第2章_失效分析工作的原则和程序

第第22章章失效分析工作的原则和程序失效分析工作的原则和程序2.1电子元器件失效分析的目的及作用2.2失效分析工作的流程和通用原则2.3失效分析报告失效的数据收集；失效分析报告内容；鱼刺图2.4电子元器件失效分析的程序2.5破坏性物理分析（DPA）„美军在60-70年代采用了以失效分析为中心的元器件质量保证计划，在6～7年间使集成电路的失效率从7×10-5/h降至3×10-9/h，集成电路的失效率降低了4个数量级，实现了“民兵Ⅱ”、阿波罗飞船登月计划。„我国“七专”工作。„元器件失效分析:基础性的、最主要的,更多是微观分析。„失效分析定义：分析和研究失效的发生和影响，确定失效模式，判定失效机理，研讨提供改进的措施。„失效分析:事后检查与分析工作;综合性极强;反馈目的。专业人员的技术素质。„得出正确结论的捷径。„提高元器件固有可靠性就是提高可靠性水平的主要工作。失效的数据收集„准确的收集判定机理的基础。„失效分析（现场失效数据收集）报告。2.3.2失效分析报告内容内容三部分组成：组成：1）元器件失效分析委托单。2）元器件失效分析主报告。3）元器件失效分析反馈单。„多次的快速的失效分析循环，可以带来巨大的经济效益。鱼刺（骨）图„当多层次和多种因素造成一种失效模式时，用鱼骨图将因果关系和主次关系表示出来。因果图（causeandeffectdiagram）又叫石川图、特性要因图、树枝图、鱼刺图等。„脊椎骨的右端表示失效的现象或结果，各种因素按不同层次放在其左边，作为失效的原因。„鱼刺图的主要特征：①所有可能原因反映；②原因之间的关系；③假定的、定性的；④各种要素之间的复杂关系。„光缆失效的主要模式之一损耗增加，画出因果分析图。余长不均匀油膏填充不足意外扎破光缆运输过程挤压拉力过大长期受水侵蚀弯曲半径小/打折生产后设备未保养测量设备未计量设备长期未检工艺设计欠缺光纤节距过大审核把关油膏加强材料收线张力松套管扭转放线张力设计材料工艺设备使用其它强度不足责任不明/培训不足电子元器件失效分析的程序„„失效分析要从失效现场直至追溯到制造、设计失效分析要从失效现场直至追溯到制造、设计及使用的各个阶段。及使用的各个阶段。2.4.1失效分析程序的步骤步骤步骤11：数据的收集与分析：数据的收集与分析步骤步骤22：失效现象的观察和判定：失效现象的观察和判定步骤步骤33：假定失效机理：假定失效机理步骤步骤44：失效机理的认定与验证：失效机理的认定与验证按照失效分析程按照失效分析程序：从外部到内部分析，非破坏性到半破坏性序：从外部到内部分析，非破坏性到半破坏性直至破坏性检测和分析。直至破坏性检测和分析。步骤步骤55：总结：总结．非破坏性的分析方法1．外部检查：„验证失效件与标准、规范的一致性。寻找失效的疑点。„显微镜观察、照相技术。固定并且确定失效现场，储存失效分析资料。„样品固定在橡皮泥上。为便于调节焦距，起始的放大倍数可从5倍左右开始。。2．元器件解剖前电性能验证技术‹电测失效：连接性失效，功能性失效和电参数失效。„附加(补充)电测试:验证环境条件与失效的联系。„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。待机电流显著增大说明有漏电失效部位。待机电流显著减小说明有开路失效部位。3.间歇动作试验:引发失效的温度、振动和冲击。2.4.2微电路的失效分析程序（详见GJB548A方法5003）4．内部检查：透明试件。①结构设计及使用的材料。②污染引起的腐蚀或粘附物。③细裂纹或裂缝。④电镀不完全。⑤相互接触及接合不良。⑥热或电气损伤。