电子器件可靠性评价与分析技术进展

电子元器件可靠性物理中国电子电器可靠性工程协会费庆宇Tel.010-67642668北京市南三环东路27号C1108第一讲失效物理的概念失效的概念•失效定义1特性剧烈或缓慢变化2不能正常工作•失效种类1致命性失效：如过电应力损伤2缓慢退化：如MESFET的IDSS下降3间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效失效物理的概念•定义：研究电子元器件失效机理的学科•失效物理与器件物理的区别•失效物理的用途失效物理的定义•定义：研究电子元器件失效机理的学科•失效机理：失效的物理化学根源•举例：金属电迁移金属电迁移•失效模式：金属互连线电阻值增大或开路•失效机理：电子风效应•产生条件：电流密度大于10E5A/cm2高温•纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺失效物理与器件物理的区别•撤销应力后电特性的可恢复性•时间性失效物理的用途1失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现2可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性可靠性评价的主要内容•产品抗各种应力的能力•产品平均寿命失效物理模型•应力－强度模型失效原因：应力强度强度随时间缓慢减小如:过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（latchup)•应力－时间模型（反应论模型）失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳应力－强度模型的应用•器件抗静电放电（ESD）能力的测试温度应力－时间模型kTEAedtdMT高，反应速率大，寿命短E大，反应速率小，寿命长温度应力的时间累积效应)(00ttAeMMkTEt失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差与力学公式类比mFdtdvkTEAedtdM)(00ttAeMMkTEt)(00ttFmvmvt失效物理模型小结•应力－强度模型与断裂力学模型相似，不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效和致命性失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显•应力－时间模型（反应论模型）与牛顿力学模型相似，考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显应力－时间模型的应用：预计元器件平均寿命•1求激活能E2211lnlnln)exp(kTEBLkTEBLkTEBLkTEALLnL1LnL21/T21/T1B预计平均寿命的方法•2求加速系数F))11(exp()exp()exp(12121122TTkELLFkTEALkTEAL))11(exp()exp()exp(12121122TTkELLFkTEALkTEAL设定高温为T1,低温为T2,可求出F预计平均寿命的方法•由高温寿命L1推算常温寿命L2•F=L2/L1•对指数分布•L1=MTTF=1/λ•λ失效率试验时间初始时间未失效元件数数试验时间内失效的元件失效率＝温度应力－时间模型的简化：十度法则•内容：从室温算起，温度每升高10度，寿命减半。•应用举例：推算铝电解电容寿命105C，寿命1000h（标称值）55C,寿命1000X2E5=32000h35C，寿命1000X2E7=128000h=128000/365/24=14.81年小结失效物理的定义：研究电子元器件失效机理的学科失效物理的用途：1失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现2可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性第二讲阻容元件失效机理电容器的失效机理•电解电容•钽电容•陶瓷电容•薄膜电容电解电容的概况•重要性：多用于电源滤波，一旦短路，后果严重•优点：电容量大，价格低•缺点：寿命短，漏电流大，易燃•延长寿命的方法：降温使用，选用标称温度高的产品电解电容的标称温度与寿命的关系标称温度（℃）85105125标称温度寿命（h)100010001000工作温度（℃）353535工作温度寿命(h)1000X2E51000X2E71000X2E9320001280009120003.65年14.6年59.26年电解电容的失效机理和改进措施•漏液：电容减小阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。•短路放电：大电流烧坏电极•电源反接：大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜增厚，电容量下降•长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。电解电容的阳极修复功能Al＋OH－改进措施降温使用，不做短路放电，电源不反接，经常通电固体钽电容•过流烧毁•正负极反接陶瓷电容电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增大陶瓷电容•银迁移引起边缘漏电和介质内部漏电第三讲微电子器件失效机理失效模式的概念和种类•失效的表现形式叫失效模式•按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效失效机理的概念•失效的物理化学根源叫失效机理。例如•开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMOS电路的闩锁效应•漏电和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔失效机理的概念（续）•参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤失效机理的内容•失效模式与材料、设计、工艺的关系•失效模式与环境应力的关系环境应力包括：过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力•失效模式与时间的关系水汽对电子元器件的影响•电参数漂移•外引线腐蚀•金属化腐蚀•金属半导体接触退化辐射对电子元器件的影响•参数漂移、软失效•例：n沟道MOS器件阈值电压减小失效应力与失效模式的相关性•过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁•静