【科研干货】电子元器件失效分析

半导体实验室

) C* i- _3 n! B" {& c2 @+ K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

      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。
2 A. Y2 M/ S+ f* T2 h/ i' I  Q失效分析检测流程
$ T& l6 t+ ^& R+ S1. 资料收集和分析，了解失效现象和失效背景；
2. 鉴别失效模式
3. 失效现象的观察和判定
# M* w# l0 O- o* e* @. G4. 检查外观
- t8 D+ b4 b4 u+ p5. 证实失效
, \! Q9 S% @& O7 M) z) P0 ]! D+ Y$ M( L6. 失效点定位
& q! T6 v+ V6 l$ F" h7. 失效点解析
: b2 v5 l& D0 Y$ f' n鉴别失效模式
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
失效现象的观察与判定
（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。
金相显微镜
. n1 P+ b/ _: N- E! V3 b; h+ O) I设备型号：LV150N
) b6 U/ r5 b- k1 T! \/ e1 T. B放大倍率：50倍到1000倍
分辨率：0.2um
体式显微镜
7 X6 ~# Z8 N% [1 g设备型号：
; D7 T- n3 [5 B8 z) _* X蔡司Discovery.V20
放大倍率：几倍到150倍
测量显微镜：
设备型号：OLYMPUS-DSX500
& n0 b3 T" `* b% l( C4 Q  L( R7 t放大倍率：50倍到1000倍
# Q( \4 f3 @4 S& R) b3 y' L# W（2）电性能测试
- @# D! z" w( ?$ Y4 l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。
/ `8 v* [" W  i- ]# TIV曲线测量仪
设备型号：CT2-512X4S
$ O. S+ a; ]: y! B最大电压：10V
最大电流：100mA
证实失效
! T: u" j3 i1 b3 S3 K  [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。
# z2 p; J$ M* V/ T7 q' s2 T/ }) D3 C失效点定位
- _7 w8 J1 a& _1 t+ |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。
X射线检测系统
设备型号：Phoenix X|aminer
0 c9 @% I% Y* T  Z3 R$ w2D分辨率：0.5um；
3D分辨率：1.5um;  
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。
% A0 p  V  e7 Q超声波扫描显微镜
, J7 p2 b: M, o8 k3 N: X$ ?设备型号：Sonosca-SAM D9000
探头频率：15MHZ、30MHZ、 50MHZ、230MHZ
0 S2 c- z! U. |, ^4 W分辨率：5um
! U  z5 L; {* Q5 ~9 z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
" P( ~' A4 e; r4 f0 Q) v微光显微镜
设备型号：SEMICAPS SOM 1100
InGaAs红外波长：900-1700nm
X-Y-Z 移动范围：50*50*100 毫米
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。
- Q9 A7 f0 b# m. [# [7 G激光显微镜
设备型号：SEMICAPS SOM 1100
扫描像素：2048*2048 pixel
) }$ }% a4 H4 w- G4 I0 ^: V/ s（2）失效点定位预处理
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。
1 X8 w! r) Q) w' h失效点解析
0 x  P  `- U# A# |. {) M; V1 B" f" d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。
* P8 I5 V$ Q; q7 o聚焦离子束FIB
设备型号：HELIOS NA OL B600i
5 q) |" y* A1 |0 j离子束加速电压：500V-30kV;
" S' Q& h. ~  ~+ J束流强度：1pA-65Na
0 I- x, O# g% a/ X1 N: Q交叉点分辨率：4.5nm@30kv
3 |8 f. @7 W, t' O& f7 G精研一体机
设备型号：Leica EM TXP
- H! E, U* t* A6 m+ B0 s从300到20000 rpm 的可变速度
点停式调整装置可实现在纵向上旋转
等离子去层仪
设备型号：RIE-10NR
$ ~- I* P/ t: G9 s' g1 M刻蚀速率：70-80nm
  B/ x( R: a4 L" y8 u3 CSEM扫描显微镜
设备型号：NOVA NANOSEM 450
电子枪：高亮度肖特基场发射电子枪
0 m" V/ c: g3 n2 z+ P" ?分辨率：0.9nm@15KeV
( |: e3 X7 S9 Q3 N; T8 A        1.4nm@1KeV
        减速模式1.2nm@1KeV
9 O. G$ V* I$ W! Q最大样品尺寸：180mm(不能倾转样品)
& y/ h4 l. H) H# w9 |+ `' S( V倾转角度：-60°至  90°
% Z9 |* s. ], q0 V5 ~9 h3 ySEM扫描结果图
三．实际案列展示
1. 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；
( t8 c# b0 E' b0 x- V6 c9 i1 I（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；
（3）在FIB下，WD=13.1mm，30.00kv，3000X,发现异常点；
（4）在FIB下，加压10V,WD=5.4mm电压10kv，离子束切割异常点。
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；
# D: v, q' U- }8 l3 X' C# I（2）对失效品开封去层后发现异常点。
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! x# ?( T( S# j9 u" u" H& l& B9 ^" j# A5 F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。
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电子元器件失效必须有完整的测试方法