电子产品失效分析技术

电子产品失效分析技术第2页内容失效分析概论主要失效模式及机理失效分析基本程序失效分析技术与设备失效案例分析第3页失效分析概论第4页失效分析概论1.基本概念失效——产品丧失功能或降低到不能满足规定的要求。失效模式——电子产品失效现象的表现形式。如开路、短路、参数漂移、不稳定等。失效机理——导致失效的物理化学变化过程，和对这一过程的解释。应力——驱动产品完成功能所需的动力和产品经历的环境条件，是产品退化的诱因。第5页失效分析概论2.失效分析的定义和作用失效分析是对已失效器件进行的一种事后检查。使用电测试以及先进的物理、金相和化学的分析技术，验证所报告的失效，确定试销模式，找出失效机理。根据失效分析得出的相关结论，确定失效的原因或相关关系，从而在产生工艺、器件设计、试验或应用方面采取纠正措施，以消除失效模式或机理产生的原因，或防止其再次出现。第6页主要失效模式及机理第7页失效模式失效模式就是失效的外在表现形式。按持续性分类：致命性失效，间歇失效，缓慢退化按失效时间分：早期失效，随机失效，磨损失效按电测结果分：开路，短路或漏电，参数漂移，功能失效按失效原因分：电应力（EOS）和静电放电（ESD）导致的失效，制造工艺不良导致的失效第8页失效模式及分布集成电路分立元件第9页电阻器电容器失效模式及分布第10页继电器按插元件失效模式及分布第11页失效机理1.过应力失效电过应力——电源输出输入的电源、电压超过规定的最大额定值。热过应力——环境温度、壳温、结温超过规定的最大额定值。机械过应力——振动、冲击、离心力或其他力学量超过规定的最大额定值。第12页失效机理2.CMOS电路闩锁失效条件——在使用上（VI；VO）VDD或（VI；VO）VSS；或电源端到地发生二次击穿。危害——一旦导通电源端产生很大电流，破坏性和非破坏性。失效特点——点现象，内部失效判别。测试标准——EIA/JESD78ICLatch-UpTest。第13页3.ESD失效机理静电放电给电子元器件带来损伤，引起的产品失效。失效机理过电压场致失效——放电回路阻抗较高，元器件因接受高电荷而产生高电压导致电场损伤，多发生于电容器件。过电流热致失效——放电回路阻抗较低，元器件因放电期间产生强电流脉冲导致高温损伤，多发生于双极器件。第14页4.金属腐蚀失效当金属与周围介质接触时，由于发生化学反应或电化学作用而引起金属腐蚀。电子元器件中，外引线及封装壳内的金属因腐蚀而引起电性能恶化直至失效。腐蚀产物形貌观察和成分测定对失效分析很有帮助。失效机理第15页失效机理5.银离子迁移银离子迁移是一种电化学现象，在具备水份和电场的条件时发生。第16页失效机理6.金铝化合物失效金和铝键合，在长期储存和使用后，金铝之间生成AuAl2，AuAl，Au2Al，Au5Al2，Au4Al等金属间化合物（IMC）这些IMC的物理性质不同，电导率较低。AuAl2呈紫色，俗称紫斑；Au5Al2，Au4Al呈浅金黄色，俗称黄斑；Au2Al呈白色俗称白斑。键合点生成金铝化合物后，键合强度降低、变脆开裂、接触电阻增大，器件出现性能退化或引线从键合界面处脱落导致开路。IMCIMC第17页失效机理7.柯肯德尔效应金铝键合系统中，若采用Au丝热压焊工艺，由于高温，金向铝中迅速扩散，在金层一侧留下部分原子空隙，这些原子空隙自发聚积，在金属间化合物与金属交界面上形成了空洞，这称为柯肯德尔效应。当柯氏效应（空洞）增大到一定程度后，将使键合界面强度急剧下降，接触电阻增大，最终导致开路失效。第18页失效机理8.金属化电迁移在外电场作用下，导电电子和金属离子间相互碰撞发生动量交换而使金属离子受到与电子流方向一致的作用力，金属离子由负极向正极移动，这种作用力称为“电子风”。对铝，金等金属膜，电场力很小，金属离子主要受电子风的影响，使金属离子朝正极移动，在正极端形成金属离子的堆积，形成小丘，而在负极端生产空洞，使金属条断开。