1、電子元器件失效分析技術Failure Analysis1一、電子元器件失效分析技術1.1、失效分析的基本概念1.2、失效分析的重要意義1.3、失效分析的一般程序1.4、收集失效現場數據1.5、以失效分析為目的的電測技術1.6、無損失效分析技術1.7、樣品制備技術1.8、顯微形貌像技術1.9、以測量電壓效應為基礎的失效定位技術1.10、以測量電流效應為基礎的失效定位技術1.11、電子元器件化學成份分析技術21.1 失效分析的基本概念目的： 確定失效模式和失效機理，提出糾正措施，防止這種失效模式和失效機理重復出現。失效模式：指觀察到的失效現象、失效形式，如開路、短路、參數漂移、功能失效等。失效機理

2、：指失效的物理化學過程，如疲勞、腐蝕和過應力等。3引起開路失效的主要原因：過電損傷、靜電擊穿（SEM、圖示儀）、金屬電遷移、金屬的化學腐蝕、壓焊點脫落、閂鎖效應。 其中淀積Al時提高硅片的溫度可以提高Al原子的晶塊體積，可以改善電遷移。4典型的閂鎖效應電源對地的IV曲線VI5引起漏電和短路失效的主要原因：顆粒引發短路、介質擊穿、PN結微等離子擊穿、SiAl互溶Al穿釘6VIVI正常PN結反向曲線微等離子擊穿PN結反向曲線7引起參數漂移的主要原因：封裝內水汽凝結、介質的離子粘污、歐姆接觸退化、金屬電遷移、輻射損傷例：Pad點處無鈍化層，有水汽的話，會導致短路，水汽蒸發后又恢復絕緣性，表現為工作時

3、參數不穩定。8失效物理模型：1、應力強度模型（適于瞬間失效）失效原因：應力強度例如：過電應力（EOS）、靜電放電（ESD）、閂鎖（Latch up）等。2、應力時間模型 （適于緩慢退化）失效原因：應力的時間積累效應，特性變化超差。例如：金屬電遷移、腐蝕、熱疲勞等。93、溫度應力時間模型反應速度符合下面的規律（M是溫度敏感參數，E是與失效機理有關的激活能）（十度法則：從室溫開始，每提高10度，壽命減半）積分10產品平均壽命的估算BlnL111.2失效分析的重要意義電子元器件研制階段 糾正設計和研制中的錯誤，縮短研制周期電子元器件生產階段、測試和使用階段 查找失效原因，判定失效的責任方根據分析結果

4、，生產廠可以改進元器件的設計和工藝，用戶可以改進電路板的設計、改進器件和整機的測試和使用的環境參數或者改變供貨商。12失效分析案例案例1：GaAs微波器件的失效分析，表現為 緩慢減小，通過研究金屬半導體接觸退化的機理，確定了金半接觸處原子互擴散是根本原因，提出了增加阻擋層作為改進措施，通過對比改進前后的可靠性評價，證明了失效分析的有效性。13MESFET端面圖半絕緣GaAs襯底SGD導電溝道N為最大飽和漏電流141.3失效分析的一般程序1、收集失效現場數據2、電測并確定失效模式3、非破壞性分析4、打開封裝5、鏡檢6、通電激勵芯片7、失效定位8、對失效部位進行物理、化學分析9、綜合分析，確定失效

5、原因，提出糾正措施151.4 收集失效現場數據1.4.1、應力類型與元器件失效模式或機理的關系舉例161.4.2收集失效現場數據的主要內容 失效環境、失效應力、失效發生期以及失效樣品在失效前后的電測試結果。17失效環境包括：溫度、濕度、電源環境、元器件在電路圖上的位置和所受電偏置的情況。失效應力包括：電應力、溫度應力、機械應力、氣候應力和輻射應力。失效發生期包括：失效樣品的經歷、失效時間處于早期失效、隨機失效或磨損失效。181.5以失效分析為目的的電測技術電子元器件的電測失效分類：連接性失效（開路、短路、電阻變化等）多數是ESD和EOS引起的，比例大概50。電參數失效（值超出范圍和參數不穩定）

6、例如：電流增益、光電流、暗電流等。功能失效（給定輸入信號，輸出異常）多數是集成電路。19電子元器件電測失效之間的相關性例如數字集成電路，連接性失效可引起電參數失效和功能失效。 輸入端漏電輸入電流Iin、輸入電壓Vin達不到要求功能失效、靜態電流IDDQ失效 輸入端開路和輸出端開路功能失效 電源對地短路功能失效、靜態電源電流IDDQ失效20電測的重要結論：電測失效模式可能多種模式共存。一般只有一個主要失效模式，該失效模式可能引發其他失效模式。連接性失效，電參數失效和功能失效呈遞增趨勢，功能失效和電參數失效時常可以歸結于連接性失效。在缺少復雜功能測試設備時，有可能用簡單的連接性測試和參數測試，結合物理失效分析技術，仍然可以獲得令人滿意的失效分析結果。211.6無損失效分析技術定義：不必打開封裝對樣品進行失效定位和失效分析的技術。無損失效分析技術：X射線透視技術和反射式掃描聲學顯微技術（CSAM）22表2、X射線透視技術和反射式掃描聲學顯微術（CSAM）的比較名稱應用優勢主要原理X射線透視技術(X-Ray)以低密度區為背景，觀察材料的高密度區的密度異常點（主要用來判定引線斷裂）透視X光被樣品局部吸收后成像的異常反射式掃描聲學顯微術（CSAM）以高