⑦静电引起的损伤。5．X-射线照相：封装的试件内部的物理缺陷6．细检漏和粗检漏的器件密封试验7．清洗外壳：外部清洗在非破坏程序之内，内部洗净包括在半破坏程序之内。„化学清洗是按除掉有机物污染、非有机物／非水溶性污染物、水溶性污染物的顺序进行的。．微片检测试验„PIND试验装置，振动试验装置„检测的微粒的最小质量为0.02μg左右。9．露点试验„检测试件封装内部空隙的湿气。„露点温度由这样观测到的元器件特性参数与温度关系曲线上，出现明显的、急剧变化的不连续突变点表示。10．表面温度分布测定„制成试件的温度图11．非破坏性分析方法可能鉴别的一部分失效模式和失效机理：①瞬间或不当电源的过应力，导致引线开路或短路。②外引线或/和金属化层焊接区的开路及短路。③引线框架上外引线的剥蚀。④电阻变化。⑤表征pn结已退化的过量漏电流。⑥时间响应或与频率相关的器件电学参数的退化。⑦封壳外金属层的缺损，剥落。⑧各种密封性问题。⑨外来物的存在，由⑨外来物的存在，由XX--射线照相得出。射线照相得出。⑩由⑩由XX--射线确定键合位置与引线调整不良；芯片或衬射线确定键合位置与引线调整不良；芯片或衬底安装中的空隙、开裂、虚焊、开焊。底安装中的空隙、开裂、虚焊、开焊。．半破坏性的分析方法打开封装；1）金属管壳„用管壳开启器或用小型车床、铣床开盖、或用小锯条锯开或用砂磨将封帽顶磨去部分。2）塑料封装a．环氧封装喷射腐蚀技术。用高温硫酸溶解。b．等离子刻蚀法。c．发烟硝酸d．用机械法磨去顶盖一部分，或在芯片上方开个圆孔，直到离芯片非常薄为止，用沸腾的发烟硝酸通过小孔喷射到芯片上方的塑料上进行局部腐蚀。B．半破坏性的分析方法打开封装：33）陶瓷封装）陶瓷封装将封装底座夹住，在引线框架密封线上选择将封装底座夹住，在引线框架密封线上选择一点，用小锤轻敲锋利刀片即可开启；用金一点，用小锤轻敲锋利刀片即可开启；用金--锡合金封焊的，可稍加热并用真空吸盖办法打锡合金封焊的，可稍加热并用真空吸盖办法打开开；；对于环氧树脂封盖的，可先在醋酸中浸泡对于环氧树脂封盖的，可先在醋酸中浸泡55～～1010分钟，使其发软，然后再轻轻撬开。分钟，使其发软，然后再轻轻撬开。钝化层去除技术：钝化层去除技术：„„化学腐蚀法去除钝化层和金属化层化学腐蚀法去除钝化层和金属化层„„干法刻蚀去除钝化层干法刻蚀去除钝化层．．半破坏性的分析方法半破坏性的分析方法11．内部检查．内部检查22．电学检验．电学检验33．真空烘烤．真空烘烤在在1010--55mmHgmmHg，，150150～～250250℃℃条件下条件下烘烤两小时，测量并记录由烘烤所引起漏电流烘烤两小时，测量并记录由烘烤所引起漏电流的任何变化。的任何变化。44．电学检验．电学检验复测。复测。55．多头探针探测失效器件的有源区。各点电．多头探针探测失效器件的有源区。各点电位，有关电阻值，个别管子结构特性，漏电通位，有关电阻值，个别管子结构特性，漏电通道，键合电路等。划断铝膜，测单个管子特道，键合电路等。划断铝膜，测单个管子特性。性。6．鉴别出的部分失效模式和失效机理①内部金属层：钻蚀和电过应力的问题；化合物；电迁移现象；台阶处过薄；缺损及/或剥皮。②氧化层沾污、变色；氧化层缺陷、裂缝、针孔。③在金属/半导体接触区上的各种反应。④表征结已退化的漏电流。⑤经过氧化层或介质层的短路。⑥键合位置不良：由X-射线照片确定。⑦掩模未套准。⑧外来物质的存在再确定。⑨表面参数的稳定性。⑩各个结、扩散区和元件的质量。．破坏性的分析方法„„破坏性分析：剖面获取；氧化层缺陷分破坏性分析：剖面获取；氧化层缺陷分析；扩散缺陷分析；可选择的各种理化析；扩散缺陷分析；可选择的各种理化分析。