第19页9.“爆米花效应”（分层效应）“爆米花效应”是指塑封器件塑封材料内的水份在高温下受热发生膨胀，使塑封料与金属框架和芯片间发生分层，拉断键合丝，发生开路失效或间歇失效。失效机理第20页失效分析基本程序第21页3.失效分析程序失效分析基本程序样品基本信息调查失效现场信息调查外观检查失效模式确认方案设计非破坏性分析破坏性分析综合分析报告编写第22页非破坏性分析的基本路径外观检查模式确认（测试和试验，对比分析）检漏可动微粒检测X光照相声学扫描模拟试验失效分析基本程序第23页半破坏性分析的基本路径可动微粒收集内部气氛检测开封检查不加电的内部检查（光学，SEM，微区分析）加电的内部检查（微探针，热像，光发射，电压衬度像，束感生电流像，电子束探针）多余物，污染物成分分析。失效分析基本程序第24页破坏性分析的基本路径加电的内部检查（去除钝化层，微探针，聚焦离子束，电子束探针）剖切面分析（光学，SEM，TEM）进一步的多余物，污染物成分分析。失效分析基本程序第25页失效分析技术与设备第26页失效分析技术与设备技术探测源探测物理量用途电参数测试分析电信号确定失效模式和失效管脚定位扫描声学显微分析（SAM）超声波超声波测量超声波传播，分析材料弹性特征，晶体缺陷和多层结构分析，结构截面的非破坏性分析X-射线透视仪X射线X射线强度检测电子元器件及多层PCB板的内部结构X射线光电子能谱（XPS）特征X射线光电子通过测量光电子能量确定壳层能级，利用化学位移测量化学键和化合物，元素确定，化学位移显微红外吸收光谱（FTIR）红外线红外吸收光谱识别分子官能团，有机物结构分析二次离子质谱（SIMS）离子二次离子元素确定，表面元素分布第27页失效分析技术与设备技术探测源探测物理量用途光学显微镜可见光反射光表面形貌，尺寸测量，缺陷观察扫描电子显微分析（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，X射线能谱分析（EDS）电子特征X射线元素分析及元素分布俄歇电子能谱（AES）电子俄歇电子表面元素确定和元素深度分布聚焦离子束（FIB）离子二次离子截面加工和观察透射电子显微技术（TEM）电子电子截面形貌观察，晶格结构分析第28页制样技术机械加工工具研磨、抛光化学腐蚀有机溶解反应离子刻蚀聚焦离子束（FIB）失效分析技术与设备FIB第29页失效分析技术与设备形貌观察技术目检光学显微镜（立体显微镜、金相显微镜）SEM—扫描电子显微镜TEM—投射电子显微镜AFM—原子力显微镜X-RAY透视SAM—扫描声学显微镜第30页失效分析技术与设备结构主架载物台照明系统目镜系统物镜系统拍照系统光学显微镜第31页失效分析技术与设备SEM-EDS第32页失效分析技术与设备TopographyofCarbonParticleSample(BFI)TEM第33页失效分析技术与设备AFM第34页失效分析技术与设备X-Ray透视系统结构X射线源屏蔽箱样品台X射线接收成像系统第35页失效分析技术与设备SAM结构换能器及支架脉冲收发器示波器样品台（水槽）计算机控制系统显示器第36页失效分析技术与设备成分分析技术EDS—X射线能量色散谱AES—俄歇电子能谱SIMS—二次离子质谱XPS—X光电子能谱FTIR—红外光谱GCMS—气质联用IC—离子色谱内腔体气氛检测分析第37页失效分析技术与设备0700333.spe:d,2574SAEMagnetic03Jul3010.0keV0FRR1.3480e+004max2.75minSur1/Full/1(S15D5)500100015002000-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5x1040700333.speKineticEnergy(eV)c/sCOTiAtomic%C152.9Ti135.9O111.2dAES第38页失效分析技术与设备CF3CF3CF3FOOOOOPPPNNNF3CCF3TOF-SIMS第39页失效分析技术与设备XPS用途：主要用于固体样品表面的组成、化学状态分析。