电子元器件失效模式与可靠性测试方法.docx

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1、电子元器件失效模式与可靠性测试方法目录前言11 .元器件失效都有哪些？22 .决定元器件测试筛选先后次序的原则是：33 .筛选方案的设计原则44 .元器件筛选方案的制订要掌握以下原则：55 .失效分析主要步骤：56 .元器件检测方法：67 .几种常用的筛选项目77.1.高温贮存77.2.功率电老炼77.3.温度循环77.4. 离心加速度87.5. 监控振动和冲击8前言一般把电子元器件的故障都称谓失效，知晓元器件的失效模式和失效机理以及设备故隙的机理对于诊断设备故障，保持设备固有的可靠性是十分重要的事情。元器件失效分析的目的不仅在于判断失效性质和明确失效原因，更重要的还在于为积极预防重复失效找到

2、有效途径。下面就一起来看看元器件检测方法及失效分析主要步骤介绍。元器件是整机设备的基础，它在制造过程中可能会由于本身固有的缺陷或制造工艺的控制不当，在使用中形成与时间或应力有关的失效。为了保证整批元器件的可靠性，满足整机设备要求，必须把使用条件下可能出现初期失效的元器件剔除。元器件的失效率随时间变化的过程可以用类似“浴盆曲线”的失效率曲线来描述，早期失效率随时间的增加而迅速下降，使用寿命期（或称偶然失效期）内失效率基本不变。筛选的过程就是促使元器件提前进入失效率基本保持常数的使用寿命期，同时在此期间剔除失效的元器件。事物的好与坏的判别必须要有标准去衡量。判断元器件的失效与否是由失效判别标准一一

3、失效判据所确定的。失效判据是质量和可靠性的指标，有时也有成本的内涵，所以元器件失效不仅指功能的完全丧失，而且指电学特性或物理参数降低到不能满足规定的要求。简而言之，产品失去规定的功能称为失效。1 .元器件失效都有哪些？失效一般分为现场失效和试验失效。现场失效一般是在装机以后出现的失效，因此，我们在元器件测试筛选过程中只考虑试验失效。试验失效主要是封装失效和电性能失效。封装失效主要依靠环境应力筛选来检测。所谓环境应力筛选，即在筛选时选择若干典型的环境因素，施加于产品的硬件上，使各种潜在的缺陷加速为早期故障，然后加以排除，使产品可靠性接近设计的固有可靠性水平，而不使产品受到疲劳损伤。在正常情况下是

4、通过在检测时施加一段时间的环境应力后，对外观的检查（主要是镜检，根据元器件的质量要求，采用放大10倍对元器件外观进行检测；也可以根据需要安排红外线及X射线检查），以及气密性筛选来完成，当有特殊需要时，可以增加一些DPA（破坏性物理分析）等特殊测试。这些筛选项目对电性能失效模式不会产生触发效果。所以，一般将封装失效的筛选放在前面，电性能失效的筛选放在后面。电性能失效可以分为连结性失效、功能性失效和电参数失效。连结性失效指开路、短路以及电阻值大小的变化，这类失效在元器件失效中占有较大的比例。因为在元器件筛选测试过程中，由于过电应力所引起的大多为连结性失效，同时，连结性失效可以引发功能性失效和电参数

5、失效，但是功能性失效和电参数失效不会引发连结性失效。主要原因是，当连结性失效模式被特定的筛选条件触发时，往往出现的现象为元器件封装涂覆发生锈蚀、外壳断裂、引线熔断、脱落或者与其他引线短路，主要表现为机械和热应力损伤，但是有时并不表现为连结性故隙，而是反映为金属疲劳、键合强度不够等问题，这些本身不会引发连结性失效，但是会引发功能性失效和电参数失效，需要通过功能性和电参数监测才能发现。但是，电路的功能性失效和电参数失效被特定的的筛选条件触发时，出现的现象是某些特定的功能失效、电参数超差等。造成这些失效的主要原因在于：制造、设计中的缺陷以及生产工艺控制不严，使生产过程中各种生产要素如空气洁净度等级、

