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发布时间:2020-07-03 10:05:54

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作者:恩云飞

出版社:电子工业出版社

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电子元器件失效分析技术

电子元器件失效分析技术试读:

前言

电子元器件失效分析(Failure Analysis)是对已失效元器件进行的一种事后检查。根据需要,使用电测试及必要的物理、金相和化学分析技术,验证所报告的失效,确定其失效模式,找出失效机理。失效分析技术就是开展失效分析中采用的所有技术。电子元器件失效分析技术是开展可靠性工程的支撑技术,属于可靠性物理及其应用技术的范畴。

可靠性物理学(Reliability Physicis)又称失效物理学(Failure Physicis),是20世纪60年代后期崛起的一门新兴的边缘学科,是在半导体器件物理、半导体工艺学、材料化学、冶金学、电子学、环境工程学和系统工程学等多学科基础上发展起来的并从半导体器件扩展到其他电子元器件和电子产品。可靠性物理学的主要任务是研究产品的失效模式,探究失效机理(即导致失效的物理、化学过程及有关现象,有时需要深入到原子和分子层面),从而为电子产品的可靠性设计、生产控制、可靠性增长与评价、使用和维护提供科学的依据。

失效分析技术是开展可靠性物理学研究及工程应用的核心和关键技术。不同于其他产品的失效分析技术,元器件的失效分析技术在空-6-9间观察尺度上需要深入到微米(10m)甚至纳米级(10m),在微-6-9区成分分析上要精确到ppm(10)甚至ppb(10)级。所谓“工欲善其事,必先利其器”。因此,本书第一篇简要介绍电子元器件可靠性及失效分析技术概况后,第二篇用较大篇幅对各种失效分析技术进行了重点阐述。在开展元器件失效分析时,首先要采用电气测试技术对失效现象、失效模式进行确认;而显微形貌和显微结构分析技术则在微米和纳米尺度对元器件进行观察和分析,以发现元器件内部的失效现象和区域;物理性能探测技术则对元器件在特定状态下激发产生的微量光、热、磁等信息进行提取和分析,以确定失效部位、分析失效机理;微区成分分析技术用来对内部微小区域的微量成分进行分析;应力试验技术通过施加各种应力对元器件进行失效再现或验证;解剖制样技术则是开展失效分析的基本手段,如开展透射显微镜(TEM)分析时,就需要采用聚焦离子束(FIB)对元器件进行定点制样和提取。

具备了各种失效分析技术手段后,还必须采用适当的方法、遵循合理的程序开展失效分析。由于各类元器件的材料、结构和工艺特点不同,在失效分析方法和程序上既有相同点又有不同点。因此,本书第三篇中以7种主要元器件门类为对象介绍了相应的失效分析方法和程序。开展元器件失效分析,首先必须了解和掌握各类元器件的主要材料、工艺和结构及主要的失效模式和失效机理;然后根据元器件的失效背景信息和失效现象,选择合适的分析技术和手段,遵循合理的分析程序,以求快速而准确地确定失效机理,找到失效原因。

只有从失效分析入手,取得前期同类产品在生产、试验及使用中的失效信息,分析其失效模式及失效机理,联系产品结构、材料和工艺,揭示其失效的内在原因,才能根据新产品的可靠性要求,进行可靠性设计和工艺改进,并对失效进行控制和预防,从而提高产品的可靠性。本书第四篇介绍的电子元器件失效模式及影响分析方法(FMEA)是开展产品可靠性设计和工艺改进的基础,电子元器件故障树分析方法(FTA)则为元器件的故障归零提供了标准化的元器件级FTA方法,而工程应用中电子元器件失效预防方法从潮敏、机械、腐蚀、静电放电、闩锁、假冒翻新等几个方面阐述了失效预防的必要性和具体的技术手段。

总体来说,元器件失效分析技术是开展元器件质量和可靠性工作的基本手段,是可靠性工程的重要技术支撑。希望本书的出版能为开展失效分析的工程技术人员提供帮助,并希望能吸引更多的人加入到元器件失效分析技术研究和工程应用的行列中来。

本书作者长期从事电子元器件失效分析技术研究,并承担和开展了大量失效分析工作,既有很好的技术理论积累,也有丰富的工程应用经验,为本书的编写奠定了基础。在本书编写过程中,还参考了失效分析技术及相关领域的大量文献、专著和资料,通过总结提炼并结合作者的研究和工作成果,完成了本书的编写。本书共有四篇19章,各章执笔分别是:第1、2章由恩云飞、来萍、李少平、罗宏伟编写,第3章由师谦编写,第4、9章由林晓玲编写,第5章由陈媛编写,第6章由林晓玲、宋芳芳编写,第7章由路国光编写,第8、11章由杨少华编写,第10章由蔡伟编写,第12章由章晓文、陈选龙编写,第13章由何小琦编写,第14章由许广宁、黄云编写,第15章由邹雅冰编写,第16章由宋芳芳编写,第17章由陈媛、来萍编写,第18章由何小琦、陈媛编写,第19章由李少平、何胜宗、林道谭、武慧薇、袁光华和蔡金宝编写。恩云飞、来萍、李少平负责全书的组织、策划、汇总和校审工作,其他执笔人分别负责了相关章节的审阅工作。

在本书的编写过程中,参阅了中国电子产品可靠性与环境试验研究所郑廷圭、徐爱斌、刘发等人编写的《半导体器件失效分析》等研究资料,本实验室同事提供了可靠性文献、资料,在此表示衷心的感谢。

随着元器件技术的不断进步,失效分析技术也在迅速发展,加之作者经验和知识水平的限制,一些最新的失效分析技术可能没有涉及,或者已有的内容存在不妥或错误之处,请读者批评指正。编著者第一篇电子元器件失效分析概论第1章 电子元器件可靠性第2章 电子元器件失效分析第1章电子元器件可靠性1.1 电子元器件可靠性基本概念

