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半导体器件失效分析与检测摘要：本文对半导体器件的失效做了详尽分析，并介绍了几种常用的失效检测方法。
1 半导体器件失效剖析经过剖析可知形成半导体器件失效的要素有很多，我们主要从几个方面进论述。
1.1 金属化与器件失效环境应力对半导体器件或集成电路牢靠性的影响很大。
金属化及其键合处就是一个不容无视的失效源。
迄今，大多数半导体器件平面工艺都采用二氧化硅作为掩膜钝化层。
为在芯片上完成互连，常常在开窗口的二氧化硅层上淀积铝膜即金属化。
从物理、化学角度剖析，金属化失效机理大致包括膜层张力、内聚力、机械疲倦、退火效应、杂质效应及电迁移等。
1.2 晶体缺陷与器件失效晶体缺陷招致器件失效的机理非常复杂，有些问题至今尚不分明。
晶体缺陷分晶体资料固有缺陷(如微缺陷)和二次缺陷两类。
后者是在器件制造过程中，由于氧化、扩散等热处置后呈现或增殖的大量缺陷。
两种缺陷或者彼此互相作用，都将招致器件性能的退化。
二次击穿就是晶体缺陷招来的严重结果。
1.2.1 位错这种缺陷有的是在晶体生长过程中构成的(原生位错)，有的是在器件工艺中引入的(诱生位错)。
位错易沿位错线加速扩散和析出，间接地促成器件劣化。
事实证明，表面杂质原子(包括施主和受主)沿位错边缘的扩散比在圆满晶体内快很多，其结果常常使P-N结的结平面不平整以至穿通。
鉴于位错具有“吸除效应”，对点缺陷如杂质原子、点阵空位、间隙原子等起到内部吸收的作用，故适量的位错反而对器件消费有利。
1.2.2 沉淀物除位错形成不平均掺杂外，外界杂质沾污也会带来严重结果，特别是重金属沾污，在半导体工艺中是经常发作的。
假如这些金属杂质存在于固溶体内，其危害相对小一些;但是，一旦在P-N结处构成堆积物，则会产生严重失效，使反向漏电增大，以至到达毁坏的水平。
堆积需求成核中心，而位错恰恰提供了这种中心。
硅中的二次孪生晶界为堆积提供了有利的成核场所，所以具有这种晶界的二极管，其特性明显变软。
1.2.3 二次缺陷。
功率半导体IGBT失效分析与可靠性摘要：目前，IGBT是绿色经济领域的核心技术之一，应用于航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。
作为自动控制和功率转换的关键核心部件，IGBT是不可或缺的功率核心。
利用IGBT进行电能转换，可以提高电能效率和质量，达到30%~40%的节能效果。
即使用IGBT技术改造传统设备，平均节电率仍可提高20%。
此外，IGBT也是实现能源转换的关键部件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都需要使用IGBT产品向电网输送电能。
关键词：主动式PFC升压电路；IGBT；SOA；闩锁效应；ESD；结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析，分析结果表明：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。
一、分析及生效机理1.失效器件无损检测分析。
（1）X-ray透射分析。
失效IGBT表面无损伤，万用表测试1、2、3脚互相短路，X光透射内部IGBT芯片金线焊接等无异常，芯片表面有烧毁点，分析内部过电损伤导致失效。
（2）开封解析。
对主板失效IGBT进行开封解析，内部芯片表面有击穿烧痕迹，IGBT失效均为有源区（active area）受到高能量损坏，分析主要为过电击穿失效。
IGBT等效电路如图1所示。
图1 IGBT结构描述（3）失效IGBT应用电路。
如图2，红框部分为PFC电路整流滤波部分，C401电容具有滤波和抑制EMI作用，PFC主电路部分由PFC电感L3、IGBT及快恢复二极管D901组成。
当IGBT闭合时电感L3充能，IGBT断开时电感L3释放电能。
IGBT应用电路结构图如图2所示。
图2 IGBT应用电路二、失效原因及失效机理分析经过对失效IGBT器件ESD能力检测、极限参数测试分析（极限耐压、SOA安全工作区、开关损耗、）、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足，总结归纳如下。
半导体器件的失效分析与故障诊断研究随着电子信息技术的不断发展，半导体器件的应用越来越普遍。
但是，使用过程中，有时会出现失效的情况，导致设备无法正常工作。
因此，对于半导体器件的失效分析与故障诊断研究，就变得尤为重要。
1. 半导体器件的失效原因半导体器件的失效原因复杂多样，主要包括：（1）自然老化。
随着器件使用时间的增加，材料老化或者损伤，常规元器件会因为劣化、开关频次过高等因素导致失效。
（2）温度变化。
半导体器件对于温度的敏感度非常高，过高或者过低的温度都会导致器件失效，这就要求在使用半导体器件时应该严格控制其温度范围。
（3）设备超负载。
半导体器件在使用过程中如果超负载，就会损坏，引起失效。
2. 故障诊断过程当半导体器件出现故障时，需要进行相应的故障诊断。
故障诊断的流程主要包括：（1）收集信息。