6、超纯水的质量监测、超纯气体和化学试剂达不到规定的要求；在运输转运过程中由于防静电措施不到位也会发生静电损伤。这些因素作用下半导体晶体会受到各种表面污染物的玷污，会使产品不能达到规定的质量等级要求。当受到特定的外部条件激发的情况下，就会产生功能性失效和电参数失效，但是这些功能性失效和电参数失效造成的影响往往只能造成元器件部分的功能失去作用，还不能使芯片的封装和各部分的连结线出现烧毁、短路、开路等现象，所以电路的功能性失效和电参数失效与连结性失效不产生引发效果。在安排测试筛选先后次序时，有两种方案：方案1：将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面，将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛

7、选放在后面。方案2：将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面，将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面。如果选择方案1,会发现将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面时，出现本身失效模式没有被触发、其他关联的相关失效模式被触发的情况时，这种带有缺陷的元器件不能被准确地定位、剔除，因为该类失效模式的检测已经在前面做过了。而选择方案2就可以非常有效地避免上述问题的发生，使筛选过程优质、经济和高效。2 .决定元器件测试筛选先后次序的原则是： 失效概率最大的筛选方法首先做。 当一种失效模式可以与其他失效模式产生关联时，应将此失效模式的筛选放在前面。 使用不同方法对

8、同一种失效模式进行筛选时，首先考虑失效概率的分布，容易触发失效的筛选方法首先进行。 考虑经济性，便宜的先做。 考虑时间性，时间长的后做。 测试顺序的安排是后面的参数能够检查元器件经前面参数测试后可能产生的变化。对有耐电压、绝缘电阻测试要求的元器件，耐压在前、绝缘在后，功能参数最后测试；对有击穿电压和漏电流测试要求的元器件，击穿电压在前，漏电流在后，功能参数最后测试。3 .筛选方案的设计原则定义如下：筛选效率W=剔除次品数/实际次品数筛选损耗率1=好品损坏数/实际好品数筛选淘汰率Q=剔降次品数/进行筛选的产品总数理想的可靠性筛选应使W=1,1=O,这样才能达到可靠性筛选的目的。Q值大小反映了这些

9、产品在生产过程中存在问题的大小。Q值越大，表示这批产品筛选前的可靠性越差，亦即生产过程中所存在的问题越大，产品的成品率低。筛选项目选择越多，应力条件越严格，劣品淘汰得越彻底，其筛选效率就越高，筛选出的元器件可靠性水平也越接近于产品的固有可靠性水平。但是要付出较高的费用、较长的周期，同时还会使不存在缺陷、性能良好的产品的可靠性降低。故筛选条件过高就会造成不必要的浪费，条件选择过低则劣品淘汰不彻底，产品的使用可靠性得不到保证。由此可见，筛选强度不够或筛选条件过严都对整批产品的可靠性不利。为了有效而正确地进行可靠性筛选，必须合理地确定筛选项目和筛选应力，为此，必须了解产品的失效机理。产品的类型不同，

10、生产单位不同以及原材料及工艺流程不同时，其失效机理就不一定相同，因而可靠性筛选的条件也应有所不同。因此，必须针对各种具体产品进行大量的可靠性试验和筛选摸底试验，从而掌握产品失效机理与筛选项目间的关系。4 .元器件筛选方案的制订要掌握以下原则： 筛选要能有效地剔除早期失效的产品，但不应使正常产品提高失效率； 为提高筛选效率，可进行强应力筛选，但不应使产品产生新的失效模式； 合理选择能暴露失效的最佳应力顺序； 对被筛选对象可能的失效模式应有所掌握； 为制订合理有效的筛选方案，必须了解各有关元器件的特性、材料、封装及制造技术。此外，在遵循以上五条原则的同时，应结合生产周期，合理制定筛选时间。5 .失

11、效分析主要步骤：芯片开封/开盖：去除IC封胶，同时保持芯片功能的完整无损，保持die,bondpads,bondwires乃至1ead-frame不受损伤，为下一步芯片失效分析实验做准备。SEM扫描电镜/EDX成分分析：包括材料结构分析/缺陷观察、元素组成常规微区分析、精确测量元器件尺寸等等。探针测试：以微探针快捷方便地获取IC内部电信号。镭射切割：以微激光束切断线路或芯片上层特定区域。EMM1侦测：EMM1微光显微镜是一种效率极高的失效分错析工具，提供高灵敏度非破坏性的故障定位方式，可侦测和定位非常微弱的发光（可见光及近红外光），由此捕捉各种元件缺陷或异常所产生的漏电流可见光。OBIRCH应