电子元器件是电子产品的基本组成单元,是电子元件和电子器件的总称。通常电子元件指的是无源元件,电子器件指的是有源器件。无源元件在工作时无须外加电源,一般用来传输信号,如电阻、电容、电感、连接器等。有源器件在工作时需要外加电源,一般用来进行信号放大、变换,如三极管、场效应晶体管、集成电路等。随着电子封装技术、电子组装技术和芯片集成化技术的发展,电子元件和电子器件的界线越来越模糊,一个电子封装/组装中往往既有有源器件又有无源元件,也包含了互连技术。对电子元器件材料、结构、工艺及特性的认识和了解,是正确认识和掌握电子产品可靠性的基础。

产品的可靠性是指产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定功能的能力。描述可靠性的常用指标有可靠度、不可靠度、失效概率密度、瞬时失效率及寿命等。描述可靠性指标定义、数学表达式及[1][2][3][4]相互关系的论著很多,这里不再详细论述。下面结合元器件的特点,重点讨论在电子元器件可靠性中经常用到的几个关键指标。1.1.1 累积失效概率

累积失效概率F(t)(也称为累积失效分布函数F(t))是产品在规定条件和规定时间内失效的概率,是时间的函数。(1-1)式中,P表示产品失效的概率;R(t)表示产品在t时刻的可靠度。

当失效概率密度函数为指数分布时:(1-2)式中λ为常数。

当失效概率密度函数为威布尔分布时:(1-3)式中,η称为特征寿命,m称为形状参数,且η>0,m>0。

当失效概率密度函数为对数正态分布时:(1-4)式中,为标准正态分布的分布函数,μ称为对数均值,σ称为对数标准差。

如图1-1所示,可以认为,初始时间,既t=0时刻,F(0)=0;随着加载应力时间的增加,累积失效概率增大,当应力时间达到一定值,或应力时间t→∞时,F(t)→1。图1-1 F(t)与时间的关系

累积失效概率的估计值可以通过下列方法计算:(1-5)式中,n(t)表示到达t时刻时产品失效的数量,n表示用于试f验的产品样本总数量。显然,当产品数量n足够大时,累积失效概率F(t)就是t时刻产品的累积失效数除以样本数。1.1.2 瞬时失效率

瞬时失效率也称失效率λ(t),它是时间的函数,表示产品在t时[3]刻后,尚未失效的产品在单位时间内发生失效的概率。(1-6)

由公式(1-3)可知,当失效概率密度为威布尔分布时:(1-7)

当m<1时,λ(t)随着时间的增加递减,通常表示早期失效的状态;

当m=1时,λ(t)为常数,通常用来表示偶然失效期;

当m>1时,λ(t)呈快速上升状态,通常表示耗损失效期;

当m≥3时,威布尔分布近似正态分布,λ(t)呈现快速上升状态,仍然为耗损失效期。

因此,人们将从产品试验和使用中获得的数据与从统计方法学中获得的对产品失效率的认识统一起来,形成了描述产品全生命周期失效率变化的浴盆曲线(见图1-2)。图1-2 产品的失效率曲线

失效率描述的是一批产品的失效特征;对于产品个体,可以认为失效率是产品在不同阶段(早期失效期、偶然失效期、耗损失效期)发生失效的概率,没有特定的物理内涵。

我国电子元器件失效率等级的划分由国家标准《电子元器件失效率试验方法》GB/T 1772-1979及GJB 2649-1996中的相关规定给出,其失效率等级及对应最大失效率见表1-1。表1-1 电子元器件失效率等级续表1.1.3 寿命

对于单个产品,寿命是指产品发生失效前的工作或储存时间,是一个确定的量值。对于一批产品,由于产品个体的寿命量值存在差异,往往表现出分布特征。当掌握一批产品寿命的分布特征后,对于同类产品,就可以指出其寿命为某个值的概率。因此,产品的寿命是与概率相关的特征量。1.平均寿命

对于不可修复产品,平均寿命是指产品发生失效前的工作或储存时间的平均值,也就是每个产品寿命之和取平均,即平均失效前时间记作MTTF(Mean Time to Failure)。对于可修复的产品,平均寿命是指两次失效(故障)之间工作时间的平均值,即平均无故障时间记作MTBF(Mean Time between Failure)。

对于大多数电子元器件来说,一旦发生失效,就无法经过修复再使用了。2.可靠寿命

产品在某特定可靠度R(t)时对应的寿命时间t称为可靠寿RR命。

当R(t)=0.5或F(t)=0.5时,产品的寿命时间t称为中位寿命。0.5

当R(t)=0.368或F(t)=0.632时,产品的寿命时间t(以可0.368靠度来衡量)或t(以累积失效概率来衡量)称为特征寿命(见图0.6321-3)。图1-3 可靠寿命、中位寿命、特征寿命

通过加速应力试验可以获得产品的累积失效概率分布,几组应力下的累积失效概率分布外推计算,可以获得在工作应力下产品的寿命。对于电子元器件,在进行寿命评价时需要关注以下几个问题。(1)由于不同的失效机理加速应力各不相同,如集成电路中金属布线电迁移失效主要采用温度和电流应力加速,栅氧化层与时间相关的电介质击穿(TDDB)失效主要采用电压加速,因此寿命评价中采用单一机理加速试验方法最为有效,但有时在一组应力条件下也会激发多种失效机理。(2)寿命评价中一般采用中位寿命或特征寿命进行计算,但对于集成电路等电子元器件,由于其失效率较低,为了保证产品的可靠性,工业界往往采用累积失效概率F=0.01%、0.1%或1%的寿命t、0.01%t或t进行计算。0.1%1%(3)累积失效概率分布的斜率反映是产品一致性的重要特征,斜率越大,说明产品的一致性越好,寿命分布越集中。1.2 电子元器件失效及基本分类

电子元器件失效是指其功能完全或部分丧失、参数漂移,或者间歇性地出现上述情况。电子元器件一旦发生失效,无论是否可以恢复,都不再允许使用,也就意味着其寿命已经终了。对电子元器件失效的认识必须从失效模式、失效机理和失效原因入手。

