失效分析及其在保证电子产品可靠性中的作用

失效分析及其在保证电子产品可靠性中的作用本报编辑：韩双露时间: 2009-3-19 10:55:13 来源: 电子制造商情中国赛宝实验室可靠性研究分析中心李少平1 电子产品失效分析概述失效分析（FA）是指为了确定失效部件的失效模式、失效机理、失效原因以及失效后果所作的检查和分析。

电子产品失效分析利用电分析、形貌分析、成分分析、物理参量分析、应力试验分析等手段求证失效样品的失效证据，根据失效证据与失效机理的内在联系，并结合样品现场的失效信息，诊断失效样品的失效机理、失效原因。

在电子产品中，FA的对象是电子元器件，电子元器件主要包括要电容器、电阻器、电感器、继电器、连接器、滤波器、开关、晶体器件、半导体器件（包括半导体分立器件、集成电路）、纤维光学器件、组件（具有一定功能、独立封装的电子部件，如DC/DC电源，晶体振荡器等）等。

失效是指电子元器件丧失或部分丧失了预定的功能。

失效模式是指电子元器件失效的外在宏观表现。

对于半导体分立器件失效模式主要有开路、短路、参数漂移（退化）、间歇失效，密封继电器失效模式主要有接触不良、触点粘接、开路、断路，瓷介电容失效模式主要有开裂、短路、低电压失效。

不同类别的电子元器件失效模式的表现各不相同，既使对同一门类的电子元器件，由于其原理、结构和电气性能的差异失效模式的表现也不尽相同。

失效模式的确认是失效分析工作的重要的环节，失效模式确认需要借助于观察、测试等技术方法。

失效机理是指电子元器件失效的物理、化学变化，这种变化深层次的意义指失效过程中元器件内部的原子、分子、离子的变化，以及结构的变化，是失效发生的内在本质。

电子元器件的失效机理可分为机械失效机理，如磨损、疲劳、断裂等；电失效机理，如静电放电损伤、电压引起的场致击穿和退化、电流引起热致击穿和退化等；热失效机理，如热引起的物态变化、结构变化等；反应失效机理，如腐蚀、合金、降解等；电化学机理，如化学电迁移、源电池效应等；产品特有的失效机理，如CMOS集成电路的闩锁效应、金属化铝电迁移效应、热电子效应、陶瓷电容器的低电压失效、塑封器件的爆米花效应等机理。

这些机理对于不同的电子元器件失效模式表现各不相同。

应力是驱动产品完成功能所需的动力和产品经历的环境条件，是产品退化的诱因，如铝电解电容器在温度作用下，电容器内部的电解液蒸发，逐步引起电容量下降失效，这个过程中温度就是铝电解电容器失效的诱发应力。

应力包括物理应力和化学应力，物理应力常见的有热（温度）、电（电压、电流、功率）、力（机械）、光（包括射线）等，化学应力常见的有水汽（潮湿）、污染等。

失效原因是指导致失效发生的外在影响因素，一般指引起失效发生的直接影响因素，影响因素一方面是产品缺陷，即电子元器件在设计、材料、制造工艺存在的引起失效的直接原因；另方面是外部诱发应力，以及应力的产生原因，如使用过程的电压、电流、功率、温度、湿度、环境的腐蚀性气体等。

失效原因的确定相当复杂，但是只有正确的分析和确认失效原因，对于失效发生的控制和改进措施才能做到有的放矢。

2 失效分析程序和方法失效分析所采用的分析手段就其作用后果来说，可分为非破坏性分析和破坏性分析。

非破坏性分析对失效样品没有破坏作用，但破坏性分析对失效样品具有破坏作用，而且，这种破坏是一种不可逆反的破坏，如果分析过程中已经进行了不可逆反的破坏性分析，而丢失了未获得的失效信息，则失效分析面临失败的危险。