12、用（镭射光束诱发阻抗值变化测试）：OBIRCH常用于芯片内部高阻抗及低阻抗分析，线路漏电路径分析。利用OB1RCH方法，可以有效地对电路中缺陷定位，如线条中的空洞、通孔下的空洞。通孔底部高阻区等，也能有效的检测短路或漏电，是发光显微技术的有力补充。1G液晶热点侦测：利用液晶感测到IC漏电处分子排列重组，在显微镜下呈现出不同于其它区域的斑状影像，找寻在实际分析中困扰设计人员的漏电区域（超过IOmA之故障点）。定点/非定点芯片研磨：移除植于液晶驱动芯片Pad上的金凸块，保持Pad完好无损，以利后续分析或rebondingoX-Ray无损侦测：检测IC封装中的各种缺陷如层剥离、爆裂、空洞以及打线的完

13、整性，PCB制程中可能存在的缺陷如对齐不良或桥接，开路、短路或不正常连接的缺陷，封装中的锡球完整性。SAM（SAT）超声波探伤：可对IC封装内部结构进行非破坏性检测，有效检出因水气或热能所造成的各种破坏如：,晶元面脱层，.锡球、晶元或填胶中的裂缝，.封装材料内部的气孔，.各种孔洞如晶元接合面、锡球、填胶等处的孔洞。6 .元器件检测方法：1 .C-SAM（超声波扫描显微镜），无损检查：1.材料内部的晶格结构，杂质颗粒.夹杂物.沉淀物.2.内部裂纹.3.分层缺陷4空洞，气泡，空隙等。2 .XRay（这两者是芯片发生失效后首先使用的非破坏性分析手段），微焦点Xray用途：半导体BGA,线路板等内部位

14、移的分析；利于判别空焊，虚焊等BGA焊接缺陷,参数：标准检测分辨率V500纳米；几何放大倍数：2000倍最大放大倍数：IOOOo倍；辐射小：每小时低于IUSV；电压：160kV,开放式射线管设计。3 .SEM扫描电镜/EDX能量弥散X光仪（材料结构分析/缺陷观察，元素组成常规微区分析，精确测量元器件尺寸），日本电子4 .EMMI微光显微镜/OBIRCH镭射光束诱发阻抗值变化测试/1C液晶热点侦测（这三者属于常用漏电流路径分析手段，寻找发热点，1C要借助探针台，示波器）5 .FIB线路修改，切线连线，切点观测，TEM制样，精密厚度测量等6 .ProbeStation探针台/ProbingTest

15、探针测试，ESD/1atch-up静电放电/闩锁效用测试（有些客户是在芯片流入客户端之前就进行这两项可靠度测试，有些客户是失效发生后才想到要筛取良片送验）这些已经提到了多数常用手段。失效分析前还有一些必要的样品处理过程。7 .取die,decap（开封，开帽，开盖），研磨，去金球Dego1dbump,去层，染色等，有些也需要相应的仪器机台，SEM可以查看die表面，SAM以及X-Ray观察封装内部情况以及分层失效。除了常用手段之外还有其他一些失效分析手段，原子力显微镜AFM,二次离子质谱SIMS,飞行时间质谱TOFSIMS,透射电镜TEM,场发射电镜，场发射扫描俄歇探针，X光电子能谱XPS,1IV测试系统，能量损失X光微区分析系统等很多手段，不过这些项目不是很常用。7.几种常用的筛选项目7.1.高温贮存电子元器件的失效大多数是由于体内和表面的各种物理化学变化所引起，它们与温度有密切的关系。温度升高以后，化学反应速度大大加快，失效过程也得到加速。使得有缺陷的元器件能及时暴露，予以剔除。高温筛选在半导体器件上被广泛采用，它能有效地剔除具有表面污垢、键合不良、氧化层有缺陷等失效机理的器件。通常在最高结温下贮存24168小时。高温筛选简单易行，费用不大，在许多元器件上都可以施行。通过高温贮存以后还可以使元器件的参数性能稳定下来，减少使用中的参数漂移。各种元器件的热应力和