失效模式是指产品失效的形式、形态及现象,是产品失效的外在宏观表现。不同类别的产品失效模式各不相同。对于电子元器件,最直接的失效模式有开路、短路、时开时断、功能异常、参数漂移等。

导致电子元器件失效的原因多种多样。有质量控制不当引入的材料、工艺缺陷,有产品设计不当引入的设计缺陷,有老化、筛选、装配中应力选择不当或环境控制不当引入的损伤,有产品的固有可靠性问题,有使用中工作应力和环境应力引入的可靠性问题,以及人为因素造成的可靠性问题等。无论是什么原因引起的产品失效,都是外因与内因共同作用的结果。引起电子元器件失效的外因可以是环境应力、电应力、机械应力等,内因则是在其材料、结构中的一系列物理、化学变化。我们通常将这种内在原因称为失效机理。所谓失效机理,是指产品失效的物理、化学变化,这种变化可以是原子、分子、离子的变化,是失效发生的内在本质。

由于电子元器件门类多、结构复杂、材料多样,其失效分类也较复杂。一般可以按照失效机理、失效时间特征及失效后果对产品的失[1]效进行分类。1.2.1 按失效机理的分类

按照失效机理,电子元器件的失效可以分为结构性失效、热失效、电失效、腐蚀性失效等。(1)结构性失效是指产品的结构件由于材料的损伤或蜕变而造成的失效,如疲劳断裂、磨损、变形等。对于电子元器件产品,结构性失效主要是由结构件的材料特性及受到的机械应力造成的,有时候也与热应力和电应力有关。(2)热失效是指产品由于过热或急剧温度变化而导致的烧毁、熔融、蒸发、迁移、断裂等失效。对于电子元器件产品,热失效主要是由热应力造成的,但往往也与产品的结构设计、材料选择有关。(3)电失效是指产品由于过电或长期电应力作用而导致的烧毁、熔融、参数漂移或退化等失效。对于电子元器件产品,电失效主要是由电应力造成的,但与材料缺陷、结构密切相关。(4)腐蚀性失效是指产品受到化学腐蚀、电化学腐蚀,或材料出现老化、变质而造成的失效。对于电子元器件产品,腐蚀性失效主要是由腐蚀性物质(如酸、碱等)的侵入或残留造成的,也与外部的温度、湿度、电压等因素有关。1.2.2 按失效时间特征的分类

按照失效时间特征,电子元器件产品的失效同样可以分为早期失效、偶然失效和耗损失效。(1)早期失效是由材料缺陷或制造过程引入的缺陷等造成的失效,这时产品的失效率往往较高。可以通过特定的老化、筛选来剔除有缺陷的产品,使失效率很快降低并稳定下来。对于电子产品,早期失效的原因有:材料缺陷、设计缺陷、制造过程引入的缺陷等。要减少产品的早期失效,必须明确引起失效的缺陷及产生途经,并加以有效控制。(2)偶然失效是由随机发生的事件引起的失效,这时产品失效发生的概率较小且具有随机性。要预防和控制偶然失效的发生,同样需要寻找失效发生的根源。对于电子元器件产品,引起偶然失效的原因有设计裕度不当、潜在缺陷、偶发应力和人为因素等。(3)耗损失效是由于长期工作或恶劣环境造成产品性能、功能发生不可逆变化而引起的失效,这时产品的失效率快速增大,最终产品失效。对于电子元器件产品,引起耗损失效的原因有原子/离子迁移、界面效应、辐射效应、热电效应、电化学腐蚀、磨损、断裂和疲劳等。1.2.3 按失效后果的分类

按照失效后果,电子元器件产品的失效可以分为参数漂移、退化失效、功能失效、间歇失效等。(1)参数漂移是指电子元器件产品一个或多个参数发生正向或逆向漂移出规定范围而失效。对于电子元器件产品,引起参数漂移的原因有离子沾污、氧化层电荷等。(2)退化失效是电子元器件产品一个或多个参数或产品的某个局部特性发生退化性变化直至达不到规定要求而失效。退化失效是一个渐变的过程。对于电子元器件产品,引起退化失效的原因有长期应力作用、材料互扩散、电化学腐蚀和金属原子迁移等。(3)功能失效是电子元器件产品部分丧失或完全丧失规定的功能而失效。对于电子元器件产品,引起功能失效的原因有过应力、退化引起的性能突变、腐蚀等。(4)间歇失效是电子元器件产品在试验或使用中出现的时好时坏现象的失效。对于电子元器件产品,引起间歇失效的原因有导电多余物、沾污、金属间化合物生成、应力导致的裂缝等。参考文献

[1]陈昭宪.可靠性概论.广州:中国电子产品可靠性与环境试验研究所,1985.

[2]茆诗松,汤银才,王玲玲.可靠性统计.北京:高等教育出版社,2008.

[3]张增照.以可靠性为中心的质量设计、分析和控制.北京:电子工业出版社,2010.

[4]顾瑛.可靠性工程数学.北京:电子工业出版社,2004.第2章电子元器件失效分析2.1 失效分析的作用和意义

电子元器件失效分析(Failure Analysis)是对已失效元器件进行的一种事后检查。根据需要,使用电测试及必要的物理、金相和化学[1]分析技术,验证所报告的失效,确定其失效模式,找出失效机理。

失效分析的目的就是要明确失效机理,查找失效原因,提出改进措施,从而提升产品的可靠性。失效分析工作就是采用各种测试和分析技术,结合失效分析技术人员的专业背景和工程经验,通过一定的分析程序,对失效进行分析、推理和判断的过程。失效分析是产品可[2]靠性工程的一个重要组成部分,具有非常重要、不可替代的作用。2.1.1 失效分析是提高电子元器件可靠性的必要途径

电子元器件可靠性工作的主要内容包括两个方面:一是评价可靠性水平,二是提高可靠性。评价可靠性水平的方法包括可靠性数学预计、可靠性试验评价、建立可靠性评估模型等;而提高可靠性则通过必须通过失效分析、失效机理研究,工艺监控、可靠性设计等来实现[3]。

