1、薄厚膜制造工艺第 1 页 共 9 页 厚膜混合集成电路的失效分析校海涛 26#陕西国防职业技术学院 电子信息学院 微电 3101 班 西安市户县 710300摘要：介绍了厚膜混合集成电路的失效分析程序,总结了在生产与使用中发现的主要失效模式,对失效机理进行了研究,提出了对存在缺陷产品的有效筛选淘汰方法。关键词：厚膜混合集成电路 失效分析 失效机理 筛选引言：厚膜混合集成电路 (以下简称 HIC )不仅弥补了半导体集成电路 (简称 SIC )的一些不足, 而且能够充分发挥 SIC 高集成度、高速等特点,是一种高级的微电子产品。近年来它对实现武器装备小型化、多功能化、高性能化发挥了重要作用。但是随
2、着现代化高科技武器装备的发展, 对军用 HIC 的可靠性要求也越来越高, 其可靠性指标已被提到与性能指标同等重要的程度。面对此种高要求, 除加强可靠性设计等工作以提高 HIC 固有可靠性水平外, 认真开展 HIC 的失效分析工作,发现、 研究并总结常见的失效模式和失效机理 ,提出并采取切实有效的筛选试验方法,剔除有缺陷的 H IC , 对于提高 H IC 的使用可靠性水平、 满足武器装备的高可靠性要求,具有十分重要的意义。1.失效分析的基本概念1.1 失效和失效分析 1.1.1 产品丧失规定的功能称为失效。 1.1.2 判断失效的模式,查找失效原因和机理,提出预防再失效的对策的技术活动和管理活
3、动称为失效分析。 1.2 失效和事故 失效与事故是紧密相关的两个范畴,事故强调的是后果,即造成的损失和危害,而失效强调的是机械产品本身的功能状态。失效和事故常常有一定的因果关系,但两者没有必然的联系。 1.3 失效和可靠 失效是可靠的反义词。机电产品的可靠度 R(t)是指时间 t 内还能满足规定薄厚膜制造工艺第 2 页 共 9 页 功能产品的比率,即 n(t)/n(0),n(t)为时间 t 内满足规定功能产品的数量,n(0)为产品试验总数量。累积失效概率 F(t)就是时间 t 内的不可靠度 ,即 F(t)=1-R(t)=n(0)-n(t)/n(0)。 1.4 失效件和废品 失效件是指进入商品流
4、通领域后发生故障的零件,而废品则是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件。废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。 1.5 失效学 研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。失效学与相关学科的边界还不够明确,它是一个发展中的新兴学科。 2.失效的分类2.1 按功能分类 由失效的定义可知,失效的判据是看规定的功能是否丧失。因此,失效的分类可以按功能进行分类。例如,按不同材料的规定功能可以用各种材料缺陷(包括成分、性能、组织、表面完整性、品种、规格等方面)来划分材料失效的类型。对机械产品可按照其相应规定功能来分类。 2.2 按材料损伤机理分类 根据机械失效过程中材料发
5、生变化的物理、化学的本质机理不同和过程特征差异, 2.3 按机械失效的时间特征分类 2.3.1 早期失效 可分为偶然早期失效和耗损期失效。 2.3.2 突发失效 可分为渐进(渐变)失效和间歇失效。 2.4 按机械失效的后果分类 （1）部分失效 （2）完全失效 （3）轻度失效 （4）危险性(严重) 失效 （5）灾难性(致命) 失效 3 失效分析的分类3.1 失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为: （1）狭义的失效分析：主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。 （2）广义的失效分析：不仅要找出引起产品失效的直接原因,而且要找出薄厚膜制造工艺第 3 页 共 9 页 技术管理方面的薄弱环节。 （3
