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标题: 【科研干货】电子元器件失效分析 [打印本页]
作者: 半导体实验室    时间: 2023-8-26 09:40
标题: 【科研干货】电子元器件失效分析
本帖最后由 Heaven_1 于 2023-8-28 10:29 编辑
7 {+ m4 e5 g: U) X; T' U2 @( E' ^7 \) D5 [
4 {( m8 S4 p4 D1 f$ A1 X9 s
电子元器件失效是指其功能完全或部分丧失、参数漂移，或间歇性地出现上述情况。电子元器件分析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，确认其失效模式，找出失效机理6 c) X5 C: H5 n0 f: @

+ o5 C% A) x$ ?      主要分析对象包括电阻器、电容器、电感器、连接器、继电器、变压等原件，二极管、三极管、MOS、可控硅、桥堆、IGBT等半导体分立器件，各种规模、各种封装形式的集成电路，射频、微波器件，电源模块、光电模块等各种元器件和模块。
" R* w  o1 f6 }7 X% m1 W失效分析检测流程
% A2 J8 H& \" {6 |+ N. ?1. 资料收集和分析，了解失效现象和失效背景；
" h. n, R" A" g$ ]8 g4 J& o2. 鉴别失效模式  d8 J. u4 `8 I7 Z9 ?- q1 Q& ^
3. 失效现象的观察和判定
* o5 |5 n, l' o3 `2 v4. 检查外观& R9 N  Q+ }  Z, b6 ?9 G
5. 证实失效
. i( P4 M. ~* A3 B* T" g# e: {5 D1 l6. 失效点定位
! V! j7 U# B% l- v7. 失效点解析
! J. m; g* O8 C  R: Y鉴别失效模式# b% d+ k8 B  h0 O
最直接的失效模式是开路、短路、时开时断、功能异常、参数漂移等
( g$ X! z) T" F3 z- E% @失效现象的观察与判定
9 p8 ?& [! A3 u8 v: ]/ B（1）外观检查检测手段：肉眼，体式显微镜，金相显微镜，测量显微镜，扫描电镜 EDS(如果需要化学成分分析）测试内容：机械损伤、腐蚀、管脚桥接、处于引脚之间的封装表面上的污染物（可能引起漏电或短路）、标记完整性；外观的完整性观察如微裂纹。黑胶和引线框架封接处的分层、焊缝上的裂纹、沙眼、空洞、焊区内的小缺陷等，EOS/热效应引起的器件变色。
  U4 {; o1 u0 N' W/ K& F, B金相显微镜  F$ H$ g  z5 ^) C5 Q
设备型号：LV150N
1 p4 Q7 V/ H/ Z7 D. f% a放大倍率：50倍到1000倍
  o2 W- C: g% X  Y4 T' I, N分辨率：0.2um
. C5 _+ E: t/ w3 H. x6 D体式显微镜
- D9 g  r" B+ o) D设备型号：& m4 M% r4 v, u( n$ J% }3 U
蔡司Discovery.V20
' K# x5 p% @; z2 s放大倍率：几倍到150倍
, |" z" a3 B$ |* Y6 M' B3 s测量显微镜：
, o7 _+ ]" F! E1 V' U& s设备型号：OLYMPUS-DSX5003 n. r  c; d& |
放大倍率：50倍到1000倍( M- T  n4 h) K% q% k3 n
（2）电性能测试
/ W6 b0 n5 s9 o2 P检测手段：半导体参数测试仪，探针台,示波器，ATE自动测试仪测试内容：判断失效现象是否与原始资料相符，分析失效现象可能与哪一部分有关，具体有连接性失效、电参数失效和功能失效。简单的连接性测试和参数测试，结合物理失效分析技术，可获得令人满意的失效分析结果。$ c; l# ^" z3 G7 }' P& U
IV曲线测量仪' E# R( I) j5 {4 o% E$ c: B
设备型号：CT2-512X4S: G" i7 Q8 j2 f! t! j& Q+ _/ `
最大电压：10V) j% L( v7 d2 P3 f6 [& X
最大电流：100mA$ B0 p6 Y# W$ r
证实失效+ z7 f) G5 {# o9 r" p8 P
通过外部电性测试来判断器件是否失效。检测手段：半导体参数测试仪，探针台,示波器，ATE自动测试仪测试内容：使用不同的测试条件，尽量模拟可能的失效状况。对Soft failure或间歇性失效，测试时只改变其中一个参数，如电压、温度、频率、脉冲宽度等，来表征器件的好/坏界限和判断器件正常工作的区间。5 [, J+ a( t- {! I
失效点定位
* ]9 }$ T. X  c& W' x/ v通过外部电性测试来判断器件是否失效。（1）失效点定位2D X-ray/3D CT :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、开焊等。
8 A' {2 E+ h& A$ e- [; `X射线检测系统/ v" v& D$ @4 _8 a& \9 m
设备型号：Phoenix X|aminer' W7 C+ |/ a8 m% p
2D分辨率：0.5um；) ~7 }5 n- A- y0 s  f  J1 b4 o- u
3D分辨率：1.5um;  
( ?7 G, @; q: _+ D超声波扫描显微镜（SAT）：检测空洞、裂缝、不良粘接和分层剥离等缺陷。# v9 K1 J& S: @; M/ T
超声波扫描显微镜
+ h. r* x8 s* R) t设备型号：Sonosca-SAM D9000