可靠性工作不仅是为了评价产品的可靠性,更为重要的是设计和生产出可靠的产品,并逐步提高产品的可靠性。只有从失效物理入手,取得前期同类产品在生产、试验及使用中的失效信息,分析其失效模式及失效机理,联系产品结构、材料和工艺,揭示其失效的内在原因,才能根据新产品的可靠性要求进行可靠性设计、控制和管理。在器件研制过程中,还需开展强应力(加速应力)试验,暴露其潜在隐患,分析其失效机理,以便及时进行设计、工艺改进,缩短产品研制周期。通过几次内部的改进循环及使用—分析—反馈的大循环,才能最终从根本上提高元器件的固有可靠性。

因此,失效分析是提高电子元器件可靠性的必要途径。2.1.2 失效分析在工程中有具有重要的支撑作用

电子元器件失效分析作为可靠性物理的核心内容,在可靠性工程应用中起重要的支撑作用,但失效分析工作对元器件和整机系统来说,作用有所不同。

对元器件生产厂家来说,失效分析的最终目标是提交合格的产品,保证和改进元器件本身的可靠性,满足工程应用需求,并提高竞争力。其析出失效的环节是产品的全寿命周期,包括初样试验、原材料选择、工艺鉴定、生产过程检验、筛选试验、鉴定检验试验、质量一致性检验及用户的试验和现场使用等,而失效分析的目的也是确定失效与其中哪些环节相关,为改进提供依据。

例如,美国军方在20世纪60年代末到70年代初采用了以失效分析为中心的元器件质量保证计划,通过在制造和试验中暴露问题,经过失效分析找出失效原因,通过改进设计、工艺和管理,在6~7年-5-9间使集成电路的失效率从7×10/h降低到3×10/h,失效率降低了四个数量级,成功实现了“民兵Ⅱ”导弹、阿波罗飞船登月计划。

但对整机厂商来说,析出失效元器件的环节主要是二次筛选,各种整机试运行试验及现场使用。失效分析的主要目的是确定元器件的失效是其本身的问题,还是整机系统试验和运行环节中出现了不适当的应力。为选择供应商、选购和筛选元器件、改善系统设计、保障使用环节提供依据。2.1.3 失效分析会产生显著的经济效益

开展失效机理研究及分析工作,不仅在提高可靠性方面有很好的效果,而且会产生很高的经济效益。虽然失效分析工作不出产品,但根据失效原因采取的纠正措施可以显著提高元器件的质量和可靠性,减少系统试验和现场使用期间的失效器件。而系统试验和现场使用期间发生故障的经济损失巨大,排除故障的维修费用很高,并且这种费用随着可靠性等级要求的提高而呈指数上升。对于航天产品,排除器件的费用可以达到惊人的数字。表2-1给出了在不同阶段排除失效元器件的费用统计。

例如,美国早期的“民兵Ⅱ”导弹制导计算机用集成电路,通过失效机理研究分析等可靠性研究,在1964~1966年的两年中,就使现场更换集成电路的成本从每只274美元降低到每只20美元。

因此,如果能及时开展失效机理研究分析工作,尽早采取纠正措施,就可以显著减少元器件现场失效比例,大大地降低维修费用,从[3]而产生显著的经济效益。表2-1 排除失效半导体器件的费用比较(价格:美元/只)2.1.4 小结

总之,鉴于失效分析的重要作用,应将这项工作贯穿于电子元器件设计、研制、生产、试验和使用全过程,这些技术过程中需要进行失效分析才能得以完成或完善。最简单的道理就是:因为可靠性是以不断地与失效做斗争才能得以维持或提高的,如果对失效的本质不了解,就不能做到知己知彼,就难以获得取胜的条件。

在我国,电子元器件失效分析工作的开展及技术的研究始于20世纪80年代初。随着国产电子元器件制造水平的快速进步及电子信息产业中元器件的大量使用,在国家的大力支持下,电子元器件失效分析行业得到了快速发展,无论是专业设备、技术能力还是人才队伍,都达到了较高的水平,成为我国电子信息产业发展、提高电子产品的可靠性、从制造大国向制造强国迈进的有力的技术支撑和保障。2.2 开展失效分析的基础“工欲善其事,必先利其器。”不同于电子系统和装备,以微电子器件为代表的电子元器件在工作原理、材料、工艺和结构方面的复杂性,在失效模式和机理方面的多样性,以及在空间尺度上的微观性,决定了开展电子元器件失效分析必须具备一定的技术基础和设备条件[4]。2.2.1 具有电子元器件专业基础知识

要开展电子元器件的失效分析,必须了解和掌握电子元器件的工作原理、材料和结构特征、制造工艺、电气性能及应用范围和条件。电子元器件失效的发生可能与材料、设计有关,也可能与制造、运输、装配、试验和使用过程有关,分析材料的选择和结构设计是否恰当,判断制造工艺过程是否引入了不应有的缺陷,以及确认运输、装配、试验和使用过程是否带来了新的损伤,这些对于完成失效分析都是非常重要的。2.2.2 了解和掌握电子元器件失效机理

