设备失效而对社会和人身造成伤害，每一个设备生产工程师都应具备一定素质。而设备可靠性基本也可以归结为元器件失效，换句话说产品出去，在客户那里使用不良，很大程度是元器件失效引起的，所以失效分析的精华就是元器件失效分析，但是元器件失效，除了元器件本身可靠性，还有设计、工艺、人工、环境应力等因素，或者综合因素，至于元器件本身问题，按照供应链管理的思路，追述到供应商，同样可以归结为原材料的设计、工艺、人工、环境引起，所以，可靠性工程师必定要求对元器件的设计选用，测试，生产工艺熟悉，我个人角度，认为，可以多与供应商沟通，对于不了解的元器件可以抽出时间去现场考察学习。更重要的，失效性分析离不开我们每个人的工作。实事求是，数据真实可靠，是一切研究的根本。参考文献1、王开建、李国良等，电子器件失效分析【J】.半导体学报，2006，27（1）:295-2982、杨兴、刘玉宝，微电子器件的失效分析【J】.LSI制造与测试，1999,11(4):56-59