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失效那些事儿@8步骤+8方法+4分析丨超值分享

2019年09月11日 阅读 191

失效是指器件性能发生剧烈的或是缓慢的变化,这些变化达到一定程度,器件不能正常工作,这种现象叫做失效。

失效模式指失效的表现形式,一般指器件失效时的状态,如开路、短路、漏电或参数漂移等。

失效模式的分类

按失效的持续性:致命性 、间歇性、缓慢退化

按失效时间:早期失效 、随机失效 、磨损失效

按电测结果:开路、短路、漏电、参数漂移

为什么要做失效分析:

目的:找出器件失效的物理和化学根源,确定产品的失效机理

作用:获得改进工艺、提出纠正措施,防止失效重复出现的依据;确定失效的责任方,避免不必要的损失赔偿;评估产品的可靠度。

一般步骤

一般步骤:

1、收集失效数据

2、烘焙

3、测试并确定失效模式

4、非破坏性分析

5、DE-CAP分析

6、失效定位

7、对失效部分进行物理化学分析

8、综合分析,确定失效原因,提出改善措施

1、收集失效数据

作用:根据失效现场数据估计失效原因和失效责任方

失效现场数据的内容:

失效环境:潮湿、辐射

失效应力:过电、静电、高温、低温、高低温

失效发生期:早期、随机、磨损

失效历史:以往同类器件的失效状况

2、烘焙

对于一些经过潮湿环境下失效,或从其电性上表现为漏电大或不稳定的器件,有必要进行烘焙后测试

方法:

温度:150℃常压

时间:4小时以上

3、电性测试及确定失效模式
  • 不同以质量检验为目的的测试,采用非标准化的测试方法,可以简化

  • 包括引脚测试和芯片测试两类

  • 可以确定失效的管脚和模式,但不能确定失效的确切部位

4、非破坏性分析

定义:不必打开封装对样品进行失效分析的方法,一般有:

  • 显微镜的外观检验

  • X-RAY检查内部结构

  • C-SAM 扫描内部结构及分层

5、DE-CAP分析
步骤一:去黑胶

配比:发烟HNO3:H2SO4=3:1

加热时间:煮沸后5-10分钟(根据材料大小)

注意:

  • 酸液不能超过烧杯的规定刻度,以防加热过程酸液溅出来

  • 显微镜观察焊接件结构,芯片的外观检查等

  • 烘烤后测试

步骤二:去铜

配比  浓硝酸

加热时间:沸腾后3-5分钟离开电炉至铜反应完

注意:

  • 加热沸腾比较剧烈,加酸液的液面不要超过烧杯的规定刻度

  • 显微镜观察,焊锡的覆盖面积、气孔、位置、焊锡颗粒,芯片Crack等

步骤三:去焊锡

配比  浓硝酸

加热时间:沸腾后30分钟左右

注意:

  • 加酸液的液面不要超过烧杯规定刻度,以防止酸液溅出

  • 显微镜观察,芯片正反两面观察,Surge mark点,结构

  • 电性确认

6、失效定位:
  • 对于在芯片上明显的异常点,如Surge mark、Micro crack、氧化层脱落,比较容易定位

  • 对于目视或显微镜下无法观察到的芯片,可以加电后借助红外热像仪或液晶测试找到失效点

7、失效点的物理化学分析

为更进一步确认失效点的失效机理,我们需要对失效点进行电子放大扫描(SEM)和能谱分析(EDX),以找到失效点的形貌和化学元素组成等,作为判定失效原因的依据。

8、综合分析

根据前面步骤的逐步分析,确定最终失效原因,提出报告及改善建议及完成报告。

失效分析技术

1、摄影和光学显微术

本厂有0-400倍的光学显微镜和影像摄取装置,基本上可以涵盖整个分析过程需要的光学检查

  • 每个元件都需要记录一般状态的全景照片和特殊细节的一系列照片

  • 不涉及分析结果或最终结论的照片可以在报告中不列入

光学显微镜作用

用来观察器件的外观及失效部位的表现形状、分布、尺寸、组织、结构、缺陷、应力等,如观察器件在过电应力下的各种烧毁和击穿现象,芯片的裂缝、沾污、划伤、焊锡覆盖状况等。

例:一些失效的在光学显微镜下观察到的现象

1

2

3

4

2、电测技术

质量检验的电测:采用标准化的测试方法,判定该器件是否合格,目的是确定器件是否满足预期的技术要求。

失效分析的电测:采用非标准的测试方式,目的是用于确定器件的失效模式、失效部位并估计可能的实效机理;测试仪器、测试步骤及参数的种类都可以简化。

管脚测试

管脚测试可以确定失效的模式和管脚,无法确定失效的确切部位。

例1:GBJ 的+AC1电性失效,其余管脚OK,则可以只对+AC1的晶粒做后续分析,如X-RAY等

例2:TO220AB的一端测试显示HI-VF,我们可以估计可能的失效模式为晶粒横裂等。


芯片测试(DECAP后的测试)

芯片测试可以缩小失效分析的范围,省去一些分析步骤

例:做过PCT的失效器件在去黑胶后测试电性恢复,后续的去铜可以不做,可以初步判定失效机理为水汽进入封装本体引起,导致失效。

3、烘焙技术

对材料的烘焙可以确定材料是否受到潮湿及水汽影响或内部离子污染。

例:PCT失效的材料在烘焙后电性恢复

内部离子污染造成的电性失效,烘烤可以“治愈”或逆转变坏电气特性。

4、无损分析技术

定义:无须打开封装对样品进行失效定位和失效分析的技术。

除电测技术分析外,有X-射线和反射式声学扫描显微技术等。

X-RAY

原理与医用的X射线透视技术完全相同,器件的不同材料造成不同的吸收系数,收集穿透的X射线通过图象处理可反映不同部位的影象。

可以观察器件内部结构,焊锡的状况,本体气孔等

例:DF-M的焊锡气孔(手动与自动制程的差异)