通过观察失效的器件，收集相关的信息，例如故障现象、失效前的行为、作用在器件上的应力等。
（2）故障预判。
根据收集到的信息，对故障可能的原因进行预判。
（3）实验检测。
使用电子检测设备对故障电路进行检测，一般需要使用特殊的检测方法和仪器。
（4）分析推断。
通过实验检测的结果，对故障原因进行分析推断。
（5）修复故障。
根据分析推断的结果，对故障进行修复。
3. 故障诊断技术针对不同的故障原因，需要采用不同的故障诊断技术。
常用的故障诊断技术有：（1）电阻率测试。
对于半导体器件损坏的情况，一般会出现电阻率的变化，可以通过进行电阻率测试来检测故障。
（2）X射线分析。
利用X射线分析技术，可以对半导体器件的内部结构进行检测，从而找出故障原因。
（3）热分析。
热分析技术可以检测半导体器件的温度变化，从而找出可能的故障原因。
（4）光学显微镜分析。
使用光学显微镜可以对器件表面和内部进行检测，直观地观察到器件的破坏形式和位置，从而推断故障原因。
4. 常见故障案例分析对于常见的半导体器件故障原因，可以结合实际案例进行分析。
（1）压敏电阻在铝电解电容正极的电压输出端口失效。
半导体器件失效分析_半导体器件芯片焊接技巧及控制随着技术的发展，芯片的焊接（粘贴）技巧也越来越多并不断完善。
半导体器件焊接（粘贴）失效主要与焊接面洁净度差、不平整、有氧化物、加热不当和基片镀层质量有关。
树脂粘贴法还受粘料的组成结构及其有关的物理力学性能的制约和影响。
要解决芯片微焊接不良问题，必须明白不同技巧的机理，逐一分析各种失效模式，及时发现影响焊接（粘贴）质量的不利因素，同时严格生产过程中的检验，加强工艺管理，才能有效地避免因芯片焊接不良对器件可靠性造成的潜在危害。
本文首先介绍了芯片焊接（粘贴）技巧及机理，其次介绍了失效模式分析，最后介绍了焊接质量的三种检验技巧以及焊接不良原因及对应措施，具体的跟随小编一起来了解一下。
芯片焊接（粘贴）技巧及机理芯片的焊接是指半导体芯片与载体（封装壳体或基片）形成牢固的、传导性或绝缘性连接的技巧。
焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。
其技巧可分为树脂粘接法和金属合金焊接法。
树脂粘贴法是采用树脂粘合剂在芯片和封装体之间形成一层绝缘层或是在其中掺杂金属（如金或银）形成电和热的良导体。
粘合剂大多采用环氧树脂。
环氧树脂是稳定的线性聚合物，在加入固化剂后，环氧基打开形成羟基并交链，从而由线性聚合物交链成网状结构而固化成热固性塑料。
其过程由液体或粘稠液→凝胶化→固体。
固化的条件主要由固化剂种类的选择来决定。
而其中掺杂的金属含量决定了其导电、导热性能的好坏。
掺银环氧粘贴法是当前最流行的芯片粘贴技巧之一，它所需的固化温度低，这能够避免热应力，但有银迁移的缺点。
近年来应用于中小功率晶体管的金导电胶优于银导电胶。
非导电性填料包括氧化铝、氧化铍和氧化镁，能够用来改善热导率。
树脂粘贴法因其操作过程中载体不须加热，设备简单，易于实现工艺自动化操作且经济实惠而得到广泛应用，尤其在集成电路和小功率器件中应用更为广泛。
树脂粘贴的器件热阻和电阻都很高。
树脂在高温下简单分解，有可能发生填料的析出，在粘贴面上只留下一层树脂使该处电阻增大。
图１ 开封芯片表面表１ 三极管性能测试数据图２ 焊接不良示意图鱼尾也出现过断线，如图3所示，CT扫描发现管脚鱼尾不良，出现断点。
断点处与焊盘有轻微接触，导致故障不稳定，在使用中长期通电出现开路。
图３ 鱼尾断线ＣＴ扫描图如图4所示，底板不平，底板四周出现高度差，导图４ 鱼尾断线示意图鱼尾断线的不良原因为底板有硅碎，或在拆卸重新安装后未做水平高度差检测，导致底板不平，劈刀切线时，管脚呈悬空状态，管脚上下摆动，拉扯铜线，最终导致鱼尾断线。
１．１．４ 虚焊故障模拟验证制作一颗硅碎，如图5所示，大概整颗芯片的1/3大小放在底板对应的基岛位置下面，将已上芯的产品拉到底板下，开始焊接，共计实验5颗。
当焊接到此颗芯图５ 焊接故障模拟图综合以上分析，确认此次不良的根本原因为生产期间偶然有硅碎随着机器的振动移动到底板下，造成基岛不平，铜线焊接时焊接能量损失，导致产品焊球焊接不图６ Ｘ光透视图图８ 塌丝故障分析鱼骨图３．２．２ 出料盒改善焊线机料盒出料口处加装挡块，具体见图9，防止机器振动使框架从料盒振出压塌已焊线产品造成塌线。
图９ 增加挡板３．２．３ 包封台优化改善针对包封工序人为调整料片方法不规范，造成产品塌线的现象，将原来的凸台设计改为凹台设计，见图10，在四周增加挡边定位，防止料片移动，无需手动对料片位置进行调整，避免人为调整料片造成塌线。
图１０ 料片定位改为凹台３．２．４ 检验方法优化针对产品检验时易受干扰导致塌线的情况更改检验方法，见图11，由之前取下料片在放大镜下检查改为在设备显示器上检查焊球和鱼尾，用设备显微镜检查线弧形状，减少人为干涉产品，预防塌丝。
QC检验频率：图１１ 显微镜检查３．２．５ 人为调整专项打包针对产品包封前受人为干扰产品存在塌线风险的可能，将焊线工序、包封工位所有人为干预过的料片统一装入蓝色料盒，包封后再对其进行X-ray全检确认，将异常品剔除。