因此，失效分析过程必须遵循图1所示的基本流程。

图1 失效分析基本程序2.1 失效样品信息失效样品信息包括基本信息和技术信息。

基本信息指失效样品的产品信息，如产品功能、工作原理、性能指标、产品结构、制造工艺，该型号产品的使用历史情况；技术信息指失效样品失效时的信息，如的工作条件，整机的故障表现和故障定位情况，失效样品的失效特征，应用电路，供电情况，环境条件，失效样品的采购批使用前的经历，该型号产品的使用历史情况（失效率及失效表现）等。

失效样品的信息决定失效分析方案、采用合适的分析方法，是机理诊断的重要依据，也是失效分析最终必须解释问题。

2.2 失效模式确认失效模式确认是对失效现场报告的失效进行验证的过程。

失效模式确认的结果可能是失效样品没有失效表现，或失效样品已经失效。

失效样品已经失效可能表现为稳定失效，或不稳定失效。

通过失效模式确认的结果，结合失效现场的信息，制定失效分析方案才能有的放矢的进行失效分析。

例如，失效报告出现多只比较器（IC）端口之间漏电（板上测试）失效，在失效模式确认中发现板上卸下的IC端口均没有漏电的问题，显然，板上测试到的漏电问题并不是IC的漏电，而是IC之外、板上其它部位漏电，因此，本次所需分析应转入对板上其它部位的漏电进行分析。

2.3 外观检查元器件的外观检查十分重要，它往往会为后续的分析提供重要信息。

首先，产品制造商、批次等是研判产品批次性失效必不可少的信息；其次，产品外观判断仿制、翻新的重要依据；最重要的是，失效样品失效可能在外观上留下信息，如变形、破损、色泽变化、外部污染物等，这些信息将指导后面的失效分析，而且最终的分析结果反过来解释这些外观表现。

外观检测首先用肉眼来检查失效元器件与好元器件之间的差异，然后在光学显微镜下进一步观察。

采用放大倍数为4～80倍的立体显微镜，变换不同的照明角度来获得最佳的观察效果。

有时也采用常规的放大倍数为50～2000倍的显微镜来寻找和观察失效部位，如果还需要更进一步观察表面击穿、外来物、长须、沾污或迁移，则需要利用扫描电子显微镜（SEM）。

2.4 非破坏性的内部分析非破坏性分析是用于检查元器件内部状态而不打开或移动封装的技术，通常包括电学分析、X射线成像分析、声学扫描分析、内部可动粒子分析、密封性分析等。

（1）电学分析电学分析通过失效样品的电特性表现、参数与功能变化、以及参数与功能随某种应力的变化，研究失效样品失效的性质、失效部位，指引后面采用合适的分析方法。

在某些场合电学分析过程也会对失效样品构成不可逆反的损伤，这是因为样品已经失效，其内部关键结构可能已经短路或耐压已经严重下降，电分析时外部施加的电压（源）的能量可以引起失效样品内部的损伤扩大，因此而掩盖原来的失效特征。

（2）X射线成像分析X射线成像分析是通过X射线透视成像系统或X射线扫描剖面成像系统（X －CT），对失效样品内部进行无损分析，一方面检查失效样品内部可能的缺陷，如内部不同材料界面的空洞或分层、内部互连缺陷、内部多余物、以及其它结构缺陷；另方面，分析失效样品内部失效的异常表现，如塑料封装IC内部过电烧毁引起的内部塑料炭化，内部开裂、金属熔融等异常表现特征。

在进行X射线检查之前，必须考虑X射线可能给MOS元器件带来的损害。

（3）声学扫描分析声学扫描分析利用不同材料对超声波的声阻不同、以及超声波不能在空气中传送的特性，观察元器件内部材料空洞、界面的空洞、界面分层，以及失效引起的内部结构变化，从而提取失效样品内部的失效特征，为后期的破坏性分析提供失效点定位、失效性质判断提供依据。

（4）内部可动粒子分析密封封装（空封）器件内部可能存在可动的导电粒子，如焊接残存的锡颗粒、金丝或铝丝，以及其它具有导电能量的颗粒，这些导电颗粒在腔体内部一旦落在器件内部不同电位的两点上，将导致这两点发生漏电或短路。