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁•热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电•热电：金属电迁移、欧姆接触退化•高低温：芯片断裂、芯片粘接失效•低温：芯片断裂失效发生期与失效机理的关系•早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分•随机失效：静电损伤、过电损伤•磨损失效：元器件老化•随机失效有突发性和明显性•早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性第四讲失效分析技术失效分析的作用•确定引起失效的责任方（用应力－强度模型说明）•确定失效原因•为实施整改措施提供确凿的证据举例说明：失效分析的概念和作用•某EPROM使用后无读写功能•失效模式：电源对地的待机电流下降•失效部位：部分电源内引线熔断•失效机理：闩锁效应•确定失效责任方：模拟试验•改进措施建议：改善供电电网，加保护电路失效分析的受益者•元器件厂：获得改进产品设计和工艺的依据•整机厂：获得索赔、改变元器件供货商、改进电路设计、改进电路板制造工艺、提高测试技术、设计保护电路的依据•整机用户：获得改进操作环境和操作规程的依据•提高产品成品率和可靠性，树立企业形象，提高产品竞争力失效分析技术的延伸•进货分析的作用：选择优质的供货渠道，防止假冒伪劣元器件进入整机生产线•良品分析的作用：学习先进技术的捷径•破坏性物理分析（DPA）：失效前的物理分析失效分析的一般程序•收集失效现场数据•电测并确定失效模式•非破坏检查•打开封装•镜检•通电并进行失效定位•对失效部位进行物理化学分析，确定失效机理•综合分析，确定失效原因，提出纠正措施收集失效现场数据•作用：根据失效现场数据估计失效原因和失效责任方根据失效环境：潮湿、辐射根据失效应力：过电、静电、高温、低温、高低温根据失效发生期:早期、随机、磨损•失效现场数据的内容水汽对电子元器件的影响•电参数漂移•外引线腐蚀•金属化腐蚀•金属半导体接触退化辐射对电子元器件的影响•参数漂移、软失效•例：n沟道MOS器件阈值电压减小失效应力与失效模式的相关性•过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁•静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁•热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电•热电：金属电迁移、欧姆接触退化•高低温：芯片断裂、芯片粘接失效•低温：芯片断裂失效发生期与失效机理的关系•早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分•随机失效：静电损伤、过电损伤•磨损失效：元器件老化•随机失效有突发性和明显性•早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性失效发生期与失效率试验时间试验初始的元件数数试验时间内失效的元件失效率＝失效率时间随机磨损早期以失效分析为目的的电测技术•电测在失效分析中的作用重现失效现象，确定失效模式，缩小故障隔离区，确定失效定位的激励条件，为进行信号寻迹法失效定位创造条件•电测的种类和相关性连接性失效、电参数失效和功能失效电子元器件失效分析的简单实用测试技术（一）•连接性测试：万用表测量各管脚对地端/电源端/另一管脚的电阻，可发现开路、短路和特性退化的管脚。电阻显著增大或减小说明有金属化开路或漏电部位。•待机(standby)电流测试:所有输入端接地（或电源），所有输出端开路，测电源端对地端的电流。待机(standby)电流显著增大说明有漏电失效部位。待机(standby)电流显著减小说明有开路失效部位。电子元器件失效分析的简单实用测试技术（二）•各端口对地端/电源端的漏电流测试（或I——V测试）,可确定失效管脚。•特性异常与否用好坏特性比较法确定。由反向I－V特性确定失效机理-5.00E-030.00E+005.00E-031.00E-021.50E-022.00E-022.50E-023.00E-023.50E-024.00E-024.50E-0202468101214反向电压（V）电流（A）烧断电源端1对地烧断电源端2对地烧断电源端3对地未烧断电源端对地由反向I－V特性确定失效机理•直线为电阻特性，pn结穿钉，属严重EOS损伤。•反向漏电流随电压缓慢增大，pn结受EOS损伤或ESD损伤。•反向击穿电压下降，pn结受EOS损伤或ESD损伤。由反向I－V特性确定失效机理•反向击穿电压不稳定：芯片断裂、芯片受潮烘焙技术•1应用范围：漏电流大或不稳定、阻值低或不稳定、器件增益低、继电器接触电阻大•2用途：确定表面或界面受潮和沾污•3方法：高温储存、高温反偏清洗技术•应用范围：离子沾污引起的表面漏电•用途：定性证明元器件受到表面离子沾污•方法：无水乙醇清洗去离子水冲洗（可免去）烘干烘焙和清洗技术的应用举例烘焙和清洗技术的应用举例•双极型器件的反向靠背椅特性是钝化层可动离子沾污的结果，可用高温反偏和高温储存来证实。失效分析的发展方向•失效定位成为关键技术•非破坏•非接触•高空间分辨率•高灵敏度无损失效分析技术•无损分析的重要性(从质检和失效分析两方面考虑)•检漏技术•X射线透视技术用途：观察芯片和内引线的完整性•反射式扫描声学显微技术用途：观察芯片粘接的完整性，微裂纹，界面断层检漏技术•粗检：负压法、氟碳加压法•细检：氦质谱检漏法负压法检漏酒精接机械泵焊点染色法氟碳加压法FC43沸点180CF113沸点47.6C加热至125CX射线透视与反射式声扫描比较种类应用优势基本原理X射线透视象观察材料高密度区的完整性，如器件内引线断裂透过材料高密度区X射线强度衰减C-SAM象观察材料内部空隙，如芯片粘接不良，器件封装不良超声波传播遇空气隙受阻反射样品制备技术•种类：打开封装、去钝化层、去层间介质、抛切面技术、去金属化层•作用：增强可视性和可测试性•风险及防范：监控打开塑料封装的技术去钝化层的技术•湿法：如用HF：H2O＝1：1溶液去SiO285％HPO3溶液，温度160C去Si3N4•干法：CF4和O2气体作等离子腐蚀去SiNx和聚酰亚胺•干湿法对比去层间介质•作用：多层结构芯片失效分析•方法：反应离子腐蚀•特点：材料选择性和方向性•结果去金属化Al层技术•作用•配方：30％HCl或30％H2SO4KOH、NaOH溶液•应用实例形貌象技术•光学显微术：分辨率3600A，倍数1200X景深小，构造简单对多层结构有透明性，可不制样•扫描电子显微镜：分辨率50A，倍数10万景深大，构造复杂对多层结构无透明性，需制样以测量电流效应为基础的失效定位技术•红外热象技术用途：热分布图，定热点•光发射显微镜用途：微漏电点失