4 失效整改总结及意义三极管失效是厂家本身产品生产过程及筛选不良导致实际应用中出现故障。
半导体器件失效分析半导体器件失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式(失效模式)，分析造成器件失效的物理和化学过程(失效机理)，寻找器件失效原因，制订纠正和改进措施。
加强半导体器件的失效分析，提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。
半导体器件与使用有关的失效十分突出，占全部失效器件的绝大部分。
进口器件与国产器件相比，器件固有缺陷引起器件失效的比例明显较低，说明进口器件工艺控制得较好，固有可靠性水平较高。
1. 与使用有关的失效与使用有关的失效原因主要有：过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、使用线路设计不当、机械过应力、操作失误等。
①过电应力损伤。
过电应力引起的烧毁失效占使用中失效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、安装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线及电源系统产生的电浪涌、烙铁漏电、仪器或测试台接地不当产生的感应电浪涌等。
按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结触发CMOS电路闩锁后引起电源电流增大而造成的烧毁失效。
②静电损伤。
严格来说，器件静电损伤也属于过电应力损伤，但是由于静电型过电应力的特殊性以及静电敏感器件的广泛使用，该问题日渐突出。
静电型过电应力的特点是：电压较高(几百伏至几万伏)，能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。
与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程中，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。
从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。
第十一章半导体器件使用的可靠性1*半导体器件使用中的可靠性问题一．正确使用半导体器件的重要性半导体器件失效原因，不仅来自于器件本身的固有可靠性因素，而且还取决于用户所选择电路的工作条件/实装条件/环境极其它各种使用条件等。
使用不当是造成器件失效的主要原因之一，并且常常与违反技术标准文件的要求有关。
半导体器件可靠性是一个综合指标，它取决于许多相互联系因素的组合。
它们的可靠性等级，总的来说是在设计阶段形成，在制造阶段得到保障，在使用阶段得到保持的。
因此半导体器件的可靠性不仅取决于固有可靠性，而且与使用正确与否密切相关。
固有可靠性包含设计可靠性和制造可靠性，它是可靠性的基础，但使用可靠性同样很重要，尤其是在器件固有可靠性得到较大提高的情况下，使用不当的问题更为突出。
例如美国“罗姆航空研究中心”公布的两批失效分析数据，可以清楚地说明这一问题，情况如表11-1和表11-2所示。
其中，表11-1的“电学超应力”一项占56.8%，表11-2的电学和机械超应力占23%，排除故障中损坏占13%（两项共计36%）。
它们均属于使用不当造成，也就是说属于使用的可靠性问题。
使用可靠性取决于人为因素和使用与维护的程序及设备等。
由于目前出现在使用可靠性方面的问题愈来愈多，因此使用可靠性的研究也日益受到重视，并且发展成为一门学科----人为工程。
把人为工程的原理应用于系统设计/研制/制造/试验/维修和系统或辅助系统的操作上，可以最大限度地减少人为差错造成的可靠性损失。
存在的问题逐渐在上升，有的已经上升为主要矛盾之一（晶体管和小规模集成电路比较突出）。
为了提高半导体器件的使用可靠性，本章将介绍一些在系统设计/器件装配和保管等方面应予注意的事项。
二．半导体器件的选择与控制1．半导体器件的选择与控制是多学科的任务。
它需要器件工程师/失效分析工程师/可靠性工程师和设计工程师门的共同努力完成。
器件控制活动占器件选择/应用和采购等全部工作的一大部分。
微电子器件与IC的可靠性与失效分析——（二）失效机理及其预防措施（小结）[Ⅱ]2010-06-08 08:29:57| 分类：微电子电路| 标签：衬底寄生晶体管mos ic|字号订阅（IC的失效机理主要有哪些？预防各种失效的主要措施分别有哪些？）作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)（8）寄生沟道：寄生沟道是在半导体表面上不需要导电的地方无意中出现的一种导电通路，这会破坏器件和集成电路的性能——失效。
在IC中寄生沟道的产生原因主要有两个：①芯片表面上连线不当。
一般来说，硅表面上的导体（金属或者掺杂多晶硅）都有可能形成寄生沟道。
若有导体跨越在两个扩散区之上，即会出现寄生沟道、有电流通过。
因为寄生沟道往往很长，故寄生沟道引起的电流一般较小；但即使如此，这种小的漏电流对于低功耗模拟电路而言，也会导致其参数发生变化——失效。
