1、电子元器件可靠性物理,中国电子电器可靠性工程协会费庆宇Tel. 010-67642668北京市南三环东路27号C1108,第一讲 失效物理的概念,失效的概念,失效定义 1 特性剧烈或缓慢变化 2 不能正常工作 失效种类 1 致命性失效：如过电应力损伤 2 缓慢退化：如MESFET的IDSS下降 3 间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效,失效物理的概念,定义：研究电子元器件失效机理的学科 失效物理与器件物理的区别 失效物理的用途,失效物理的定义,定义：研究电子元器件失效机理的学科 失效机理：失效的物理化学根源 举例：金属电迁移,金属电迁移,失效模式：金属互连线电阻值增大或开路 失效机理：电子风
2、效应 产生条件：电流密度大于10E5A/cm2高温纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺,失效物理与器件物理的区别,撤销应力后电特性的可恢复性 时间性,失效物理的用途,1 失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正措施，防止失效重复出现2 可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性,可靠性评价的主要内容,产品抗各种应力的能力 产品平均寿命,失效物理模型,应力强度模型失效原因： 应力强度强度随时间缓慢减小如:过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（latch up) 应力时间模型（反应论模型）失效原因：应力的时间累积
3、效应，特性变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳,应力强度模型的应用,器件抗静电放电（ESD）能力的测试,温度应力时间模型,T高，反应速率大，寿命短 E大，反应速率小，寿命长,温度应力的时间累积效应,失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差,与力学公式类比,失效物理模型小结,应力强度模型与断裂力学模型相似，不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效和致命性失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显 应力时间模型（反应论模型）与牛顿力学模型相似，考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显,应力时间模型的应用：预计元器件平均寿命,1求激活能 E,Ln L1,Ln L2,1/T
4、2,1/T1,B,预计平均寿命的方法,2 求加速系数F,设定高温为T1,低温为T2,可求出F,预计平均寿命的方法,由高温寿命L1推算常温寿命L2 F=L2/L1 对指数分布 L1=MTTF=1/ 失效率,温度应力时间模型的简化：十度法则,内容：从室温算起，温度每升高10度，寿命减半。 应用举例：推算铝电解电容寿命105C，寿命1000h（标称值）55C, 寿命1000X2E5=32000h35C，寿命1000X2E7=128000h=128000/365/24=14.81年,小结,失效物理的定义：研究电子元器件失效机理的学科失效物理的用途： 1 失效分析：确定产品的失效模式、失效机理，提出纠正
5、措施，防止失效重复出现 2 可靠性评价：根据失效物理模型，确定模拟试验方法，评价产品的可靠性,第二讲 阻容元件失效机理,电容器的失效机理,电解电容 钽电容 陶瓷电容 薄膜电容,电解电容的概况,重要性：多用于电源滤波，一旦短路，后果严重 优点：电容量大，价格低 缺点：寿命短，漏电流大，易燃 延长寿命的方法：降温使用，选用标称温度高的产品,电解电容的标称温度与寿命的关系,标称温度（） 85 105 125 标称温度寿命（h) 1000 1000 1000 工作温度（） 35 35 35 工作温度寿命(h) 1000X2E5 1000X2E7 1000X2E932000 128000 9120003
6、.65 年 14.6 年 59.26年,电解电容的失效机理和改进措施,漏液：电容减小阳极氧化膜损伤难以修补，漏电 流增大。 短路放电：大电流烧坏电极 电源反接：大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜增厚，电容量下降 长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大。,电解电容的阳极修复功能,Al,OH,改进措施,降温使用，不做短路放电，电源不反接，经常通电,固体钽电容,过流烧毁 正负极反接,陶瓷电容,电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增大,陶瓷电容,银迁移引起边缘漏电和介质内部漏电,第三讲 微电子器件失效机理,失效模式的概念和种类,失效的表现形式叫失效模式 按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移
7、、功能失效,失效机理的概念,失效的物理化学根源叫失效机理。例如 开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMOS电路的闩锁效应 漏电和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔,失效机理的概念（续）,参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤,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,水汽对电子元器件的影响,电参数漂移 外引线腐蚀 金属化腐蚀 金属半导体接触退化
8、,辐射对电子元器件的影响,参数漂移、软失效 例：n沟道MOS器件阈值电压减小,失效应力与失效模式的相关性,过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁 静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁 热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电 热电：金属电迁移、欧姆接触退化 高低温：芯片断裂、芯片粘接失效 低温：芯片断裂,失效发生期与失效机理的关系,早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分 随机失效：静电损伤、过电损伤 磨损失效：元器件老化 随机失效有突发性和明显性 早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性,第四讲 失效分析技术,失效分析的作用,确定引起失效的责任方（用应力强度模