失效机理是电子元器件失效的内在本质,只有从机理上揭示失效的内在过程,才可能找到失效发生的真正原因,从而提出控制和改进措施。由于不同门类电子元器件的原理、结构、材料、性能方面的特点,对电子元器件失效机理的学习和掌握并不是一件容易的事情,虽然一些论著中曾经罗列了电子元器件的失效机理,但是学术界、工业界对失效机理的研究和讨论从来没有停止过。2.2.3 具备必要的技术手段和设备“巧妇难为无米之炊。”不同于其他电子产品,元器件的失效分析在测试方面要覆盖所有类型的元器件、在空间观察尺度上需要深入-6-9到微米级(10m)甚至纳米级(10m),在微区成分分析上要精确-6-9到ppm(10)甚至ppb(10)级,在失效验证方面要具备各种不同的应力类型。因此,元器件的失效分析技术一定是和相应的技术手段和设备手段密不可分的。只有具备了一定的手段和设备,掌握了必要的分析技术,才能为开展失效分析打下良好的基础。本书将开展元器件失效分析的常用技术手段分为以下几类。(1)失效分析中的电气测试技术。主要用于对失效现象、失效模式进行确认,以及在失效激发及验证试验前后的电性能测试。电测技术应覆盖需要分析的元器件类型。通过测试可以进行失效的电学定位,缩小物理分析过程和区域;而利用光、热、磁场等进行的物理性能探测也需要电测试技术的配合。(2)显微形貌分析技术。显微形貌分析技术是对元器件进行外观和内部检查的技术,是进行失效定位和机理分析的最基本、最重要的手段。由于元器件在微观结构上达到微米甚至纳米级,因此,除了光学显微分析外,还包括扫描电子显微(SEM)分析、透射电子显微(TEM)分析等电子显微分析技术和手段。(3)显微结构分析技术。这里是指以X射线显微透视、扫描声学显微(SAM)探测等为代表的无损显微结构探测技术。可以在不破坏失效样品的情况下获取元器件的内部结构,探测可能存在的缺陷,如空洞、断线、多余物、界面分层、材料裂纹等。探测精度可以到微米级。(4)物理性能探测技术。失效定位是决定失效分析是否成功的关键。由于电子元器件尤其是集成电路内部结构的细微复杂性,很多时候仅仅通过电测、显微形貌和结构观察无法进行准确的失效定位。由于元器件内失效区域和缺陷点在应力或粒子激发的条件下可能会出现异常的电压、发光、发热或磁场突变等现象,因此采用探测元器件内部的电、光、热、电磁场等物理性能的方法就可以进行失效定位。具体的技术包括电子束测试(EBT)、微光探测、显微红外热像、显微磁感应技术等。(5)微区成分分析技术。元器件的失效不仅会表现出形貌和结构的改变,也会发生成分变化;多余的杂质或沾污也可能是造成失效的原因。因此,对元器件进行成分分析也是失效分析中必不可少的技术手段。而由于元器件的微细结构和微量成分的特点,这种成分分析技术必须是微区和微量的。具体有能量散射谱仪(EDS)、俄歇电子谱法(AES)、二次离子质谱法(SIMS)、X射线光电子谱法(XPS)、傅里叶红外光谱法(FT-IR)、内部气氛分析法(IVA)等。(6)应力试验技术。电子元器件的失效均与应力有关,这些应力包括温度、湿度、电压、电流、功率、机械振动、机械冲击、恒定加速度、热冲击和温度循环试验等。因而,在进行失效分析时,有时需要针对元器件开展一些应力试验来激发失效、复现失效模式或观察在应力条件下失效的变化趋势,从而有助于分析失效机理、确定失效原因。(7)解剖制样技术。由于电子元器件封装材料和多层布线结构的不透明性,对于大部分失效分析问题,必须采用解剖制样技术,实现芯片表面和内部的可观察性和可探测性。例如开封技术、半导体芯片表面去钝化和去层间介质技术、机械剖面制备技术和染色技术等。而对于开展TEM分析来说,还需要采用聚焦离子束(FIB)进行微米甚至纳米尺度的切割和制样。

具备了以上这些基础条件后,就可以开展失效分析工作了。通过采用适当的方法和技术,遵循合理的分析程序,迅速而准确地进行失效定位,分析失效机理,寻找失效原因,给出改进措施,从而达到开展失效分析的目的。2.3 失效分析的主要内容

从失效分析的定义、内涵及目的可以知道,失效分析的主要内容包括:明确分析对象、确认失效模式、失效定位和机理分析、寻求失效原因、提出预防措施(包括设计改进)等。失效分析的结果要求做到模式准确、机理清晰、原因明确、措施有效。2.3.1 明确分析对象

失效分析首先要明确分析对象及失效发生的背景。在对失效样品进行具体的失效分析操作之前,失效分析人员需要与委托方进行充分的交流与沟通,详细了解失效发生时的状况、样品在系统中的作用和使用环境;同时获取产品的技术规范,了解产品的性能指标及使用范围和要求,学习和掌握产品的工作原理及材料、结构和工艺,为开展后续的分析工作做好准备。2.3.2 确认失效模式

失效模式是电子元器件失效的外在表现形式。开展失效分析的第一步就是对失效样品的失效现象和模式进行确认,即使委托方已经验证和说明了失效模式。失效模式确认主要是外观检查和电性能参数的测试分析,有时还需要开展应力试验。失效模式的确认结果包括:是否与委托方提供的信息一致、是否存在外观损伤、是功能完全失效还是参数退化、是稳定失效还是间歇性失效等。2.3.3 失效定位和机理分析

失效模式确认后,就需要对失效发生的区域进行定位。对于元器件来说,要定位到能说明失效机理的层次和区域,如半导体器件的引线键合区、金属化布线、层间介质等。显微观察和结构分析及物理性能探测是进行失效定位的重要手段。失效定位完成后,就要针对失效区域和失效形貌特征,从失效样品的材料、结构和工艺出发,结合失效发生的背景信息对失效机理进行分析和阐述。2.3.4 寻找失效原因

在确定失效机理后,还需要进行失效原因分析。对同一失效机理来说,导致失效发生的原因并不一定相同。例如微波功率管发生烧毁失效的可能原因就包括:一功率管本身的原因,如芯片存在工艺缺陷导致的功率分布不均匀、芯片粘接或底座粘接空洞大导致的散热不良等;二是使用的问题,如系统设计不当造成的功率冗余不够,输出端引入了大的反射功率,环境温度过高等。只有明确了导致失效发生的主要原因后,才能有针对性地进行预防和改进,避免同类失效的再次发生。2.3.5 提出预防和改进措施