一般，当具有较高电压的引线跨越轻掺杂半导体表面时，就有可能在其下面产生反型层——寄生沟道。
②与绝缘膜有关的静电电荷散布。
在芯片表面不存在导体的情况下，有时候也会在硅表面上形成导电的寄生沟道，这主要就是由于所谓电荷散布的缘故。
对于附着在半导体表面上的绝缘膜（氧化膜、氮化膜），一般是比较完美的，不会导电；但是静电电荷（主要是电子电荷）可以在绝缘膜中、或者在两个绝缘膜的界面处积累，并且发现这些静电电荷在电场作用下能够缓慢地移动——电荷散布。
当有电荷散布在半导体表面上时，即起着导体的作用，从而可以形成寄生沟道（p型导电沟道）。
当然，污染越严重、温度越高、湿气越大，电荷散布的作用就越强，造成的影响也就越大；此外，热载流子注入也会引起这种电荷散布效应。
在不加偏置的条件下来对失效的芯片进行烘烤（200～250oC），即可判断是否电荷散布效应所引起的失效。
因为散布的电荷是可以移动的，并且在较高温度下移动加快，所以，如果在经过烘烤之后，器件性能可以恢复，那么这时就可以认定，引起寄生沟道而导致失效的主要原因是电荷散布效应；否则为表面走线不当所造成的失效。
半导体器件芯片焊接失效模式分析与解决探讨半导体器件芯片焊接失效模式分析与解决探讨芯片到封装体的焊接(粘贴)方法很多，可概括为金属合金焊接法(或称为低熔点焊接法)和树脂粘贴两大类。
它们连接芯片的机理大不相同，必须根据器件的种类和要求进行合理选择。
要获得理想的连接质量，还需要有针对性地分析各种焊接(粘贴)方法机理和特点，分析影响其可靠性的诸多因素，并在工艺中不断地加以改进。
本文对两大类半导体器件焊接(粘贴)方法的机理进行了简单阐述，对几种常用方法的特点和适用性进行了比较，并讨论了在半导体器件中应用最为广泛的金-硅合金焊接失效模式及其解决办法。
1、芯片焊接(粘贴)方法及机理芯片的焊接是指半导体芯片与载体(封装壳体或基片)形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。
焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。
其方法可分为树脂粘接法和金属合金焊接法。
树脂粘贴法是采用树脂粘合剂在芯片和封装体之间形成一层绝缘层或是在其中掺杂金属(如金或银)形成电和热的良导体。
粘合剂大多采用环氧树脂。
环氧树脂是稳定的线性聚合物，在加入固化剂后，环氧基打开形成羟基并交链，从而由线性聚合物交链成网状结构而固化成热固性塑料。
其过程由液体或粘稠液→凝胶化→固体。
固化的条件主要由固化剂种类的选择来决定。
而其中掺杂的金属含量决定了其导电、导热性能的好坏。
掺银环氧粘贴法是当前最流行的芯片粘贴方法之一，它所需的固化温度低，这可以避免热应力，但有银迁移的缺点。
近年来应用于中小功率晶体管的金导电胶优于银导电胶。
非导电性填料包括氧化铝、氧化铍和氧化镁，可以用来改善热导率。
树脂粘贴法因其操作过程中载体不须加热，设备简单，易于实现工艺自动化操作且经济实惠而得到广泛应用，尤其在集成电路和小功率器件中应用更为广泛。
树脂粘贴的器件热阻和电阻都很高。
树脂在高温下容易分解，有可能发生填料的析出，在粘贴面上只留下一层树脂使该处电阻增大。
因此它不适于要求在高温下工作或需低粘贴电阻的器件。
半导体器件失效分析半导体器件失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式(失效模式)，分析造成器件失效的物理和化学过程(失效机理)，寻找器件失效原因，制订纠正和改进措施。
加强半导体器件的失效分析，提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。
半导体器件与使用有关的失效十分突出，占全部失效器件的绝大部分。
进口器件与国产器件相比，器件固有缺陷引起器件失效的比例明显较低，说明进口器件工艺控制得较好，固有可靠性水平较高。
1. 与使用有关的失效与使用有关的失效原因主要有：过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、使用线路设计不当、机械过应力、操作失误等。
①过电应力损伤。
过电应力引起的烧毁失效占使用中失效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、安装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线及电源系统产生的电浪涌、烙铁漏电、仪器或测试台接地不当产生的感应电浪涌等。
按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结触发CMOS电路闩锁后引起电源电流增大而造成的烧毁失效。
②静电损伤。
严格来说，器件静电损伤也属于过电应力损伤，但是由于静电型过电应力的特殊性以及静电敏感器件的广泛使用，该问题日渐突出。
静电型过电应力的特点是：电压较高(几百伏至几万伏)，能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。
