第二章电子组件失效分析分析方法

2012/11/251第二章电子组件失效分析方法概述2.2失效分析方法①外观检查②X射线分析③金相切片④声学扫描⑤红外热像分析⑥扫描电镜及能谱分析⑦显微红外分析⑧热分析⑨其它分析方法2.1失效分析概述①失效定义②失效分析要求③失效分析基本流程④失效分析原则失效－产品丧失规定的功能。产品：可修复不可修复丧失：可能是一个动作或一个逐步的过程。规定功能：国家法规、质量标准、技术文件、合同要求等。失效的例子：①焊点腐蚀/焊点开裂等②PCB焊盘明显变色③PCB某绝缘的两点之间存在漏电流并影响功能①整机无预定的功能，如手机不能开机2.1失效定义2012/11/252失效分析失效分析－判断产品的失效模式、查找产品的失效机理和原因，提出预防再失效的对策的技术活动和管理过程。失效分析的主要内容包括：明确分析对象确定失效模式研究失效机理判断失效原因提出预防措施模式明确原因明确机理清楚措施得力模式再现举一反三失效分析的目标例：电子组件的失效为漏电失效，失效孔间阳极导电丝的生长是导致漏电的原因。阳极导电丝的生长是由于PCB钻孔质量差引起的，建议加强PCB质量控制，特别是钻孔质量控制。2012/11/253找什么用什么找怎么找怎么样方案思路基本信息失效信息分析经验仪器设备剖析证据程序方法证据！下一步结论判断！+现场信息分析信息电子组件失效分析思路电子组件失效分析基本流程续失效信息外观及电性能测试失效模式及机理初步判断无损检测破坏性分析失效模式及机理确认失效分析结束失效阶段失效现象物料特征工艺特征应力特征环境特征X-射线声学扫描红外分析红外热成像电性能金相分析染色试验SEM&EDS器件开封。。。2012/11/254失效分析中人的作用获取有用信息进行信息判断，推断可能机理进行信息（证据）采集信息再次确认判断获取结论要求：掌握失效分析机理掌握失效分析必要手段具备很强的逻辑分析能力先非破坏性分析，后破坏性分析预先清楚每分析项目的目的、可能发生的情况不引入新机理，或可界定所引入的新机理不遗漏信息养成作记录的习惯以失效表征为基础，以失效特征与机理的因果关系为依据，以逻辑性为主线，不牵强，不生硬。自圆其说，不能自圆其说的疑点，往往是失效的本质失效分析中应该特别注意的问题2012/11/2552.3失效分析常用方法和手段2.3.1光学显微技术2.3.2X-射线检测技术2.3.3声学扫描检测技术2.3.4红外热成像技术2.3.5金相分析技术2.3.6扫描电镜及能谱技术2.3.7材料分析技术2.3.8电性能测试技术2.3.9热分析技术2.3.10其他分析技术2.3.1光学显微技术主要作用：在失效分析过程中提供一组清晰、简明的图像，用于记载失效分析的整个过程。清晰的照片有助于说明在书面报告中难以描述的异常现象。如：所检元器件引脚及焊点表面存在严重的腐蚀（退色的表面或则光亮表面生锈）2012/11/256光学检查在电子组件失效分析中的应用焊点：润湿角失效部位焊点表面颜色PCB：表面清洁情况（残留、污染等）表面起泡等器件：结构完整性引脚腐蚀等光学检查在电子组件失效分析中的应用光学检查主要寻找的特征：（1）基板的裂缝。表明机械的弯曲和应力（2）过热或者变色的线路。过电流的标志（3）破裂的焊点。可焊性的问题或者焊料的污染（4）若干焊点具有灰暗的表面或者过多过少的焊料。这些特征为工艺差、污染物或者过热的标志。（5）脱色的元器件。可能意味着过热（6）明显的焊接残留物。可能污染或者工艺问题（7）引脚腐蚀和污染。（8）失效位置特征等。注意在分析过程中近可能多拍外观照片2012/11/257光学检查可发现的缺陷举例反润湿烧焦，烧毁或对绝缘、印制线路板的其他损害毛刺或搭桥虚焊互连松香残留焊点应力纹松动的引脚破裂的焊点焊料小球电迁移枝晶热损坏或互连处的熔化腐蚀或氧化线路板分层线路板翘曲切割、刻痕等机械损伤痕迹2012/11/258电子组件用显微镜要求1最常用低放大倍数的体视显微镜（6～200X）。焊点外观观察一般用40X2体视显微镜的工作距离大、景深好。2.3.2X－射线检测技术焊点内部缺陷检查通孔内部缺陷密集封装BGA、CSP缺陷焊点定位PCB缺陷定位（短路开路）器件内部结构分析（键合失效）2012/11/259X－射线的定义X-射线：波长为0.1~10A的电磁辐射。X-射线在电子故障中的应用确定元件内部状态检查焊接部位为解剖和拆卸做准备X－射线检测基础X－射线发生机理2012/11/2510X射线检测示意图X－射线成像原理X－射线检测寻找的主要特征：（1）任何不连续性和线路的损坏（2）未完全填满的通孔（3）位置未对准的线路或者焊盘（4）BGA焊点的空洞和形状异常缺点：难以检测到裂缝2012/11/2511失效定位－开路xxxxµBGA:高放大倍率下双精度斜面观察.开路的焊接点（X）失效定位－桥联xxxxABGA1020(32x32)自动标识焊接连桥2012/11/2512失效定位－润湿不良失效定位－枕头效应2012/11/25132.3.3扫描超声显微镜检查1.元器件封装内部内部缺陷（分层、空洞、裂纹）检查2.FCOB倒装焊点空洞以及微裂纹分析失效定位模式判定利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的位相及振幅变化来成像可以检测到的缺陷1.Delamination（离层）2.PackageCrack（塑封体裂缝）3.DieCrack（硅片裂缝）4.Void（空洞）5.Tilt（硅片倾斜）6.ForeignMaterials（外来杂质）DelaminationPKGCrackVoidPKGCrackChipCrack2012/11/2514使用超声波检测的原理SignalsinDigitalOscilloscopePackageSurfaceDieSurfaceDieBottomInspectdefectsusingreflectedsignalineachinterface用反射信号检