6、）新品研制阶段的失效分析：对失效的研制品进行失效分析。 （4）产品试用阶段的失效分析：对失效的试用品进行失效分析。 （5）定型产品使用阶段的失效分析：对失效的定型产品进行失效分析。 （6）修理品使用阶段的失效分析：对失效的修理品进行失效分析。 3.2 零件失效分析意义： （1）减少和预防同类机械零件的失效现象重复发生，保障产品质量，提高产品竞争力。 （2）分析机械零件失效原因，为事故责任认定、侦破刑事犯罪案件、裁定赔偿责任、保险业务、修改产品质量标准等提供科学依据。 （3）为企业技术开发、技术改造提供信息，增加企业产品技术含量，从而获得更大的经济效益。 3.3 零件失效分析步骤3.3.1 事故
7、调查 （1）现场调查 （2）失效件的收集 （3）走访当事人和目击者 3.3.2 资料搜集 （1）设计资料：机械设计资料，零件图 （2）材料资料：原材料检测记录 （3）工艺资料：加工工艺流程卡、装配图 （4）使用资料：维修记录，使用记录等 3.3.3 失效分析工作流程 （1）失效机械的结构分析 失效件与相关件的相互关系，载荷形式、受力方向的初步确定 （2）失效件的粗视分析 用眼睛或者放大镜观察失效零件，粗略判断失效类型（性质） 。 （3）失效件的微观分析 用金相显微镜、电子显微镜观察失效零件的微观形貌，分析失效类型（性质）和原因。 （4）失效件材料的成分分析 薄厚膜制造工艺第 4 页 共 9 页
8、 用光谱仪、能谱仪等现代分析仪器，测定失效件材料的化学成分。 （5）失效件材料的力学性能检测 用拉伸试验机、弯曲试验机、冲击试验机、硬度试验机等测定材料的抗拉强度、弯曲强度、冲击韧度、硬度等力学性能。 （6）应力分析、测定：用 x 光应力测定仪测定应力 用 x 光应力测定仪测定应力 （7）失效件材料的组成相分析 用 x 光结构分析仪分析失效件材料的组成相。 （8）模拟试验（必要时） 在同样工况下进行试验，或者在模拟工况下进行试验。 3.3.4 分析结果提交 （1）提出失效性质、失效原因 （2）提出预防措施（建议） （3）提交失效分析报告3.4 失效分析程序对 HIC 失效产品进行深入细致的分析
9、工作,准确定位其失效部位,了解其失效的性质、特征和原因, 能够为如何消除失效因素或剔除有缺陷产品以及评估整批产品的质量水平等发挥重要作用。一个完整的失效分析程序应当包括以下几个方面:3.4.1 失效模式的验证例如, 在进行 H I C 的电性能测试时, 表现出开路、 短路、 失去功能或者电参数恶化等现象。3.4.2 失效部位确定指出失效现象或效应可能与电路的哪一部分或哪一个元器件有关。3.4.3 失效特征描述根据与失效现象有关的形状、大小、位置、颜色、化学组份、物理结构、物理性质等,科学地表达或阐明与上述失效模式有关的失效现象或效应。3.5 失效机理假设根据上述失效特征的描述,结合材料性质及有
10、关制造工艺的实际情况, 提出可能导致产生该失效模式的内在原因或规律性, 亦即提出可能导致产生该失效模式的物理或化学机理。例如: 半导体芯片上金属化层断开造成的开路,可能是薄厚膜制造工艺第 5 页 共 9 页 由于金属化层受到了机械划伤, 也可能是由于金属化层表面污染或封装外壳漏气而发生化学反应导致铝膜腐蚀,或者由于电迁移等现象所造成。3.6 证实通过有关试验, 证明上述失效机理的假设是否符合客观事实。如果一次证明不了,需要重复上述各步,直到能够证实为止。3.7 综合分析, 确定失效原因对上述失效机理进行综合分析和判断, 确定失效原因。3.8 提出改进措施提出消除产生各种失效因素的措施, 这些措
11、施包括以下的一方面或多方面:设计、工艺、结构、材料、工艺卫生、筛选试验、使用条件以及使用方法等各方面的改进。3.9 新的失效因素分析由于新结构、 新材料和新工艺的采用,使产品的可靠性有所改进,但也可能引进一些新的失效因素, 分析并清除这些新的失效因素,对进一步提高厚膜 H IC的可靠性具有十分重要的作用。4 主要失效模式及其机理经过对筛选试验淘汰的多种早期失效的 H I C 产品、 质量一致性检验等过程中发现的 H IC 不合格品、 用户使用后出现的各类失效 H IC 产品, 依据上述失效分析基本程序, 进行了全面深入的失效分析,并开展了 H IC 失效模式和失效机理的研究、 总结以及分类统计