与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程中，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。
从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。
电子产品可靠性试验及失效分析（论文）资料电子产品可靠性试验及失效分析（论文）资料毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目: 电子产品可靠性试验及失效分析作者所在系部: 电子工程系作者所在专业: 电子工艺与管理作者所在班级: 10252 作者姓名: 作者学号: 指导教师姓名: 完成时间: 2013 年 6 月 6 日北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院电子工程系毕业设计(论文)任务书姓姓名名: :专专业业: : 电子工艺与管理班班级级: : 10252 学号学号: : 指导教师指导教师: :职职称称: :讲师完成时间完成时间: :2013 年 6 月 6 日毕业设计毕业设计( (论文论文) )题目题目: : 电子产品可靠性试验及失效分析设计目标设计目标: : 通过芯片的可靠性试验和失效分析,帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷､工艺参数的不匹配或设计与操作中的不当等问题｡技术要求技术要求: : 1.能够确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量｡ 2.通过失效分析得到正确的分析结果,找到失效产生的根源｡ 3.进行封装失效的研究,提高产品的可靠性｡所需仪器设备所需仪器设备: : 计算机一台金相显微镜分析探针台成果验收形式成果验收形式: : 试工日志毕业论文参考文献参考文献: : 《电子元器件失效分析技术》､《可靠性分析在新产品研发中的作用》､《可靠性工程概述》1 5 周---6 周立题论证3 9 周---13 周试工日志时间时间安排安排 2 7 周---8 周论文总结4 14 周---16 周成果验收指导教师指导教师: 教研室主任教研室主任: 系主任系主任: 北华航天工业学院毕业论文I 摘要电子信息技术是当今新技术革命的核心,其技术基础是电子元器件,其中大部分的是微电子器件｡而可靠性就是IC 产品的生命,好的品质及使用的耐力是一颗优秀IC 产品的竞争力所在｡在做产品验证时我们往往会遇到三个问题,验证什么,如何去验证,哪里去验证,验证后的结果分析, 如何进行提高｡解决了这些问题,可靠性就有了保证,制造商才可以大量地将产品推向市场,客户才可以放心地使用产品｡与此同时,集成电路在研制､生产和使用过程中失效又不可避免,随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高,失效分析工作也显得越来越重要,通过芯片失效分析,可以帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷､工艺参数的不匹配或设计与操作中的不当等问题｡关键词电子产品可靠性芯片封装失效分析目录北华航天工业学院毕业论文II 第 1 章绪论1 1.1 产品可靠性与封装失效 1 1.1.1 电子产品可靠性1 1.1.2 芯片封装失效1 1.2 电子产品可靠性试验的目的1 1.3 失效分析概述及发展现状 2 第 2 章电子产品的可靠性试验 4 2.1 电子产品的可靠性指标 4 2.2 可靠性试验的特点和分类 4 2.3 可靠性测试内容 5 2.4 可靠性试验方案的设计 5 2.4.1 试验类型的选择 5 2.4.2 环境条件及应力的确定6 2.4.3 统计试验方案的参数确定 6 2.5 可靠性试验的数据分析与处理7 2.5.1 可靠性试验的数据分析方法7 2.5.2 电子设备产品可靠性试验数据的处理7 第 3 章芯片封装的失效分析8 3.1 失效的分类8 3.2 芯片失效分析的主要步骤和内容9 3.3 封装失效分析的流程.10 3.4 失效分析中的破坏性物理分析和显微分析方法.11 3.4.1 破坏性物理分析.11 3.4.2 常用的显微分析技术.12 3.5 芯片封装失效分析的意义.15 第 4 章结论17 致谢18 参考文献19 附录20 北华航天工业学院毕业论文 1 电子产品可靠性试验及失效分析第 1 章绪论 1.1 产品可靠性与封装失效 1.1.1 电子产品可靠性随着电子技术的发展,我们对电子设备产品也提出了更高的要求｡由于设备技术性能和结构要求等方面的提高,可靠性问题愈显突出｡如果没有可靠性保证,高性能指标是没有任何意义的,现代用户买产品就是买可靠性,对生产厂家来说,可靠性就是信誉,就是市场,就是经济效益｡从整机来讲,可靠性贯穿于设计､生产､管理中｡从部件､元器件的角度来讲,电子元器件的可靠性水平决定了整机的可靠性程度｡可靠性属于质量的范畴,是产品质量的时间函数｡