赛宝电子元器件失效分析 第二讲

1失效分析技术及经典案例失效分析技术及经典案例第二讲第二讲分析技术与设备分析技术与设备中国赛宝实验室可靠性研究分析中心李少平2/102总目录第一讲失效分析概论第二讲分析技术及设备第三讲失效分析典型案例23/102第二讲失效分析技术与设备1.失效分析程序2.非破坏性分析技术的基本路径3.半破坏性分析技术的基本路径4.破坏性分析技术的基本路径5.分析技术与设备清单获得失效分析证据具体技术方法4/1029基本方法与程序9失效信息调查与方案设计9非破坏性分析的基本路径9半破坏性分析的基本路径9破坏性分析的基本路径9报告编制失效分析的逻辑与技术途径1．失效分析程序¾失效现场信息调查¾外观检查¾失效模式确认¾方案设计¾非破坏性分析¾破坏性分析¾综合分析¾报告编写基本方法与程序先外部后内部先非破坏性后半破坏性最后用破坏性避免引进新的失效机理操作原则1．失效分析程序思路6/102失效信息调查与方案设计ƒ基本信息工作原理、结构、材料、工艺、主要失效机理；还有，出于管理需要的信息，包括样品来源、型号、批次、编号、时间、地点等。ƒ技术信息：是判断可能的失效机理和失效分析方案设计的重要依据，（具体见下页）。信息类别1．失效分析程序47/102ƒ特定使用应用信息整机故障现象﹑异常环境﹑在整机中的状态﹑应用电路、二次筛选应力、失效历史、失效比例、失效率及其随时间的变化等。ƒ特定生产工艺1)生产工艺条件和方法2)特种器件应先用好品开封了解和研究其结构特点ƒ技术信息的作用：方案设计、分析过程和机理诊断的重要依据技术信息1．失效分析程序8/102非破坏性项目(先实施易行的、低成本的）ƒ外观检查ƒ模式确认(测试和试验,对比分析)！ƒ检漏ƒ可动微粒检测（PIND）ƒX光照相ƒ声学扫描ƒ模拟试验非破坏性分析的基本路径1．失效分析程序（多余物、污染、缺陷、微区电特性和电光热效应）ƒ可动微粒收集ƒ内部气氛检测（与前项有冲突）ƒ开封ƒ不加电的内部检查（光学·SEM·微区成分）ƒ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）半破坏性分析的基本路径1．失效分析程序10/102ƒ内部检查、加电内部检查(去除钝化层·微探针·聚焦离子束·电子束探针）ƒ剖切面分析（聚焦离子束、光学、SEM、TEM）破坏性分析的基本路径破坏性分析（进一步的微区电特性、污染、缺陷）1．失效分析程序611/102报告编制ƒ失效现场信息(样品概况)ƒ有关的各种检测的记录数据描述和分析ƒ综合分析ƒ分析结论ƒ措施建议1．失效分析程序报告案例12/102如何使用失效分析报告ƒ质量师（可靠性师）ƒ设计师ƒ工艺师ƒ用户1．失效分析程序．非破坏性分析技术ƒ２.1外观检查ƒ２.2电参数测试分析与模拟应力试验ƒ２.3检漏与PINDƒ２.4X光与扫描声学分析14/1022.1外观检查标志、变形、破、裂、缺损、污染、腐蚀、热斑、封口等815/102光学显微镜-(1)基本结构ƒ主架ƒ载物台ƒ照明系统ƒ目镜系统ƒ物镜系统ƒ拍照系统16/102光学显微镜-(2)工作原理ƒ显微镜主要是由物镜和目镜组成。ƒ物镜的焦距很短，目镜的焦距较长。ƒ物镜的作用是得到物体的放大的实像。ƒ目镜的作用是将物镜所成的实像进一步放大为虚像。(3)指标和参数ƒ基本分类：立体和金相（倍数、景深、工作距离）ƒ照明方式：反射和透射ƒ照明辅助装置：明场和暗场（BD）、偏光（P）微分干涉（DIC）等18/102光学显微镜-(3)指标和参数ƒ放大倍数–观察放大倍数：物镜倍数×目镜倍数–照相放大倍数：物镜×照相目镜×相机–金相～1000倍–立体～几十倍1019/102光学显微镜-(3)指标和参数ƒ特点：–操作简单、不需真空条件。