【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。
4 T: r3 P2 y9 E9 n: `失效分析检测流程
- S  g' [! b$ t* b% s1. 资料收集和分析，了解失效现象和失效背景；
; E( ~, x5 Z' g1 s2. 鉴别失效模式
% U0 X% z$ D$ i* A7 r  r3. 失效现象的观察和判定
4. 检查外观
3 M% U( ?: K& r2 q" P) E5. 证实失效
7 n& O3 h" }, t$ Y) _: ?. Q6. 失效点定位
, c1 X( X2 v" u9 i  j& o7. 失效点解析
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
4 t9 {* \* d* Z; m6 u7 i1 i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
9 ?" u5 _3 g; D# z6 O设备型号：LV150N
5 b& I( s: y4 ^/ F- s$ e% D* f4 _放大倍率：50倍到1000倍
分辨率：0.2um
6 w5 v8 s+ q' M2 h  _6 Z体式显微镜
" w% n' c6 H9 G3 ~8 v设备型号：
. A% Z6 U& N) a蔡司Discovery.V20
7 n8 W. a' U0 q- z) v3 v# X放大倍率：几倍到150倍
2 _5 r6 ?5 c1 n+ i) A测量显微镜：
. d$ b$ m* e* b3 T2 X设备型号：OLYMPUS-DSX500
3 m+ {, K" \6 J- a/ M& J6 l放大倍率：50倍到1000倍
( A9 h4 z1 Y7 v, W: p9 N5 S（2）电性能测试
1 y: U3 T* @  }# x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。
+ t* S' E' y: h3 [IV曲线测量仪
设备型号：CT2-512X4S
' Q2 b9 i/ P2 _) M  b9 M最大电压：10V
+ E6 o4 L1 Q. u4 t4 v5 |最大电流：100mA
证实失效
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。
失效点定位
) V1 i0 n3 e! [2 G: [6 q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 W* m  ~. k. cX射线检测系统
设备型号：Phoenix X|aminer
2D分辨率：0.5um；
( d1 q% D- e2 ^1 u: K$ x$ \* x3D分辨率：1.5um;  
" Q, q) J  Q. b5 K$ F( ?3 `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
3 r1 V9 k- Z" c, B/ K, C0 e' @探头频率：15MHZ、30MHZ、 50MHZ、230MHZ
% V, T& I, Z! @分辨率：5um
+ x8 J8 H/ e4 q( p- W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
微光显微镜
9 ^' F' {& X4 D, J0 W, s( H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
% R. \% J# G% u8 @- P/ x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。
/ T/ y* P4 k3 C激光显微镜
* `, N1 \% F" T: }- w1 ?* t; b设备型号：SEMICAPS SOM 1100
# n! \' v2 Y, G8 i扫描像素：2048*2048 pixel
6 m' Q- W3 |: m7 P（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。
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。
( u7 A- _2 P+ Q) h- i聚焦离子束FIB
设备型号：HELIOS NA OL B600i
9 P: W5 j( D* r4 D离子束加速电压：500V-30kV;
' x* a& }- ~( F) Q- C, g: q束流强度：1pA-65Na
+ c( n$ v5 z# q8 `交叉点分辨率：4.5nm@30kv
$ B7 w+ U- }7 ^3 _9 g5 l# n, e7 J精研一体机
9 }3 c6 B! P* g2 p3 N5 A设备型号：Leica EM TXP
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
: X; j) w0 s0 Q) Q! H8 U" X. ^等离子去层仪
设备型号：RIE-10NR
2 B$ U( A5 W: {$ i刻蚀速率：70-80nm
2 H$ e1 k. S4 e( k" }+ oSEM扫描显微镜
6 b2 q" t2 X+ f8 o3 p设备型号：NOVA NANOSEM 450
+ p0 V4 \- `, l4 b" X( c) w: c8 L电子枪：高亮度肖特基场发射电子枪
: j* t+ |- H! f3 S分辨率：0.9nm@15KeV
% n; D+ d- }2 W4 j/ R2 H9 q        1.4nm@1KeV
0 k! c1 \( T( n' C) Y: T        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°
SEM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；
: J3 b) A5 T, H8 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；
! Z3 f3 C9 _: f) f' x（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；
（2）对失效品开封去层后发现异常点。
0 ~6 S4 c- t! p3 D# e6 _0 L. F
0 I$ [  n# e3 U2 ~' U1 ]$ A( A
: f0 ^( v3 G8 Z, `' h, e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