从基本概念上讲,可靠性指标与质量的性能指标所强调的内容是不同的,可靠性的基本概念与时间有关,这些基本概念的具体化,就是产品故障或寿命特征的数学模型化｡只有通过可靠性试验才能确定产品故障或寿命特征符合哪一种数学分布,才可以决定产品的可靠性指标,进而推算产品的可靠程度｡ 1.1.2 芯片封装失效目前微电子产业已经相对独立为设计,制造,封装这三个方面｡在这三方面中,封装占了大约25%-35%的比重,并且随着微电子产业的发展,占的比重越来越大｡在这些元器件流向市场,并到最终运用过程中,封装起着巨大的作用,输入输出互连,保护和散热都是这些作用中的一部分｡封装用的材料众多,材料与材料之间的性能也各有差异,这些性能的失配将在使用过程中产生各种应力,并导致元器件的相关封装失效｡在目前微电子产业中,元器件的失效至少有1/3 都是由封装引起的｡随微电子产业的发展,元器件朝着高密度化,轻型化,小型化,薄型化的方向发展,封装中常见的一些失效使封装就成为这个发展的瓶颈｡了解这些封装失效的原理和分类,对进行封装失效的研究,提高产品的可靠性是很有帮助的｡ 1.2 电子产品可靠性试验的目的可靠性试验是对产品进行可靠性调查､分析和评价的一种手段｡试验结果为故障分析､研究采取的纠正措施､判断产品是否达到指标要求提供依据｡具体目的有: 1.发现产品的设计､元器件､零部件､原材料和工艺等方面的各种缺陷;2. 为改善产品的完好性､提高任务成功性､减少维修人力费用和保障费用提供信息; 北华航天工业学院毕业论文 23. 确认是否符合可靠性定量要求｡为实现上述目的,根据情况可进行试验室试验或现场试验｡试验室试验是通过一定方式的模拟试验,试验剖面要尽量符合使用的环境剖面,但不受场地的制约,可在产品研制､开发､生产､使用的各个阶段进行｡具有环境应力的典型性､数据测量的准确性､记录的完整性等特点｡通过试验可以不断地加深对产品可靠性的认识,并可为改进产品可靠性提供依据和验证｡现场试验是产品在使用现场的试验,试验剖面真实但不受控,因而不具有典型性｡因此, 必须记录分析现场的环境条件､测量､故障､维修等因素的影响,即便如此,要从现场试验中获得及时的可靠性评价信息仍然困难,除非用若干台设备置于现场使用直至用坏,忠实记录故障信息后才有可能确切地评价其可靠性｡当系统规模庞大､在试验室难以进行试验时,则样机及小批产品的现场可靠性试验有重要意义｡ 1.3 失效分析概述及发展现状失效分析,作为可靠性技术的重要组成部分,伴随集成电路的出现而已经存在很多年了｡现在,国外的失效分析技术已经很成熟｡国内的失效分析起步较晚,于20 世纪50 年代开始于军事方面的研究需求,运用范围比较窄｡于70 年代开始,我国的失效分析开始进入实践阶段,运用于航空航天领域的失效研究｡80 年代我国的失效分析研究取得了长足的进步,进入民用集成电路,扩大了运用范围,并相继制定了一系列相关的失效标准｡自封装在国内发展以来,我国素有“世界封装工厂”之称,但是纵观国内每年封装排名前十的企业中,大多是外资或者合资企业,真正的本土产业少｡而从封装的产品的形式来看, 多数是DIP 等分立器件的封装,而真正的BGA,CSP 等大型集成电路的封装少;从产品的寿命和质量上看,比国外和国内的外资企业封装的产品要差;据调查法国的SGS-THOMSON 公司可靠器件生产线封装时,公司的水汽含量内控标准是30ppm,实测值是2ppm;国内调查了20 个为卫星提供半导体器件的国内可靠性厂,有1/3 的生产厂不做内部水汽含量控制, 这些容易导致器件在使用过程失效｡国内产业在失效分析力度的不够是造成这些的原因之一｡国内的失效分析,就失效分析设备的硬件水平来说,大多数硬件属于比较老式的分析仪器,少数研究所采用了较先进的分析仪器,但是毕竟没有大规模的运用,这样就限制了国内整体的失效分析的水平,在未来的新的失效分析设备的开发上,国内也落后于国外,例如SEM,SAM 等这样常用的分析设备,基本上还是靠国外进口;在失效分析管理上来说,国外很早就建立各种器件失效和可靠性的相关标准来对器件的可靠性进行严格的保证,并且对每次进行的失效分析和所获得的相关失效模式,失效原因等都进行系统化管理,建立了庞大的失效分析数据库,而国内同样也建立一些失效和可靠性的相关标准,但是在失效管理上没有达到国外的水平,系统化,网络化也只是处于发展初期;失效分析软件作为失效分析的一种主要的辅助工具,也代表了失效分析的发展水平;国外的失效分析起步比较早,现在发展到北华航天工业学院毕业论文 3 比较成熟的阶段,有很多软件开发公司,各种应力分析软件,可靠性预测软件等品种繁多;国内的这方面起步比较晚,主要是靠进口国外的失效分析软件,并进行了一些自主开发;在国外各种可靠性和失效的学术交流进行很活跃,例如国际可靠性物理会议及国际可靠性与可维修性会议每年进行一次;就国内来说,随着我国失效分析技术的发展,相关的国际会议在我国的陆续的进行,国内的学术交流也在逐渐的形成一个良好的氛围,但是仍然处于初步发展阶段｡在集成电路不断发展,电路的集成度的不断提高,工艺的线宽不断减小的今天,器件的缺陷会变得的更小,达到纳米的数量级;新的封装新式的出现,倒装片要求非破坏性和背部探伤的失效分析技术的发展与完善;新的工艺材料和封装材料的引入,会引入新的失效和缺陷等等｡