在找到失效原因后,就应该有针对性地提出预防和改进措施。这些措施可能涉及来料、设计、工艺制造、鉴定检验、筛选、包装运输、系统调试和外场应用等各个环节。由于失效分析的最根本目的是消除和控制失效,并避免同类失效在其他产品尤其是新产品上发生。因此,预防和改进措施不仅要落实在发生失效的产品上,还应该落实到其他包括新产品的研制生产和使用中。2.4 失效分析的一般程序和要求

失效分析的原则是先进行非破坏性分析,后进行破坏性分析;先外部分析,后内部(解剖)分析;先调查了解与失效有关的情况(线路、应力条件、失效现象等),后分析失效元器件。失效分析流程图如图2-1所示。图2-1 失效分析流程图

失效分析流程还可按工作开展的顺序归纳为以下几个步骤:样品信息调查、失效样品保护、失效分析方案设计、外观检查、电测试、应力试验分析、故障模拟分析、失效定位分析(非破坏性分析、半破坏性分析、破坏性分析)、综合分析、失效分析结论和改进建议,结果验证。2.4.1 样品信息调查

失效样品信息是方案设计、分析过程和机理诊断的重要依据,信息调查应包括但不限于以下内容。(1)基本信息。包括样品的工作原理、结构、材料、工艺、主要失效机理;另外,出于管理需要的信息,还包括样品来源、型号、批次、编号、时间、地点等。(2)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,包括:

①特定使用信息,如整机故障现象、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;

②特定生产工艺,包括生产工艺条件和方法,特种器件应先用好品开封了解和研究其结构特点。2.4.2 失效样品保护

对于由机械损伤和环境腐蚀引起的失效现象,必须对元器件进行拍照,保存其原始形貌。为了避免进一步失效,样品在传递和存放过程中必须特别小心,以避免环境(如温度和湿度)、电和机械应力对元器件的进一步损伤;在传递一些小的元器件时,应有必要的装载;对于静电放电(ESD)敏感器件,还必须采取静电防护措施。2.4.3 失效分析方案设计

制定失效分析方案的目的是能快速、准确地进行失效分析,得到正确的分析结果,避免分析过程的盲目性。方案的主要内容是确定开展分析的项目和顺序;分析每种项目可能的结果,以及根据结果进行后续项目的指引。在进行下一步分析尤其是破坏性分析前,必须尽量保证已获取必要的信息。

失效分析方案主要依据样品信息、具备的技术手段及人员的理论知识和实际经验来制定;方案可随着分析的开展随时进行调整;方案不拘泥于形式,可简单也可复杂,可以是书面的也可以是口头的。2.4.4 外观检查

失效元器件的外观检查十分必要,它可能会为后续的分析提供重要信息。首先用肉眼检查失效元器件与好元器件之间的差异,然后在光学显微镜下进一步观察。采用放大倍数在4~80倍的立体显微镜,变换不同的照明角度来获得最佳的观察效果。有时也采用常规的放大倍数在50~2000倍的金相显微镜来寻找和观察失效部位。外观检查中应关注这些现象,如灰尘、沾污、绝缘子裂纹、管壳或引脚变色、机械损伤、封装裂缝、金属迁移等。2.4.5 电测试

在失效分析中进行电测试的目的是确认失效模式,定位失效引脚,识别部分失效机理。电测的方法包括功能参数测试、直流特性测试(IV特性)和失效模拟测试。功能参数测试一般对照产品规范进行,如果能对比良好样品进行测试,可以取得事半功倍的效果。电测试可能得到的结果有:参数漂移,参数不合格,开路,短路,与失效现场不一致。在失效分析中,端口之间的IV直流特性测试是简单而又有效的手段,往往有助于对异常的引脚和相关回路进行失效定位。但测试需注意以下几点。(1)在测试量不大时,首选手动晶体管图示仪。这是因为:①电压可控,可以保证测试安全;②可以得到随电压变化的电流响应曲线;③可以观察到因为离子沾污或热电子效应而产生的随时间蠕变的IV特性。(2)当测试量大时,用自动图示仪或半导体参数测试仪可以缩短测试时间。但要注意的是,自动测试无法捕捉随时间蠕变的特性曲线。(3)无论是手动测试还是自动测试,都要注意量程的选择,量程太大可能损伤器件,量程太小可能只测得局部特性,而没有得到全貌特征。(4)测试时要先掌握测试标准和规范,对高反压器件,测试电压一定要控制在安全范围内,避免器件发生雪崩击穿。(5)尽量不要用万用表进行端口特性测试,这是因为:一方面,万用表测量时施加的电压或电流应力不可控,可能会引起一些电应力敏感元器件的损伤;另一方面,万用表测量只能得到单一的量值,无法得到随电应力变化的值。

常用的电测试仪器包括但不限于:阻容感测试仪(RCL)、晶振测试仪、晶体管图示仪、半导体参数测试仪、示波器、集成电路测试系统、RF及微波测试系统等。2.4.6 应力试验分析

元器件的失效通常与应力有关,这些应力包括电应力,如电压、电流、电功率等;温度应力,如高温、低温、温度变化等;机械应力,如振动、冲击、跌落等;还有湿度、盐雾、霉菌等。在失效分析中开展应力试验主要用来激发失效、复现失效模式或观察在应力条件下参数或参数分布的变化趋势,从而有助于分析失效机理,确定失效原因。例如高温偏置试验下端口漏电特性是否发生变化可以帮助识别是否存在离子沾污,振动试验可以激发可能存在的接触不良失效等。

开展应力试验的常用设备有:高、低温试验箱,温度循环、温度冲击试验箱,潮热试验箱,振动试验台,高加速寿命/高加速应力筛选(HALT/HASS)试验箱等。2.4.7 故障模拟分析

故障模拟分析的目的是故障再现,适用于失效样品发生参数恢复、漂移,或者失效模式为间歇性短路、断路的情况。另外,开展良品的模拟试验,对比失效样品可以帮助判断失效原因,如ESD失效、闩锁失效、浪涌失效等。

