【科研干货】电子元器件失效分析

半导体实验室

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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。
失效分析检测流程
1. 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
- _. E: o' f3 T$ e4. 检查外观
! n7 Q6 i1 N1 H- {3 Y0 B9 r5. 证实失效
2 |7 E! `1 D2 z- Y6. 失效点定位
7. 失效点解析
" A. }) l  ?. @. ?; M3 ]' U5 I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
9 K) j" L6 p6 R& c+ X: H失效现象的观察与判定
. z& c, \, W8 N) G! @) ?（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
设备型号：LV150N
, X+ f+ u% _" e  f放大倍率：50倍到1000倍
分辨率：0.2um
体式显微镜
设备型号：
蔡司Discovery.V20
放大倍率：几倍到150倍
( J: O: G" K4 @+ j" ?: r测量显微镜：
+ d. }( z$ F! F8 P0 w; g3 o设备型号：OLYMPUS-DSX500
* J8 w- P3 [$ o  ?放大倍率：50倍到1000倍
（2）电性能测试
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。
IV曲线测量仪
设备型号：CT2-512X4S
6 X- ~" m+ _7 }% K( ?最大电压：10V
最大电流：100mA
证实失效
- Y, S4 ]) y# a) C; [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。
# d1 d2 k2 f- H; c$ U; d+ w失效点定位
3 W1 z+ |3 C  t; t6 {$ v) 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。
6 y. e, e* D9 T+ N# PX射线检测系统
设备型号：Phoenix X|aminer
2D分辨率：0.5um；
3D分辨率：1.5um;  
1 @; B+ t. s& j& f4 X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。
超声波扫描显微镜
设备型号：Sonosca-SAM D9000
6 I8 H7 l$ C/ Q% U2 h; C探头频率：15MHZ、30MHZ、 50MHZ、230MHZ
8 j5 D( |2 Z7 ]+ W3 [  Z# {分辨率：5um
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
7 i% k% A0 p: j/ w' d. Q, b% j微光显微镜
( p  D  S$ X) r9 n* M) d设备型号：SEMICAPS SOM 1100
' {% t- B. V$ M* T) y  i" r: {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。
激光显微镜
: c! `: q, j/ {1 T9 e3 x1 |设备型号：SEMICAPS SOM 1100
6 E. {$ K/ F4 n$ e扫描像素：2048*2048 pixel
( e- r! {) a1 _! |2 g5 b（2）失效点定位预处理
2 K* V! ]+ C+ `( t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。
失效点解析
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。
聚焦离子束FIB
/ S) E* P" ~: K  h8 R设备型号：HELIOS NA OL B600i
# C4 L" J( {6 Z2 a4 c! O离子束加速电压：500V-30kV;
( e+ E& U& K; H8 P! m' d束流强度：1pA-65Na
9 x' n8 M4 ^( t. A4 R1 H! l交叉点分辨率：4.5nm@30kv
精研一体机
" f% ^8 g! x4 y& a, C设备型号：Leica EM TXP
+ c" j- m4 ^8 u, F" I3 k从300到20000 rpm 的可变速度
' V8 y6 c9 Y+ U, l& ~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
7 t; Y; O( A* _) M刻蚀速率：70-80nm
SEM扫描显微镜
设备型号：NOVA NANOSEM 450
8 x3 F7 F( @% K( F; w; W* e电子枪：高亮度肖特基场发射电子枪
6 P- w  g1 e0 u( C: F' W分辨率：0.9nm@15KeV
  w6 r' L* Y8 n, r# e! R# @        1.4nm@1KeV
% N: {! P' W; ^3 v9 p5 i        减速模式1.2nm@1KeV
最大样品尺寸：180mm(不能倾转样品)
倾转角度：-60°至  90°
: L- b% X' Q# @2 K/ ]' NSEM扫描结果图
/ E" |$ e& B1 d% D6 U& [三．实际案列展示
% r- a2 @% j  M8 C( P8 u, A5 ~  Z1. 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；
（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。
. \, {: [4 j8 K/ i9 E5 X2. 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；
! j0 o( d4 G% \' f, P（2）对失效品开封去层后发现异常点。


9 V; y! q/ f0 f( q  j7 h6 }# s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