在未来发展的过程中,无论是失效根源的查找,还是失效的预防,还是可靠性设计方面,要真正的发展我国的封装产业,并建立“世界封装厂”,失效分析技术扮演的角色越来越重要｡第 2 章电子产品的可靠性试验北华航天工业学院毕业论文 4 2.1 电子产品的可靠性指标大量统计资料证明:电子设备产品的失效分布一般服从指数分布｡从电子设备产品及许多电子元器件的失效机理来看,随着时间的足够长,失效率趋近于一个稳定值,其基本特征可以用指数函数的曲线相比拟, 即服从指数分布,因此电子设备产品的可靠性指标有: 可靠度累积失效概率失效密度函数平均故障间隔时间MTBF: 由上可看出在指数分布时产品的可靠性指标表示式比较简单,并且失效率λ 是一个常数｡在进行电子设备产品可靠性分析时,只要得到λ 的数值,其它指标就可以直接算出来｡ 2.2 可靠性试验的特点和分类电子设备产品的可靠性指标是一些综合性､统计性的指标,与质量性能指标完全不同, 不可能用仪表､仪器或其它手段得到结果,而是要通过试验,从试验的过程中取得必要的数据,然后通过数据分析,处理才能得到可靠性指标的统计量｡可靠性指标的实现主要依靠现场试验或模拟现场条件试验,所以可靠性试验不同于一般设备的性能试验｡从广义上讲,为了了解､评价､分析和提高电子设备产品的可靠性水平而进行的试验,可以用来确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量｡一般说电子设备产品的可靠性试验可以分为研制阶段的试验,可靠性验收试验,可靠性增长试验,元器件老炼试验,极限试验, 负荷及过负荷试验,过载能力试验等,这类试验的目的是了解设计是否满足了可靠性指标的要求,找出或排除设计与制造过程中的缺限和不足,证明设计可靠性能否实现,因而可靠性试验可以根据设备研制过程中的不同阶段,不同要求进行各种不同的试验｡对于不同的电子设备产品,所要达到的目的不同,可以进行的可靠性试验形式也就各异,因此可靠性试验对于电子设备产品来说是一个系统工程,电子设备产品的可靠性试验可以归纳为以下几大类型(如图2-1 所示)｡环境引力试验（全数）可靠性工程试验寿命试验模拟试验（全寿命）破坏性试验环境试验可靠性鉴定试验（评价）可靠性增长试验（TAAF）循环非破坏性试验可靠性试验北华航天工业学院毕业论文 5 图2-1 可靠性试验的类型 2.3 可靠性测试内容可靠性测试应该在可靠性设计之后,但目前我国的可靠性工作主要还是在测试阶段,这里将测试放在前面｡为了测得产品的可靠度(也就是为了测出产品的MTBF),我们需要拿出一定的样品,做较长时间的运行测试,找出每个样品的失效时间,根据第一节的公式计算出MTBF,当然样品数量越多,测试结果就越准确｡但是,这样的理想测试实际上是不可能的,因为对这种测试而言,要等到最后一个样品出现故障――需要的测试时间长得无法想象,要所有样品都出现故障——需要的成本高得无法想象｡为了测试可靠性,这里介绍:加速测试,使缺陷迅速显现;经过大量专家､长时间的统计,找到了一些增加应力的方法,转化成一些测试的项目｡如果产品经过这些项目的测试,依然没有明显的缺陷,就说明产品的可靠性至少可以达到某一水平,经过换算可以计算出MTBF｡ 2.4 可靠性试验方案的设计电子设备产品可靠性试验计划的基本内容应含有:(1)试验的目的和要求;(2)试验样机数量;(3)试验条件(环境､维修等);(4)试验类型的确定和统计试验方案的选择;(5)判断方法､失效判据,故障判据等等｡这里需要指出的是样机数量,对于可靠性增长试验,试验样机多一些是必要的,对鉴定和接收试验来说,样机多一些可以提高试验结果的置信度｡一般鉴定试验不足三台则全数试验｡接收试验不得少于 3 台,推荐样机数量为每批设备的10%｡总之可靠性试验方案要根据电子设备产品的实际使用条件和故障特征选择合适的试验方案｡ 2.4.1 试验类型的选择 1.老产品已生产多年,未进行可靠性设计,现产品的生命力较强,需要继续生产,可选择可靠性测定试验,测出设备的MTBF 验证值,同时根据暴露的问题采取措施,提高产品的可可靠性统计试验可靠性验收试验（接受批）模拟环境试验自然放置试验北华航天工业学院毕业论文 6 靠性｡ 2.新产品处于设计试制阶段,可通过可靠性试验暴露产品中的薄弱环节,以便采取改进措施,提高产品的固有可靠性,可选择可靠性增长试验｡ 3.新产品设计定型､生产定型和产品创优,可选择可靠性鉴定试验,一般情况下选用定时截尾或定数截尾试验方案,以对产品的MTBF 真值作出估计｡ 4.根据供需双方鉴定的合同规定,需要对产品的MTBF 真值作验证的,可选择可靠性验收试验,采用定时截尾或定数截尾试验方案｡若供需双方鉴定的合同规定,只要通过了系统试验方案就可交货,不需对产品的MTBF 真值作出估计,可选用概率比序试验方案,这种情况特别适用单台大型电子设备产品｡ 2.4.2 环境条件及应力的确定根据使用方向生产方提供的电子设备产品任务书或供需双方签订的合同,搞清电子设备产品在工作时所处的环境条件及给予它的应力｡如果无特殊要求,应按电子设备产品总技术条件要求,在试验室模拟进行,一般情况下可采用图2-2 所加的应力及循环方式｡