分析。11．表面形状测定．表面形状测定2.2.器件的剖面分析器件的剖面分析33．氧化层缺陷分析．氧化层缺陷分析4.4.机械破坏试验机械破坏试验破坏性分析方法可确定下列失效模式和失效机理：①氧化层或介质层的厚度及不完善性。①氧化层或介质层的厚度及不完善性。②扩散层的不完善性。②扩散层的不完善性。③结的几何形状。③结的几何形状。④金属间化合物的形成。④金属间化合物的形成。⑤在键合⑤在键合//金属化层界面处的空隙。金属化层界面处的空隙。⑥接触金属扩散到半导体或衬底内。⑥接触金属扩散到半导体或衬底内。⑦金属层的电迁移现象。⑦金属层的电迁移现象。⑧芯片或衬底安装处的空隙。⑧芯片或衬底安装处的空隙。．自选特殊分析项目„采用特殊的分析技术，提供失效机理确切的物理、化学或电学等方面的原因和验证失效机理。①残余气体分析②表面轮廓曲线测量③光扫描光束扫描pn结可说明氧化层表面、内部或下面有杂质玷污。④红外扫描测过热点及热异常的位置。⑤电子显微镜⑥扫描电子显微技术和电子束显微分析⑦特殊的试验结构研究失效机理。2.5破坏性物理分析（DPA）2.5.1DPA的目的和试验项目1.破坏性物理分析（DPA：destructivephysicalanalysis）方法的定义„GJB4027—2000军用电子元器件破坏性物理分析方法的定义“为验证元器件的设计、结构、材料和制造质量是否满足预定用途或有关规范的要求，对元器件样品进行解剖，以及在解剖前后进行一系列检验和分析的全过程”。„„标准中明确规定了应在生产批中随机抽样。样本大标准中明确规定了应在生产批中随机抽样。样本大小为生产批总数的小为生产批总数的2%2%，但不少于，但不少于55只也不多于只也不多于1010只；只；„„对结构复杂的元器件应为生产批总数的对结构复杂的元器件应为生产批总数的1%1%，但不少，但不少于于22只也不多于只也不多于55只。只。2.DPA的目的11）确定元器件设计中和工艺过程的偏差；）确定元器件设计中和工艺过程的偏差；22）提出批处理意见和修改措施；）提出批处理意见和修改措施；33）独立地检验、验证供货方的元器件质量。）独立地检验、验证供货方的元器件质量。3.DPA3.DPA的试验项目的试验项目„„DPADPA针对元器件失效的高发部位进行检验。主要是对针对元器件失效的高发部位进行检验。主要是对元器件的电极系统（内、外引线、金属层或金属化元器件的电极系统（内、外引线、金属层或金属化层），芯片的粘结或贴装等。层），芯片的粘结或贴装等。2.5.2破坏性物理分析的作用和与失效分析的关系„DPA的作用：合格品采用与失效分析同样的技术方法，调查评估特性良好的元器件的缺陷。„由于DPA在元器件可靠性工作中的作用和地位越来越重要，一些部门和从事重要工程研制的公司制定出的标准，要求用于重要场合的元器件进行DPA。„例如，美国国家航空航天管理局（NASA）在“空间飞行项目的电气、电子和机电（EEE）元器件的管理与控制要求”的标准中规定，在不做特殊说明时，用于寿命保证和完成任务所必不可少或关键性应用场合的每一批元器件类型，都应做DPA。„再如欧洲空间局（ESA）在“ESA空间系统的元器件选择、采购和控制”的标准中规定，承包商（承担ESA项目的公司）应对半导体分立器件、集成电路、滤波器、可变电容器／电阻器、陶瓷电容器、钽电容器、继电器、晶体检波器、混合电路、开关、高压元器件、高频元器件和光电元器件按同一日期代号的种类各取3只做DPA。„利用失效分析的人员和设备进行DPA工作，可以得到投入小、见效快、效益高的结果。失效分析与D