–图像有彩色，能观察多层金属化的芯片。–景深小，观察微米以下的细微结构有困难。最高分辨率0.2~0.3微米。20/102光学显微镜-(4)用途ƒ表面形状、尺寸、组织、结构、缺陷ƒ芯片的各种烧毁与击穿现象ƒ引线内外键合情况、芯片裂缝、沾污、划伤、氧化层缺陷及金属层腐蚀等ƒ配合液晶相变分析，可对加电状态下的芯片发热点进行观察和定位。(4)用途ƒ图片22/1022.2电参数测试分析目的：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测试和试验功能测试和管脚直流特性（I-V特性）对照良好样品、产品规范，解释差异结果:1)*参数漂移*参数不合格*开路*短路*与失效现场不一致2)确认异常功能和异常直流特性的引脚1223/1022.2电参数测试分析好样品VDD端对DGND的I-V特性失效样品VDD对DGND的I-V特性I-V特性分析24/102注意事项ƒ图示仪:局部和全貌ƒ测试仪:自动测试仪器与随时间蠕变的特性ƒ测试标准和规范：高反压器件和雪崩击穿电压ƒ关于万用表2.2电参数测试分析。。。26/1022.3检漏与PINDƒ结果:低漏率、高漏率、冒泡ƒ与外观结果的相关性ƒX-射线检查结果ƒ玻璃绝缘子和焊缝ƒ有裂缝或气泡ƒ不连通和连通检漏1427/102可动微粒探测与分析ƒ影响:金属可能引起短路，非金属引起沾污ƒ方法:振动微粒噪声，振动与X光照相结合ƒ可动微粒取样ƒ可动微粒性质分析ƒ可动微粒来源ƒ继电器和电感线圈2.3检漏与PIND28/1022.4X光与扫描声学分析(C-SAM)ƒX射线透视技术ƒ反射式扫描声学显微技术(1)基本结构ƒX射线源ƒ屏蔽箱ƒ样品台ƒX射线接收成像系统资料来源：Feinfocus30/102X射线透视系统-(3)技术指标ƒ空间分辨率：亚微米量级；ƒ图像的放大倍数：～104；ƒ被检测物体的尺寸：数百毫米；ƒ被测物体水平旋转：3600，Z方向调整：±450的。1631/102X射线透视系统-(4)用途ƒX射线透视仪一般用于检测电子元器件及多层印刷电路板的内部结构–内引线开路或短路–粘接缺陷–封装裂纹、空洞–桥连、立碑及器件漏装–焊点缺陷（PCB）–……32/102X射线透视系统-(4)用途Š结构(4)用途ƒ缺陷芯片粘接空洞陶瓷基板与金属管座粘接空洞34/102X射线透视系统-(4)用途ƒ内部结构从侧视图发现焊球脱开•轴向二极管内部机构1835/102X射线透视系统-(5)小结ƒ快速、直观、无损ƒ观察效果与被观测物对象的密度、厚度有关ƒ小缺陷(裂纹、孔洞)比较困难ƒ深度分析困难ƒ无法观察器件内部界面分层36/102超声波的用途超声波的用途1.超声波无损探伤测试设备(如:扫描声学显微镜S.A.M.)2.用声纳找潜水艇和鱼群3.身体检查设备4.超声波清洗机(15~50KHz)5.超声波焊接(15~40KHz)扫描声学显微系统Fetus胎儿（SONIX提供）(SoundNavigationRanging)声纳探测1000m4deg.C（SONIX提供）扫描声学显微系统38/102扫描声学显微系统-(1)基本结构Š换能器及支架Š脉冲收发器Š示波器Š样品台（水槽）Š计算机及Š显示器16Hz-20,000Hz2039/102扫描声学显微系统-(3)指标和参数ƒ频率范围：（1～500）MHzƒ空间分辨率：0.1μmƒ扫描面积达到：0.25～300mmƒ各种扫描模式：–超声波传输时间测量（A扫描）–纵向截面成像（B扫描）、–X/Y二维成像（C、D、G、X扫描）–三维扫描与成像。