通过内部可动粒子分析，可以诊断器件内部漏电或短路的原因，尤其是器件发生不稳定失效（不稳定的漏电、短路失效），内部可动粒子分析是有效而快捷分析手段。

（5）密封性分析密封器件（金属或陶瓷封装）是在干燥气体或氮气气氛进行的，并与外部气体隔绝。

由于水分的存在会加速杂质离子的运动，并引起元器件特性的恶化及内部金属腐蚀。

封装里空气体水份的含量通常为几百个ppm，如果封装密封性能损伤或退化，外界的水汽将进入封装内部，引起封装内部受到水汽的作用而退化或失效。

通过密封性分析，可以诊断密封内部是否受到水汽的侵蚀，以判断器件失效是否由密封引起封装密封问题引起，尤其是当后期的分析中，发现器件内部由于腐蚀引起失效，那么，前期的密封分析就更加是必不可少的过程，因为，如果封装的密封存在问题，则引起腐蚀的水汽是密封问题引起，显然，只有密封存在问题的样品才可能发生此类失效，如果封装的密封没有问题，则引起腐蚀的有害物质是样品制造过程引入的，那么，这种失效可能具有批次失效的特征。

密封分析有两种检测方法：氦原子示踪法检测细小的泄漏、氟碳化合物检测较大的泄漏。

密封性检查可用于检测封装中的小裂缝、焊接材料的虚焊、焊接部位的针孔及密封封装中的缺陷。

2.5 半破坏性分析失效分析技术中，有多种分析手段属于表面分析，如光学显微镜、扫描电镜镜、光辐射显微镜、红外热像显微镜、各种微区成分分析等，只有把器件失效可能发生的部位暴露在最表面，这些分析才能进行。

半破坏性分析是指对器件的封装或保护结构进行封装剥离，把器件失效可能发生的部位暴露在表面，对暴露出来的表面所进行的分析。

这个过程中，器件的封装或某些结构受到破坏，但器件的电性能不被破坏。

半破坏性分析首先通过开封，把失效样品可能的失效部位暴露出来。

开封后器件失效的可能部位的分析分为两类，其中一类是不加电的非破坏性分析，有形貌观察，如光学显微观察、扫描电子显微观察等；成分分析，如EDS、AES、SIMS 等；以及空封器件的内部可动粒子收集；内部气体分析，等等。

另一类是加电的内部分析，有电压衬度像、束感生电流像、液晶热效应观察、光辐射效应观察、红外热像成像，以及器件内部电路结点的电位分析，如机械微探针测试分析、电子探针测试分析等。

2.5 破坏性分析破坏性分析是指对失效样品的功能和电参数构成破坏的分析，破坏性分析项目对器件的破坏是不可逆的过程，一旦失效样品进行破坏性的分析项目，失效样品受到彻底的破坏。

破坏性分析主要包括：研磨剖面分析，如通过研磨剖面观察多层陶瓷电容器内部电极及电极之间介质缺陷或电击穿烧毁情况；聚焦离子束微区剖面分析，主要是集成电路微区局部的表面多层布线的层间状态观察分析，有源区微区局部剖面观察；集成电路表面多层布线刻蚀；PN结显结分析等。

2.6 综合分析分析者在分析过程中，首先确定分析路线（分析方案），包括用什么分析方法来提取失效信息，以及所采用的各种方法次序，并在分析过程中，根据已经获得的分析信息，判断为了诊断失效样品的失效机理还需要证据、信息，从而及时调整前期的分析方案。

实际上，综合分析贯穿于分析的整个过程。

最后，分析者根据自己的知识、经验，结合分析中获得的信息，联系器件失效机理发生的必然后果表现，对失效样品的失效模式、失效机理给出判断，对失效原因给出推测。

2.7 分析报告描述失效分析过程所提取到的信息，以及根据这些分析信息推断失效机理以及失效原因的过程，并给出分析结论。