分析项目包括模拟应用分析、全温度参数测试,以及温度、温变、机械振动等应力试验等。2.4.8 失效定位分析

失效定位分析是对样品内部进行观察、测试和解剖分析以确定失效部位或区域的分析,是失效分析流程的重要环节。这里将失效定位分析分为3个层次:一是非破坏性分析,即通常所说的无损分析;二是半破坏性分析,是对样品开封后保留内部所有状态和信息的分析;最后是破坏性分析,是对内部状态进行改变的分析,如去键合引线、芯片表面去层、引线切割或搭接等。1.非破坏性分析

非破坏性分析是检查元器件内部状态而不打开或移动封装的分析,通常包括X射线显微透视检查、扫描声学显微检查、热点定位分析、磁显微分析、密封性检查和多余物检查等。(1)X射线显微透视检查。可用于无损检测电子元器件及多层印制电路板的内部结构、内引线开路或短路、粘接缺陷、焊点缺陷、封装裂纹、桥连、立碑及器件漏装等缺陷。利用分层扫描和计算辅助设计等技术手段,已经从二维(2D)发展到三维(3D)。(2)扫描声学显微检查。可以对电子元器件内部缺陷,如材料之间的分层、空洞等缺陷进行无损探测,对于观察塑封元器件的分层现象特别有效。(3)显微红外热点探测。缺陷和失效点常常会在加电情况下有异常的热点,通过探测热点就可以进行损伤点定位。最新的一种增强型带锁定功能的显微红外热像技术可以在不开封的情况下对芯片热点进行探测,尤其是可以对叠层芯片封装结构的内部芯片进行热点定位。(4)磁显微探测。缺陷和失效点会令器件的磁场发生变化,通过探测封装器件内部磁场的特性,也可以实现无损失效定位分析。最新的磁感应显微镜,在对样品施加外部电流的条件下,通过探测磁场的变化对开路、短路、漏电流等缺陷进行定位。(5)密封性检查。密封性退化或失效是导致气密性封装器件失效的原因之一,如金铝键合的腐蚀失效、芯片内部引线之间漏电失效等。因此,需要对密封性进行检查,常用的方法有两种:一是氦原子示踪法,用于检测细小的泄漏,又叫细;二是氟碳化合物法,用于检测较大的泄漏,又叫粗检漏。2.半破坏性分析

半破坏性分析,是对样品开封后保留内部所有状态和信息的分析,具体包括:开封、内部气体分析、多余物取样、显微形貌观察、物理性能分析等。(1)开封。为了对元器件进行进一步的分析,需要开封元器件,将内部结构暴露出来。常用的开发方法包括机械开封法、化学开封法和激光开封法等。开封的原则是尽量不破坏样品的失效信息。(2)内部气氛分析。对气密封装的电子元器件来说,内部气氛是影响其可靠性的重要因素。如果内部水汽的含量过高,会直接导致金属腐蚀等化学或电化学反应的发生。内部气氛分析就是用来对密封腔体内气氛进行定量分析的技术手段。(3)多余物提取。多余物往往是造成大体积或复杂结构的空腔器件或组件发生短路或沾污失效的原因。通过提取多余物可以查找多余物的来源,从而进行控制和改进。(4)显微形貌观察。显微形貌观察是对内部失效和缺陷进行观察和失效定位的最基本方法。除了光学显微镜,SEM观察是最常用的方法。主要用二次电子和背散射电子来成像做形貌观察。其中二次电子分辨率为1.5~5nm,常用于表面形貌特征观察;背散射电子分辨率为50~1000nm,常用于对表面成分作定性分析,如金属间化物分析。配套的X射线能谱仪利用样品发出的特征X射线来对样品微小区域的原子排序在Be以后的元素进行定量分析。(5)物理性能分析。即在施加偏置或应力的条件下,通过探测元器件内部的电、光、热、电磁场等物理性能进行探测的技术,是失效定位的重要技术手段。具体技术包括EBT、微光探测、显微红外热像、显微红外热点探测、磁显微探测等。

①电子束探针测试。电子束显微探针测试是在SEM频闪电压衬度像的基础上发展起来的一种分析技术。它采用电子束探针代替传统的机械探针,对半导体芯片进行非接触式、非破坏性的探测,可实时地对芯片表面及内部节点进行观测和非接触测试;同时在外接激励信号的作用下,提取被测节点的逻辑波形信号,进而迅速对电路的节点进行设计验证和失效定位。

②微观探测分析。微观探测分析是在对样品施加电应力的条件下,对半导体器件中的发光部位进行探测,从而对失效点进行定位;其光谱分析功能还能通过特征光谱分析来确定发光的性质和类型。由于正常的器件也可能存在发光区域,因此,探测时一般需要将失效品和良品或失效区域和同类型的正常区域进行对比分析。

③显微红外热像分析。物体发射的辐射能强度峰值所对应的波长与温度有关。通过红外探头逐点测量物体表面各单元发射的辐射能峰值的波长,经过计算机换算就可以得到表面各点的温度值。显微红外热像分析就是在对样品施加电应力的条件下,对其表面温度进行探测,得到平均温度分布及单点的瞬态温度,是分析样品热性能的有效手段。

显微红外热点探测和磁显微探测已在非破坏分析中介绍,这里不再赘述。3.破坏性分析

破坏性分析主要包括物理分析定位和微区微量成分分析。(1)物理分析定位。

物理分析定位包括:芯片剥层,机械剖面制样和FIB制样等。

芯片剥层主要是用化学腐蚀、等离子刻蚀和反应离子刻蚀等方法对芯片钝化层和层间介质及金属进行逐层去除,达到暴露失效或缺陷点的目的。

机械剖面制样的目的也是对样品内部进行观察和失效定位。具体方法包括:截取样品、选取观察面、机械研磨、抛光、染色或“缀饰”,获得平整的样品剖面,再对关注点进行观察和分析。