–T-扫描方式：检测透射信号40/102ƒCSAM是的重要技术手段之一，与X射线分析具有互补性ƒ对平直界面不连续性缺陷十分灵敏ƒ特别适合塑料封装器件内部分层分析，也适合器件、印制电路板上热沉焊接的分析ƒ结合破坏性手段，可以用于焊点的分析。对设备配置和操作员经验有一定要求ƒ复杂情况下的超声分析结果需要其它技术手段比对声学扫描显微术的特点与用途声学扫描显微术的特点与用途扫描声学显微系统-(4)用途(5)小结以高密度区为背景，观察材料内部空隙和界面分层。超声波在界面反射回波，遇到空气时产生全反射反射式扫描声学显微术（C－SAM）以低密度区为背景，观察材料的高密度区的密度异常点。观察透射X射线的被样品局部吸收后成像的异常X射线透视技术应用优势主要原理名称声学扫描显微术与X射线分析术比较声学扫描显微术与X射线分析术比较42/102声学扫描显微术的优点声学扫描显微术的优点1.很高的分辨率:能够检测到的最小间隙厚度为0.13微米2.很高的灵敏度:能够检测出细微缺陷的大小,位置和形状3.可以实时检测4.安全:对人体无害扫描声学显微系统-(5)小结（SONIX提供）2243/102声学扫描显微术的弱点声学扫描显微术的弱点1.很难检测出表面很粗糙或者内部有很多气泡的样品2.需要液体进行超声波传输，可能给样品带来损害3.需要专家分析和判断roughsurfacebubbles100%100%100%扫描声学显微系统-(5)小结（SONIX提供）44/1023.1开封技术与可动微粒收集3.2内部气氛检测（与前项有冲突）3.3不加电的内部检查（光学·SEM与EDS·微区成分）3.4加电的内部检查(微探针·红外热像·EMMI光发射·电压衬度像·束感生电流像·电子束探针）3.半破坏性分析技术ƒ首先必须了解样品的内部结构，必要时用同类品试开封ƒ空封机械法:专用工具研磨ƒ塑封化学法:硫酸硝酸开封46/102样品制备技术ƒ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ƒ作用：增强可视性和可测试性ƒ风险及防范：监控3.1开封技术与可动微粒收集2447/1023.2内部气氛检测ƒ主要有害气氛:水汽、氧、有机气氛ƒ水汽的危害:除了直接引起漏电之外，水对很多失效机理都有加速作用*银迁移(离子迁移)*金属腐蚀(腐蚀和电化腐蚀)*金铝化合物*焊接热疲劳*水汽中H离子引起的二次慢俘获48/1023.3不加电的内部检查ƒ金相显微镜ƒ扫描电镜（SEM）与能谱仪（EDS）ƒ内部引线和外引脚的对应关系ƒ内部结构状态全貌ƒ以上两项必要时必须拍照ƒ观察顺序1)引线丝及内外键合点2)芯片3)金属化4)钝化层及介质5)PN结6)其它结构3.3不加电的内部检查•有怀疑的都必须照相50/1023.3不加电的内部检查内键合点缺陷芯片全貌划片区崩损击穿2651/102光学显微镜与SEM成像比较52/102ƒ电子枪发射的电子束，经透镜和物镜的聚焦后，以较小的直径、较高的能量和强度到达试样的表面。ƒ在扫描线圈的偏转作用下，电子束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动。ƒ入射电子于样品表面互相作用，产生背散射电子和二次发射电子。ƒ只要收集样品表面发射的两种电子的一种，即可得到电子扫描的图象。扫描电子显微镜SEM-成像原理Š主要用于元素的定性分析；Š能