测每个界面的缺陷DieAttachAdhesiveDieEMCDieSurfaceDieBottomPackageSurfaceUltrasonic超声波Transducer超声波探头窗口反射率参数表AirEMCSiliconEpoxyGold42alloyCopperAlSteelNickelGlassWater(20'c)(forIC)forD/A(quartz)(20'c)Acousticimpedance06.7620.043.1262.5340.9141.8316.945.4349.5415.041.48(10kg/ms)Air(20'c)0-100100100100100100100100100100100Resin(foric)6.76100-49.636.880.571.672.242.974.1763864.1Silicon20.0410049.6-73.151.534.235.28.538.842.414.386.2Epoxyresin3.1210036.873.1-90.585.886.168.887.188.265.635.7Gold62.5310080.551.590.5-20.919.857.515.811.661.295.442alloy40.9110071.634.285.820.9-1.141.55.29.546.293Copper41.8310072.235.286.119.81.1-42.44.18.447.193.2Aluminum16.910042.98.568.857.541.542.4-45.849.15.883.9Steel45.4310074.138.887.115.85.24.145.8-4.350.393.7Nickel49.541007642.488.211.69.58.449.14.3-53.494.2Glass(quartz)15.041003814.365.661.246.247.15.850.353.4-82.1Water(20'c)1.4810064.186.235.795.49393.283.993.794.282.1-Materials2012/11/2515Ex1)ReflectionratioonaSichipthathasnodelaminatio没有离层的硅芯片反射率Z1(AcousticimpedanceofEMC):6.76Z2(Acousticimpedanceofdie):20.04R(%)=+49.6%Ex2)ReflectionratioonaSichipthathasdelamination有离层的硅芯片反射率Z1(AcousticimpedanceofEMC):6.76Z2(Acousticimpedanceofair):0R(%)=-100%EMCSiChip+49.6%-100%20.04+6.7620.04-6.76X100=49.6%反射率应用C-SAM测试结果实例Chip2012/11/2516潮湿敏感损伤－声学扫描案例界面开裂导致键合引线拉断爆米花效应”拉断内引线键合丝和造成芯片破裂的案例试验前发现样品表面有鼓起声扫发现样品有分层开封发现样品芯片有开裂开裂芯片放大图2012/11/2517（a）底座－陶瓷界面（b）陶瓷－芯片界面失效品声学扫描照片（a）底座－陶瓷界面（b）陶瓷－芯片界面良品声扫形貌C-SAM测试结果实例22.3.4金相分析技术方法与步骤取样镶嵌切片抛磨腐蚀观察（IPC－TM－6502.1.1）获得焊点界面结构的信息2012/11/2518步骤1取样推荐的样品剥离方法剥离方法和设备推荐的样品切割轮金属样品切片锯金刚石刀片陶瓷封装和金属封装刨削机印制电路板低熔点再流加热金相结合的芯片高温剪钳附在环氧树脂上的芯片手持式切割工具金属封装和印制电路板取样注意事项注意：最好使用专用工具(取样机或慢锯)，过程小心！以免制样造成原来失效现场破坏，产生新的失效。2012/11/2519步骤2灌封灌封材料的要求：高硬度、纯净清洁、低收缩、耐化学物质作用和低温固化。常用材料：环氧树脂聚脂和聚丙烯在灌封前必须对样品进行清洗：水洗－异丙醇－干燥压缩空气吹干真空浸渍：确保环氧树脂和样品表面接触并填充良好。可能的问题：开裂（灌封材料和样品之间）气泡（灌封材料内部或材料和样品之间）步骤3研磨－用磨料去除样品的表面物质切割件150粒度400粒度1200粒度2000粒度最后抛光砂纸一般采用碳化硅纸2012/11/2520步骤4抛光原理与抛光一样，不同在于磨料是悬浮的。常用磨料：金刚石氧化铝胶态硅石步骤5腐蚀目的：显示样品的反差，并去除在前面过程中可能产生的残留物和变形层。如：残留的锡等。焊料组成腐蚀液时间（秒）SnPb25份3%双氧水25份28％NaOH和10份去离子水3份醋酸4份硝酸和16份去离子水15-455-15SnAg2份HCl5份HNO393份异丙醇2-5SnAgCu2％硝醇液（2份HNO398份异丙醇）3Sn－Bi等2份HCl5份HNO393份异丙醇2-5常用锡基无铅焊料腐蚀液体2012/11/2521金相分析照片示意图2.3.5染色试验技术方法与步骤取样（BGA）溶剂清洗染色干燥后垂直分离器件与PCB检查与纪录2012/11/2522􀁺Step1:Immersedyeintothesectionedsampleusinginjector(Immerseindye)􀁺Step2:Heatthesamplesintheovenat100°Cfor1hour􀁺Step3:Thecomponentwasmechanicallyremoved.Theboardcanalsoberepeatedlyflexedwithaclampsuntilthedevice“pops”off.􀁺Step4:Checksurfaceoftheballthathavereddyeonitornot􀁺Step5:Takephotosofdyedregions