隨著人們對電子產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的要求不斷增加,電子元器件的可靠性不斷引起人們的關(guān)注,如何提高可靠性成為電子元器件制造的熱點(diǎn)問題。為幫助大家深入了解,本文將對電子器件失效分析的相關(guān)知識予以匯總。如果您對本文即將要涉及的內(nèi)容感興趣的話,那就繼續(xù)往下閱讀吧。
可靠性工作的目的不僅是為了了解、評價電子元器件的可靠性水平,更重要的是要改進(jìn)、提高電子元器件的可靠性。所以,在從使用現(xiàn)場或可靠性試驗(yàn)中獲得失效器件后,必須對它進(jìn)行各種測試、分析,尋找、確定失效的原因,將分析結(jié)果反饋給設(shè)計、制造、管理等有關(guān)部門,采取針對性強(qiáng)的有效糾正措施,以改進(jìn)、提高器件的可靠性。這種測試分析,尋找失效原因或機(jī)理的過程,就是失效分析。
失效分析對電子元器件失效機(jī)理、原因的診斷過程,是提高電子元器件可靠性的必由之路。元器件由設(shè)計到生產(chǎn)到應(yīng)用等各個環(huán)節(jié),都有可能失效,從而失效分析貫穿于電子元器件的整個壽命周期。因此,需要找出其失效產(chǎn)生原因,確定失效模式,并提出糾正措施,防止相同失效模式和失效機(jī)理在每個元器件上重復(fù)出現(xiàn),提高元器件的可靠性。
歸納起來,失效分析的意義有以下幾點(diǎn):
1、通過失效分析得到改進(jìn)設(shè)計、工藝或應(yīng)用的理論和思想。
2、通過了解引起失效的物理現(xiàn)象得到預(yù)測可靠性模型公式。
3、為可靠性試驗(yàn)條件提供理論依據(jù)和實(shí)際分析手段。
4、在處理工程遇到的元器件問題時,為是否要整批不用提供決策依據(jù)。
5、通過實(shí)施失效分析的糾正措施可以提高成品率和可靠性,減小系統(tǒng)試驗(yàn)和運(yùn)行工作時的故障,得到明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
失效的分類
在實(shí)際使用中,可以根據(jù)需要對失效做適當(dāng)?shù)姆诸悺0词J?,可以分為開路、短路、無功能、特性退化(劣化)、重測合格;按失效原因,可以分成誤用失效、本質(zhì)失效、早期失效、偶然失效、耗損失效、自然失效;按失效程度,可分為完全失效、部分(局部)失效;按失效時間特性程度及時間特性的組合,可以分成突然失效、漸變失效、間隙失效、穩(wěn)定失效、突變失效、退化失效、可恢復(fù)性失效;按失效后果的嚴(yán)重性,可以分為致命失效、嚴(yán)重失效、輕度失效;按失效的關(guān)聯(lián)性和獨(dú)立性,可以分為關(guān)聯(lián)失效、非關(guān)聯(lián)失效、獨(dú)立失效、從屬失效;按失效的場合,可分為試驗(yàn)失效、現(xiàn)場失效(現(xiàn)場失效可以再分為調(diào)試失效、運(yùn)行失效);按失效的外部表現(xiàn),可以分為明顯失效、隱蔽失效。
失效機(jī)理
電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造、試驗(yàn)、運(yùn)輸、存儲和使用等過程中發(fā)生的,與原材料、設(shè)計、制造、使用密切相關(guān)。電子元器件的種類很多,相應(yīng)的失效模式和機(jī)理也很多。失效機(jī)理是器件失效的實(shí)質(zhì)原因,說明器件是如何失效的,即引起器件失效的物理化學(xué)過程,但與此相對的是它遲早也要表現(xiàn)出的一系列宏觀性能、性質(zhì)變化,如疲勞、腐蝕和過應(yīng)力等。
電子元器件的主要失效機(jī)理有:
(1)過應(yīng)力(EOS):是指元器件承受的電流、電壓應(yīng)力或功率超過其允許的最大范圍。
(2)靜電損傷(ESD):電子器件在加工成產(chǎn)、組裝、貯存以及運(yùn)輸過程中,可能與帶靜電的容器、測試設(shè)備及操作人員相接觸,所帶靜電經(jīng)過器件引腳放電到地,使器件收到損傷或失效。
(3)閂鎖效應(yīng)(latch-up):MOS電路中由于寄生PNPN晶體管的存在而呈現(xiàn)一種低阻狀態(tài),這種低阻狀態(tài)在觸發(fā)條件去除或終止后仍會存在
(4)電遷移(EM):當(dāng)器件工作是,金屬互聯(lián)線內(nèi)有一定的電流通過,金屬離子會沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的運(yùn)輸,其結(jié)果會使導(dǎo)體的某些部位出現(xiàn)空洞或晶須。