# x1 ~: r$ X% Q4 V/ K/ E探头频率：15MHZ、30MHZ、 50MHZ、230MHZ$ C+ K7 Z; c) N* _6 b
分辨率：5um6 B  X& D4 a4 \+ d  V( u
微光显微镜（EMMI）：检测芯片上失效部位因电子-空穴复合产生的发光点  J2 J$ z  N% f. [9 Z5 I& F
微光显微镜6 W1 u5 d6 f" B
设备型号：SEMICAPS SOM 1100. C! x0 s: j7 R3 |$ g
InGaAs红外波长：900-1700nm" o: o- O. i+ G0 Z
X-Y-Z 移动范围：50*50*100 毫米* q3 p  B+ J% z
激光显微镜(obirch)：主要侦测IC内部所放出光子，故障点定位、金属层缺陷。/ N# t4 L& U9 l! F5 Q. u
激光显微镜7 a' ?7 l0 l- @& X( t8 Y' l. ]
设备型号：SEMICAPS SOM 1100' Y, B, c4 H( ]5 m3 P- Z& J0 Z
扫描像素：2048*2048 pixel
$ Z  `# {- H. G1 d8 W. d; Y（2）失效点定位预处理% F. i0 W& y8 o0 {: x8 C# f( J
化学自动开封：塑料器件喷射腐蚀开封：一般用于用于环氧树脂密封的器件，即对器件进行部分开封，暴露芯片表面或背面，但保留芯片、管脚和内引线和压焊点的完整性寄电学性能完整，为后续失效定位做准备，因此也被归为失效定位的范畴内。此步骤的关键是保持器件的电学特性开封前后的一致性。6 a) g  Y3 \3 J0 ^
失效点解析
, `- [6 ~+ s3 |- L' p5 @通过开封，研磨（CP/MP），干湿法剥层，一系列离子束（FIB）,电子束（SEM,TEM）,能谱（EDX）和表面分析（Auger，XPS，SIMS等）设备观察失效部位的形状、大小、位置、颜色、机械和物理结构、特性、成分及分布等，综合表征与上述失效模式有关的各种失效现象。0 \( J. G; ^( [' p9 U  }& D
聚焦离子束FIB# o7 q7 Y1 s$ C
设备型号：HELIOS NA OL B600i
; \- g/ j) |1 W, h离子束加速电压：500V-30kV;  o  V$ ~- C( [3 h3 G
束流强度：1pA-65Na
- Q2 s6 m/ w; Q3 _5 C6 a交叉点分辨率：4.5nm@30kv
" f) S7 l) T6 o精研一体机! w3 l4 J- Y2 n/ q' k7 ^
设备型号：Leica EM TXP; W3 c( W0 j5 c9 K! z
从300到20000 rpm 的可变速度
% Y' s# c- `0 s" H; L点停式调整装置可实现在纵向上旋转
1 b, p) Z1 _* E8 @等离子去层仪
" F# C4 K! O1 k% {- v) E& C; [6 U5 h设备型号：RIE-10NR2 U! q4 n0 \& q
刻蚀速率：70-80nm( ]7 L' ~" P7 {
SEM扫描显微镜
6 ?$ @5 C9 I: |  `# p: `. F: \设备型号：NOVA NANOSEM 4502 d7 G2 T. q1 ~; [# Q4 d7 O1 g4 k
电子枪：高亮度肖特基场发射电子枪
0 ]) |% d7 r3 Z分辨率：0.9nm@15KeV
) F  F; j6 J9 x( d+ ^& M" f        1.4nm@1KeV9 T% j4 @" \8 I! g$ f; X% m
        减速模式1.2nm@1KeV
+ j8 n1 e1 a% y) [( `最大样品尺寸：180mm(不能倾转样品)" `- m2 x9 ?1 a8 G% }6 t: P4 k
倾转角度：-60°至  90°9 w! p+ N& w9 O" Y" V+ J0 B
SEM扫描结果图
9 ~$ X8 i: e- n1 Y8 X0 a0 Z8 H三．实际案列展示
5 a6 d8 c+ \+ Y! A+ w* q4 j' Y0 g1. EMMI定位热点，对热点位置进行FIB离子束切割定位失效（1）在EMMI下，加压10V,电流为3.5mA,物镜放大5X，曝光时间2s，抓到热点；
) e5 I8 ]0 \, I7 R. j（2）在EMMI下，加压10V,电流为3.5mA，物镜放大20X，曝光时间2s，定位热点；8 A6 `; ?+ p) }( U
（3）在FIB下，WD=13.1mm，30.00kv，3000X,发现异常点；2 H4 ?5 F$ c# b" p! K! y: T
（4）在FIB下，加压10V,WD=5.4mm电压10kv，离子束切割异常点。
$ A8 }' w3 K1 J0 }$ M4 `2. IV对比曲线异常，对失效品开封去层后定位失效（1）在IV曲线测试仪下，测PIN1脚对PIN2,3,4引脚发现良品与失效品存在明显差异；
. `, O% b: z( P（2）对失效品开封去层后发现异常点。$ B' G3 U3 M8 D3 j  {, z7 n

/ e% y" h- U; P$ m, x
% M$ P; K1 Y$ G& @$ P+ M半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。
0 {: [+ Z5 r, G& M9 e7 c# M
  N% ?: Q1 J. H, ~# a, L* g* G
  {& \; B8 N6 f7 D+ G+ ~$ r& U
作者: ad_gao    时间: 2023-8-28 10:30
电子元器件失效必须有完整的测试方法



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