手动制程

自动制程

C-SAM

原理:利用超声脉冲探测样品内部的空隙缺陷等,超声波对于不同的介质都会产生发射波,如果遇到空气即100反射,该技术是对器件分层最有效的检测方法

可以检测材料结构界面的粘连和分层状况,及塑封材料的空洞、芯片开裂等。


X射线透视与反射式声扫描比较

5、DE-CAP
利用强酸将器件的封装去,展示材料的内部结构,是一个破坏性的分析技术,不可逆转,因此在进行此步分析时请确认所有非破坏性的分析已经完成,本厂通常用烧杯中加热的方式,更高级的DE-CAP有专门的设备。
分析人员须考虑潜在的损坏和每项分析的目的。
高级的DE-CAP设备原理图(一般用于集成电路)

6、定位技术(HOT SPOT)

红外热像仪,液晶探测

原理:将失效的芯片通电,在失效点附近会有大的漏电通过,这部分的温度会升高,利用红外热像仪或芯片表面涂液晶用偏振镜观察(可以找到失效点,从而可以进一步针对失效点作分析

例:分别用红外热像仪和液晶方法获得的失效点照片

红外热像仪

液晶

7、电子扫描(SEM)及能谱分析(EDX)

原理:利用阴极所发射的电子束经阳极加速,由磁透镜聚焦后形成一束直径为几百纳米的电子束流打到样品上激发多种信息(如二次电子,背散射电子,俄歇电子,X射线),经收集处理,形成相应的图象,通常使用二次电子来形成图象观察,同时通过特征X射线可以进行化学成分的分析。

扫描电子显微镜与光学显微镜的比较

扫描电镜的应用

用来观察光学显微镜下观察不到的细微结构,如观察芯片击穿点的立体形貌,针孔等

用来分析微区的化学成分,如对击穿点的化学成分分析,确定失效点的失效原因

例:利用电子扫描和能谱分析对失效晶粒的分析案例:

SEM照片

针对特定点的能谱分析

8、剖切面技术

对于缺陷存在与器件内部,不容易从正面观察到就需要进行剖切面观察

方法:用环氧树脂固化器件,用锯片及经过研磨、抛光后进行光学或电子扫描显微镜观察。

器件失效机理的分析

1、过电应力损伤(EOS)

失效模式:表现为开路、短路、漏电增大、反向偏压衰降

失效机理:器件受到一种随机的短时间的高电压或强电流冲击,功率远大于额定功率,产生过电应力损伤

  • 轻度的损伤可能会使期间漏电增大、反向偏压衰降等

  • 严重时失效特征很明显,芯片有明显的surge mark,甚至会使芯片开裂,塑封体炭化等

器件失效机理的内容
  • 失效模式与材料、设计、工艺的关系

  • 失效模式与环境应力的关系:环境应力包括:过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力

  • 失效模式与时间的关系

2、静电放电损伤(ESD)

失效模式:表现为漏电增大、反向偏压衰降等

失效机理:带电人体、接地不良的仪器测试、器件摩擦产生的静电通过器件产生损伤

失效模式与EOS相似,区分有一定的困难,通常可以通过HOT SPOT 和SEM的方法可能会看到失效点。

3、封装水汽和离子污染

失效模式:表现为漏电增大,电性不稳定等

失效机理:水汽来源有a、封装工艺缺乏防潮措施;b、封装材料吸收水汽及放出有害气体,离子污染主要来自芯片工艺过程操作人员和环境及封装材料的钠离子等

水汽和离子污染均可用高温烘烤的方式来验证。

4、焊接不良

失效模式:表现为VF偏高、F/S能力差等

失效机理:焊接气孔、虚焊、假焊、镀层脱落等

可通过X射线或DE-CAP后去铜观察焊锡覆盖状况来判断

案例

案例1:——SMBF12AVCL在PCT失效

失效机理:材料封装小,水汽容易进入封装本体内导致器件失效

验证:a、烘烤后有部分电恢复;b、DE-CAP去黑胶后测试全部恢复电性

改善措施:改进封装制程或更换封装材料


案例2:——GBJ10A 在F/S 失效

失效机理:芯片本身F/S 能力不足,芯片尺寸小(95mil)

验证:a、历史F/S 资料显示其失效率居高不下;b、DE-CAP后芯片开裂,属过电应力损伤

改善措施:增加芯片尺寸至105mil,提升F/S能力


注意事项

(1)为了完成任务而急于进行下一步的破坏性分析
  • 可能失去找到关键的因素的机会

  • 可能最后得到错误的结论

(2)细致的观察
  • 对每一步骤的样品必须做全面的观察

  • 对任何异常均需要详细的记录并放大取照

(3)避免带入潜在的过程影响因素
  • 酸温不宜过高

  • 避免骤冷骤热过程

  • 晶粒尽量避免超声清洗

  • 使用示波器测试时选取适当串连电阻,加电压时要缓慢,避免材料被打死

  • 拿取材料不宜直接用手,防止静电损伤

  • 避免在器件在输运过程造成机械损

主要设备和化学用品

  • 实验化学解剖台

  • 研磨机

  • 超声清洗机

  • 沾锡性实验台

  • 显微镜

  • X-RAY

  • C-SAM


  • 浓硫酸

  • 浓硝酸(发烟硝酸)


END

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