(5)熱載流子效應(yīng)(HC):熱載流子是指能量比費(fèi)米能級大幾個kT以上的載流子。這些載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài),當(dāng)其能量達(dá)到或超過Si-SiO2界面勢壘時(對電子注入為3.2eV,對空穴注入為4.5eV)便會注入到氧化層中,產(chǎn)生界面態(tài)、氧化層陷阱或被陷阱所俘獲,使氧化層電荷增加或波動不穩(wěn),這就是熱載流子效應(yīng)。
(6)柵氧擊穿:在MOS器件及其電路中,柵氧化層缺陷會導(dǎo)致柵氧漏電,漏電增加到一定程度即構(gòu)成擊穿。
(7)與時間有關(guān)的介質(zhì)擊穿(TDDB):施加的電場低于柵氧的本征擊穿強(qiáng)度,但經(jīng)歷一定的時間后仍會發(fā)生擊穿現(xiàn)象,這是由于施加應(yīng)力的過程中,氧化層內(nèi)產(chǎn)生并聚集了缺陷的原因。
(8)由于金-鋁之間的化學(xué)勢不同,經(jīng)長期使用或200℃以上的高溫存儲后,會產(chǎn)生多種金屬間化合物,如紫斑、白斑等。使鋁層變薄、接觸電阻增加,最后導(dǎo)致開路。在300℃高溫下還會產(chǎn)生空洞,即柯肯德爾效應(yīng),這種效應(yīng)是高溫下金向鋁中迅速擴(kuò)散并形成化合物,在鍵合點(diǎn)四周出現(xiàn)環(huán)形空間。使鋁膜部分或全部脫離,形成高阻或開路。
(9)“爆米花效應(yīng)”:塑封元器件塑封材料內(nèi)的水汽在高溫下受熱發(fā)生膨脹,使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應(yīng),拉斷鍵合絲,從而發(fā)生開路失效。
失效分析技術(shù)
失效分析技術(shù)是失效分析說使用的手段和方法,它主要包括六大方面的內(nèi)容:失效定位技術(shù);樣品制備技術(shù);顯微分析技術(shù);應(yīng)力驗(yàn)證技術(shù);電子分析技術(shù);成份分析技術(shù)。
1、失效定位技術(shù)
失效定位技術(shù)的主要目的是確定檢測目標(biāo)的失效部位,隨著現(xiàn)代集成電路及電子元器件的復(fù)雜化,失效定位技術(shù)就顯得尤為重要。失效定位技術(shù)有多種方法,其中無需開封即可進(jìn)行的無損檢測有X-ray,SAM等。X-ray可用于觀察元器件及多層印刷電路板的內(nèi)部結(jié)構(gòu),內(nèi)引線開路或短路,粘接缺陷,焊點(diǎn)缺陷,封裝裂紋,空洞、橋連、立碑及器件漏裝等缺陷。SAM則可觀察到材料內(nèi)部裂紋,分層缺陷,空洞、氣泡、空隙等。若X-ray,SAM不能探測到失效部位,則需要對元器件進(jìn)行開封處理,而后可進(jìn)行其他方法的失效定位,如顯微檢查。
2、樣品制備技術(shù)
解決大部分失效分析,都需要采用解剖分析技術(shù),即對樣品的剖層分析,它不對觀察和測試部分存在破壞。樣品的制備步驟一般包括:打開封裝、去鈍化層,對于多層結(jié)構(gòu)芯片來說,還要去層間介質(zhì)。打開封裝可以使用機(jī)械開封或化學(xué)開封方法。去鈍化層可使用化學(xué)腐蝕或等離子體腐蝕(如ICP、RIE)的方法,或FIB等。
3、顯微分析技術(shù)
失效原因的分析,失效機(jī)理的確定及前文提到的失效定位都要用到顯微分析技術(shù)。顯微分析一般采用各種顯微鏡,且他們各具優(yōu)缺點(diǎn),如景深大成像立體感強(qiáng)的體視顯微鏡;平面成像效果好顏色突出的金相顯微鏡;放大倍數(shù)高(可達(dá)幾十萬倍)的SEM;制樣要求高可觀察到晶格結(jié)構(gòu)的TEM;成像精度不高但操作方便的紅外顯微鏡;成像精度較高的光輻射顯微鏡等,要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)備和方法的選擇。
4、應(yīng)力驗(yàn)證技術(shù)
電子元器件在不同的環(huán)境中可靠性存在差異,如不同濕度、溫度下產(chǎn)生的應(yīng)力,不同電流、電壓下產(chǎn)生的電應(yīng)力等,都會導(dǎo)致電子元器件性能的變化,或失效。因此,可以模擬各種環(huán)境參數(shù),來驗(yàn)證元器件在各種應(yīng)力下的可靠性。
5、電子分析技術(shù)
利用電子進(jìn)行失效分析的方法很多,如EBT,EPMA,SEM,TEM,AES等。
6、成份分析技術(shù)
需要確定元器件中某部分的成份和組份即需要用到成份分析技術(shù),以判斷是否存在污染,或組份是否正確,而影響了元器件的性能。常用設(shè)備有EDS,EDAX,AES,SIMS等。
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