相比于其他制样技术手段,FIB是在微观尺度上对半导体器件表面进行微米、纳米尺度上的制样技术,可以实现微区剖面、金属切割及金属搭桥等“显微外科手术”,是元器件芯片级失效定位的重要支撑技术。进行TEM分析时,需要采用FIB技术对元器件进行微区定点制样和提取。(2)微区微量成分分析。

对于电子元器件尤其是半导体器件,表面和内部材料的结构和成分决定了器件的性能。成分的异常如表面的沾污、内部材料的相互渗透及掺杂缺陷则可能是失效的直接原因。因此,在电子元器件失效分析中,也经常需要对微区的成分进行探测和分析。由于元器件内部具有细微结构和微量成分的特点,微区成分分析需要具备在微米、纳米尺度上进行ppm甚至ppb级分析的能力。常用的分析设备包括EDS、AES、SIMS、XPS、FT-IR等。2.4.9 综合分析

完成所有分析项目后,就需要对项目结果进行推理和分析。需要说明的是,失效分析是按照失效分析方案(可以随时调整)对前面所述的项目有选择地进行的,目的是快速、有效地得到分析结果。

综合分析的内容一般包括:确认失效模式,包括功能参数或外观形貌等;确定失效区域,有些需要深入到元器件芯片级的微观结构和区域;阐述失效机理,从电测、应力试验、故障模拟及失效定位分析的结果出发,对可能的失效机理进行分析;说明失效原因,机理明确后,结合样品信息及失效背景,给出造成失效的可能原因。综合分析要求逻辑清晰、推理正确、调理清楚、言简意赅。2.4.10 失效分析结论和改进建议

在综合分析的基础上,简洁清晰地给出失效分析的结论。在可能的情况下,应给出失效是批次性的还是偶然性的,是元器件本身的问题还是使用不当造成的,或者是兼而有之。

根据失效分析结论,提出防止失效再次发生的改进措施的建议,包括材料、设计、结构、工艺、检验、试验、应用电路、测试调试、使用环境、质量控制和管理等各方面。2.4.11 结果验证

失效分析的结果是否正确,只有在实际应用中才能得到验证。因此需要加强元器件生产单位、使用单位和失效分析单位的联系和合作,生产单位和使用单位应经常反馈失效分析结论的验证情况,使失效分析、应用验证构成闭环系统,这对三方都是有益的。

失效分析结果的验证既有利于元器件使用单位采取有效措施防止类似失效的再次发生,提高元器件的使用可靠性,又有利于使用单位将元器件现场失效信息及时反馈给元器件生产厂,促使生产厂进一步改进设计和生产工艺,提高元器件的固有可靠性,同时也有利于失效分析单位不断提高分析水平。2.5 失效分析技术的发展及挑战

失效分析技术是开展电子元器件失效分析的决定性因素。以集成电路为代表的微电子技术的飞速发展使失效分析技术也面临着巨大的挑战,主要表现在两个方面:一是失效隔离与定位:二是物理分析。失效隔离与定位难度的增加是由于电路复杂性增加、速度提高和引脚数量增加,而物理分析的挑战则主要是由于器件特征尺寸的不断缩小和新材料的引入。以半导体行业为例,失效分析技术已经或将要面临[1]以下十种挑战。2.5.1 定位与电特性分析

通过电完整性测试来缩小失效分析的问题点范围,如从整个集成电路缩小到其中的电路模块,如存储器、寄存器或工艺单元,最后甚至采用隔离的方法对一个门、源极、漏极、接点或通路等电特性进行测试。可采用接触式的机械探针和非接触的电子探针等方法。2.5.2 新材料的剥离技术

在集成电路中除了传统的Si、Si0、SiN、Al及阻挡层和Wu外,2新材料如Cu及阻挡层、低k介质、高k栅介质及应用于高引脚数量封装的新的封装材料都被应用于器件中,干、湿法刻蚀技术,截面技术,各种显微技术及开封和封装背面加固处理技术等都将面临新的问题。2.5.3 系统级芯片的失效激发

系统级芯片的发展带来的首要问题是电路复杂性的增加,晶体管的数目和互连层数显著增加,引脚数增加和工作频率提高,都将给激发失效状态的电激励带来困难。2.5.4 微结构及微缺陷成像的物理极限

特征尺寸的缩小使器件结构和缺陷更加微小,使显微技术不断接近其物理极限,显微技术的不断发展成为失效分析的迫切需求。2.5.5 不可见故障的探测

由于器件结构及尺寸的变化,一些典型故障的可见度减小,而不可见故障的可能性增加,对不可见故障的探测和分析越来越引起人们的关注,如电荷迁移、铜互连在低k介质中的漏电等都会导致器件的不稳定或失效。2.5.6 验证与测试的有效性

一个完整的测试(100%的测试覆盖率)要求给出每一个门的测试结果。对于集成电路来说,随着晶体管数或门数的增加,将带来测试工作量呈指数倍的增加。失效分析中的测试包括失效验证和失效激励两部分,随着系统级芯片、倒装芯片的发展,失效激励与验证变得越来越困难。2.5.7 加工的全球分散性

半导体制造是由几个子过程组成的:设计、圆片加工、组装、测试、销售、运送、应用。而目前上述的每一个过程都可能在世界的各个不同地区进行,其中大部分过程可能在半导体生产商的直接控制之外。失效分析的难度来自要获得产品的真实信息。2.5.8 故障隔离与模拟软件的验证

故障的隔离与模拟软件和测试、验证密切相关,可利用测试、验证结果将失效分析结果与电气失效结果关联起来。由于失效的测试、验证的复杂性提高,故障隔离与模拟的复杂性也越来越高。2.5.9 失效分析成本的提高

在过去的十年里,失效分析的成本在持续上升,由于用于失效分析的新工具必不可少,如何配置和有效利用失效分析工具成为失效分析成本控制的关键。2.5.10 数据的复杂性及大数据量

越来越多、越来越复杂的数据成为失效分析的关键,包括测试数据、验证数据、工艺数据、设计数据等,这些数据的分析和综合应用使失效分析成为一项艰巨的任务。

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