图2-2 电子设备可靠性试验方案所加的应力及循环方式 2.4.3 统计试验方案的参数确定 1.θ0(可接收的MTBF 值)的确定｡θ0应小于等于θ′(θ′是按照电子设备产品所处的环境条件和应力,用可靠性预计方法确定的MTBF 值)｡θ0确定之后,根据选择的鉴别比Dm(Dm =θ0/θ1),就可以计算出θ1(θ1指最低可接受的MTBF 值)｡2.生产方风险率α､使用方风险率β 的选择｡一般情况下,供需双方签订的合同(包括协议书)已定的可按合同执行｡如果合同无规定,或是生产厂家自行验证,一般情况下可选择北华航天工业学院毕业论文7 0.2~0.3,高风险可选择0.3~0.4｡ 3.试验时间t 的选择｡除与α､β 有关外,主要取决于电子设备产品属于何种类型,该设备能否长时间进行可靠性试验,试验费用的大小｡ 2.5 可靠性试验的数据分析与处理 2.5.1 可靠性试验的数据分析方法可靠性试验的数据分析的基础就是产品寿命分布函数及参量之间的关系｡例如故障与应力(电､热､振动､温度等)的对应关系;故障与产品早期性能变化的规律等,这些包含有两个变量的数据,在分析时就可用相关及回归分析方法,或用最小二乘法,从试验中取得的数据,可以制成各种图,如直方图,拆线图等,拟合成直线､曲线用以确定产品故障(寿命)的数学模型,由模型就可写出其可靠性指标,最后推算出该产品的可靠性参数值｡ 2.5.2 电子设备产品可靠性试验数据的处理可靠性试验的数据是一些实际的､多因素的信息集体,对于电子设备产品来说,试验的目的不同,所需采集的数据种类就不同,因此要用试验的观测值来估计设备的可靠性特征值,这是电子设备产品可靠性试验数据处理的关键｡我们知道MTBF 是衡量电子产品可靠性的一个重要指标,并且检验下限应等于电子设备产品最低可接受的MTBF｡实际工作中常采用观测值的点估计即: 式中,为MTBF(电子设备产品)观测点估计值;T 为电子设备产品试验时间总和;r 为电子设备产品在试验中的故障次数｡第3 章芯片封装的失效分析北华航天工业学院毕业论文8 3.1 失效的分类在电子元器件的失效物理与失效分析中,常用的失效类型有以下几种: 1.从失效率浴盆曲线区分在大量电子元器件的使用及试验中,获得了大量失效率λ(t)(元器件在t 时刻尚未失效,在t 时刻后的单位时间内发生失效的概率)和时间的关系曲线,因其形状像浴盆故得名为浴盆曲线｡如图3-1 所示,就是浴盆曲线的图片｡早期失效是浴盆曲线的盆边,失效率较高,早期失效的失效因素较简单,有一定的普遍性｡不同批次,不同晶体,不同工艺的元器件其早期失效的延续时间,失效比例是不同的｡严格的工艺操作和工序检验,可以减少这个阶段的失效｡给予适当的应力,进行合理的筛选,可使元器件在正式使用时早把早期失效的元器件剔除掉,使元器件的失效率达到或接近偶然失效的较高可靠性水平｡这也是元器件生产厂及使用方进行例行筛选试验的目的｡显然试验时间过长,施加应力过大,又会损坏元器件的平均寿命(元器件失效的平均时间)｡浴盆曲线的盆底平坦段是偶然失效阶段｡此阶段失效率低且变化不大,近似为常数,是元器件较好的使用期｡偶然失效时电子元器件中多种不很严格的偶然失效因素发生的失效｡耗损失效时电子元器件由于老化,磨损,损耗,疲劳等带有一定全局性的原因造成的失效｡此时元器件进入严重的损伤期,失效率随时间的延续而明显上升｡图3-1 浴盆曲线 2.失效按性质及性质变化区分(1)致命失效致命失效是指电子元器件完全丧失规定功能而无法恢复的一类失效｡例如: 膜电容器或MOS 电容器的瞬时电击穿,导致极间形成短路,使电容器完全丧失功能且不能恢复｡(2)漂移性失效北华航天工业学院毕业论文9 元器件的一个或某些基本参数发生漂移,退化性变化超过规定值,以致不能完成规定功能的失效,如电阻器的阻值变化超过允许范围,半导体器件反向漏电流超差,连接器或开关等接插件的接触不良,在规模集成电路中MOSFET 的阀值电压退化等｡(3)间竭失效元器件在使用或试验过程中呈现出时好时坏的一类失效｡如:元器件的封壳内混有导电性的多与无颗粒及表面的沾污会引起瞬时的断路｡元器件的接点虚焊也会引起间竭失效｡ 3.失效的起源和失效的场合(1)人为失效属于人为的使用,操作所引起的元器件失效,其中使用失效时在元器件使用时由于超过其规定能承受的应力所引起的失效｡而误操作失效是由于错误或不小心操作而发生的失效｡例如,使用时加在器件上的正负电极接错属于无操作,由此引起失效为误操作失效,也就是人为失效｡又如,加在元器件上电负荷超过规定引起失效属误用失效,也属于人为失效｡(2)现场失效元器件在现场使用或工作时发生的失效｡(3)试验失效元器件在施加一定应力条件的试验时引起的失效｡ 4.失效的关联性在失效分析时,区别非关联失效和关联失效是很重要的｡在分析失效的成因及元器件在可靠性的改进措施中,必须将这两类失效区分开来｡(1)非关联失效或独立失效它们是按失效是否与系统中其他器件的影响有关而区分的｡非关联(独立)失效是元器件失效是元器件失效,由其本身原因造成,和系统中其他元器件,部件等的影响无关｡例如:电容器在规定的工作条件和时间内因电解质的烧化引起电解老化失效｡(2)关联失效或从属失效元器件的失效是其他部件先失效而引起的一种连带失效｡例如,电容器本身工作没有失效,但因电。