能进行定性、半定量及价态分析。XPS第40页失效分析技术与设备FT-5268-05.Contaminationfrommachine719.101040.781071.691117.071269.201376.061397.541459.541507.721537.421731.082851.412918.426065707580859095100105110%Transmittance1000150020002500300035004000Wavenumbers(cm-1)CondensedsmearfromcompressedairFTIR第41页内部无损分析技术X-Ray透视观察SAM—扫描声学显微镜PIND—内部粒子噪声分析气密性分析失效分析技术与设备第42页失效分析技术与设备故障定位技术电参数检测分析定位（探针检测）形貌观察定位液晶敏感定位红外热成像定位光辐射显微定位第43页失效分析技术与设备目的：确认失效模式和失效管脚定位，识别部分失效机理。方法：与同批次好品同时进行功能测试和管脚直流特性（I-V特性）测试，对照良好样品、产品规范，解释差异。结果：可识别参数漂移、参数不合格、开路、短路与失效现场不一致等失效模式和机理。良好样品的I-V特性曲线失效样品的I-V特性曲线电参数检测分析第44页红外热像技术改进前的混合电路热分布图改进后的混合电路热分布图失效分析技术与设备第45页失效分析技术与设备应力实验分析环境应力实验分析电应力实验分析机械应力实验分析第46页失效案例分析第47页失效案例分析LEACH继电器失效分析全过程应了解的信息（相关知识、失效样品信息、失效相关信息）失效模式确认制定分析方案（动态）证据提取、分析推进综合分析和结论编写报告第48页失效案例分析1.了解继电器相关知识种类：电磁继电器、固体继电器结构：电磁系统、触点系统、机械传动系统电磁继电器的工作原理：1)电驱动线圈产生磁力机械力带动触点完成电连接2)簧片或弹簧力断开触点完成电切断第49页失效案例分析继电器主要失效模式和失效机理失效模式接触失效线圈失效绝缘失效密封失效表现形式接触电阻增大或时断时通、触点粘结、触点断开故障、吸合/释放电压漂移。线圈电阻超差、线圈开路、线圈短路。绝缘电阻变小、介质耐压降低。外壳损坏失效机理触点表面电化学腐蚀；触点表面高温氧化；燃弧——破坏触点表面，粘连，产生碳膜；触点表面金属电迁移；内部多余物残留；内部有机材料退化产生多余物；触点动作撞击；谐振；外部强电磁场等。漆膜材料缺陷；漆膜电压击穿、漏电；漆膜温度、紫外光、辐射退化；漆包线机械损伤。绝缘材料退化密封漏气第50页失效案例分析2.了解失效样品产品信息气密封装工作电压DC48V触点电压125V触点电流5A触点电阻955Ω3.了解现场失效信息使用场合：空调环境（27°C）失效现象：壳温高使用时间：一年多失效率：12.5%第51页4.确定失效模式线圈温度异常线圈电阻异常（严重减小）漆包线漆膜破裂，铜芯丝裸露漆包线短路漏电结论：线圈失效失效案例分析第52页失效案例分析5.失效原因分析FTIR分析结果第53页失效案例分析差热分析结果第54页失效案例分析气相色谱质谱分析结果良品漆包线未变黑失效样品漆包线变黑失效样品漆包线脱气量（µg/g）2.17922.71515.322脱付的有机成份有机溶剂（苯酚、呋喃等）有机溶剂（苯酚、呋喃等）邻苯二甲酸酐以及少量有机溶剂第55页失效案例分析小结失效样品漆包线性能不合格。失效样品150℃~213℃存在氧化放热反应，放热反应峰值温度为170℃。失效样品发生氧化放热反应是因为漆膜中的增塑剂氧化放热。良品300℃内无放热反应。第56页失效案例分析6.结论99年批