9、型说明） 确定失效原因 为实施整改措施提供确凿的证据,举例说明：失效分析的概念和作用,某EPROM 使用后无读写功能 失效模式：电源对地的待机电流下降 失效部位：部分电源内引线熔断 失效机理：闩锁效应 确定失效责任方：模拟试验 改进措施建议：改善供电电网，加保护电路,失效分析的受益者,元器件厂：获得改进产品设计和工艺的依据 整机厂：获得索赔、改变元器件供货商、改进电路设计、改进电路板制造工艺、提高测试技术、设计保护电路的依据 整机用户：获得改进操作环境和操作规程的依据 提高产品成品率和可靠性，树立企业形象，提高产品竞争力,失效分析技术的延伸,进货分析的作用：选择优质的供货渠道，防止假冒伪劣元器
10、件进入整机生产线 良品分析的作用：学习先进技术的捷径 破坏性物理分析（DPA）：失效前的物理分析,失效分析的一般程序,收集失效现场数据 电测并确定失效模式 非破坏检查 打开封装 镜检 通电并进行失效定位 对失效部位进行物理化学分析，确定失效机理 综合分析，确定失效原因，提出纠正措施,收集失效现场数据,作用：根据失效现场数据估计失效原因和失效责任方根据失效环境：潮湿、辐射根据失效应力：过电、静电、高温、低温、高低温根据失效发生期:早期、随机、磨损 失效现场数据的内容,水汽对电子元器件的影响,电参数漂移 外引线腐蚀 金属化腐蚀 金属半导体接触退化,辐射对电子元器件的影响,参数漂移、软失效 例：n沟
11、道MOS器件阈值电压减小,失效应力与失效模式的相关性,过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源金属化烧毁 静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁 热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电 热电：金属电迁移、欧姆接触退化 高低温：芯片断裂、芯片粘接失效 低温：芯片断裂,失效发生期与失效机理的关系,早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分 随机失效：静电损伤、过电损伤 磨损失效：元器件老化 随机失效有突发性和明显性 早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性,失效发生期与失效率,失效率,时间,随机,磨损,早期,以失效分析为目的的电测技术,电测在失效分析中的作用重现失效现象，确定失效
12、模式，缩小故障隔离区，确定失效定位的激励条件，为进行信号寻迹法失效定位创造条件 电测的种类和相关性连接性失效、电参数失效和功能失效,电子元器件失效分析的简单实用测试技术（一）,连接性测试：万用表测量各管脚对地端/电源端/另一管脚的电阻，可发现开路、短路和特性退化的管脚。电阻显著增大或减小说明有金属化开路或漏电部位。 待机(stand by)电流测试:所有输入端接地（或电源），所有输出端开路，测电源端对地端的电流。待机(stand by)电流显著增大说明有漏电失效部位。待机(stand by)电流显著减小说明有开路失效部位。,电子元器件失效分析的简单实用测试技术（二）,各端口对地端/电源端的漏电
13、流测试（或IV测试）,可确定失效管脚。 特性异常与否用好坏特性比较法确定。,由反向IV特性确定失效机理,由反向IV特性确定失效机理,直线为电阻特性，pn结穿钉，属严重EOS损伤。 反向漏电流随电压缓慢增大，pn结受EOS损伤或ESD损伤。 反向击穿电压下降，pn结受EOS损伤或ESD损伤。,由反向IV特性确定失效机理,反向击穿电压不稳定：芯片断裂、芯片受潮,烘焙技术,1应用范围：漏电流大或不稳定、阻值低或不稳定、器件增益低、继电器接触电阻大 2用途：确定表面或界面受潮和沾污 3方法：高温储存、高温反偏,清洗技术,应用范围：离子沾污引起的表面漏电 用途：定性证明元器件受到表面离子沾污 方法：无水
14、乙醇清洗去离子水冲洗（可免去）烘干,烘焙和清洗技术的应用举例,烘焙和清洗技术的应用举例,双极型器件的反向靠背椅特性是钝化层可动离子沾污的结果，可用高温反偏和高温储存来证实。,失效分析的发展方向,失效定位成为关键技术 非破坏 非接触 高空间分辨率 高灵敏度,无损失效分析技术,无损分析的重要性 (从质检和失效分析两方面考虑) 检漏技术 X射线透视技术用途：观察芯片和内引线的完整性 反射式扫描声学显微技术用途：观察芯片粘接的完整性，微裂纹，界面断层,检漏技术,粗检：负压法、氟碳加压法 细检：氦质谱检漏法,负压法检漏,酒精,接机械泵,焊点染色法,氟碳加压法,FC43 沸点180C,F113沸点47.6
15、C,加热至125C,X射线透视与反射式声扫描比较,样品制备技术,种类：打开封装、去钝化层、去层间介质、抛切面技术、去金属化层 作用：增强可视性和可测试性 风险及防范：监控,打开塑料封装的技术,去钝化层的技术,湿法：如用HF：H2O1：1溶液去SiO2 85 HPO3溶液，温度160C去 Si3N4 干法：CF4和O2气体作等离子腐蚀去SiNx和聚酰亚胺 干湿法对比,去层间介质,作用：多层结构芯片失效分析 方法：反应离子腐蚀 特点：材料选择性和方向性 结果,去金属化Al层技术,作用 配方：30HCl 或 30H2SO4KOH 、NaOH溶液 应用实例,形貌象技术,光学显微术：分辨率3600A，倍
16、数1200X景深小，构造简单对多层结构有透明性，可不制样 扫描电子显微镜：分辨率50A，倍数10万景深大，构造复杂对多层结构无透明性，需制样,以测量电流效应为基础的失效定位技术,红外热象技术 用途：热分布图，定热点 光发射显微镜 用途：微漏电点失效定位栅氧化层缺陷，pn结缺陷，闩锁效应 电子束感生电流象 用途：pn结缺陷,单端输出束感生电流象（EBIC）,EBIC的用途：用SEM观察pn结缺陷 传统EBIC用双端输出，每次只能观察一个结 单端输出EBIC可同时观察芯片所有pn结的缺陷，适用于VLSI失效分析 例某CMOS电路的EBIC,原理,封装内部气体成份分析,封装内部水汽和腐蚀性气体的危害： 引起芯片表面漏电，器件电特性不稳定 腐蚀金属化层直至开路 检测法 内置传感器 露点检测 质谱分析,露点检测,1应用范围: 气密性封装内部水汽浓度 2 原理:露点与水汽浓度相关 3 方法:通过降温确定器件的水汽敏感电特性的突变温度(露点),质谱分析结果,其它结果为：气体总压强，氧，氩，氢，CO2，酒精，甲醇，碳氢化合物 仪器灵敏度：水汽 100ppm, 其它气体 10ppm,固态器件微区化学成份分析,