12、, 结果表明 H I C 具有如下所述的主要失效模式及其机理。4.1 厚膜电阻器的失效厚膜电阻器的失效大多数是由参数过度漂移和参数不稳造成的。这类失效常常是由如下原因引起:（1）组成电阻器的金属化学成份发生了变化。（2） 应力影响,导致裂纹的产生。（3） 化学反应的影响。（4） 工艺控制的影响。（5）在高电压尤其在高电压脉冲情况下, 部分厚膜电阻器将产生相当大的阻值变化, 这通常被称为厚膜电阻器的电压漂移。4.2 片式电容器的失效薄厚膜制造工艺第 6 页 共 9 页 片式电容器的种类较多, 其在厚膜 HIC 的使用中主要失效模式为电参数超差、开路和脱落。电参数超差的主要失效机理是潮湿的影响、离
13、子迁移、电极损坏、接触不良。在实际使用中, 还可能出现因对片式电容器采取点胶加固措施,由于操作不当而导致电参数超差或开路。例如: 由于采用环氧树脂加固多层陶瓷片式电容器,因所点的环氧树脂量较多,再加上固化前流动性大,电容底部和周围都包有环氧树脂,多层陶瓷片式电容器的电极材料和电容体的介质材料以及导电胶等的热膨胀系数不同,且环氧树脂硬度大,在高强度的温度循环应力试验中, 造成导电胶与电容器端头或导电带的接触处出现贯穿性裂缝,导致电容器的电极端头与其下导电带之间的接触电阻变大甚至开路, 也可能导致电容器的电容变小等电参数超差的情况发生。脱落的主要失效机理是电容器端头电极发生氧化或清洗不干净,影响了
14、其粘接性能。4.3 导电带及其相关键合的失效4.3.1 由于在印刷导电带之前对基片清洗不当,在基片表面残留有机材料或烧结周期不正常,将造成厚膜导电带附着力不良。4.3.2 焊接时温度过高或时间过长,形成金属化合物。引起焊点键合强度下降或互连线导电性能不良。4.3.3 在组装外贴元件、 引出线式管座时, 或在使用中由于组装不合理或使用不当也可能造成键合的失效。4.3.4 当暴露于高温时 (150), 覆盖有焊料的厚膜导电带可能出现失去附着力、 电导率下降以及负载电流的能力随时间而下降的现象。4.3.5 由于导电带出现氧化或烧结不当、 烧结引起玻璃釉堆积或导电带烧结之后的其他烧结引起的恶化, 都将
15、会造成厚膜导电带的可焊性不良, 形成不良键合。4.3.6 含银的厚膜导电带容易发生银离子迁移,在环境潮湿和外加电场时, 银离子通过潮气层迁移, 造成间断的短路。4.4 衬底(已成膜基片)的失效与衬底有关的失效模式是开裂造成的突变性失效。基片的开裂可能是由下列原因所造成。例如:采用锡焊时带来的热冲击; 基片与封装材料和粘合剂或包封之间的粘接不正常; 基片与封装材料和粘合剂等热膨胀系数不匹配。另外,在清洗操作中, 若未能清除衬底表面上全部有机材料时,也可能造成厚膜材料对衬薄厚膜制造工艺第 7 页 共 9 页 底的粘附不良,从而导致粘接或键合不牢靠而引起失效。4.5 半导体芯片的失效除了半导体芯片本
16、身固有的失效因素之外,厚膜 H IC 还引入了一些新的失效因素。4.5.1 在厚膜 HIC 中需外贴多个 IC 芯片, 这就延长了芯片暴露于键合时高温下的时间。4.5.2 不同生产批次的芯片和不同生产厂家的芯片均可能安装在同一个基片上。这样,采用固定的键合等工艺加工条件就可能出现由于芯片的金属化层厚度、表面特性等变化而引起的键合质量问题。4.5.3 引线越长,造成键合线短路或其他因冲击、振动及恒定加速度等机械环境而引起的引线键合缺陷的机会就越多。 4.5.4 厚膜导电带的氧化也可能造成芯片粘结和引线键合的失效,等等。4.6 封装的失效HIC 的封装失效主要是密封不良,外部环境的水汽等浸入 ,使
17、元器件、 导电带等遭受腐蚀和绝缘电阻下降,从而造成电路性能恶化和失效。水汽浸入封装的途径主要是:4.6.1 金属壳盖板与底座之间的焊接缝;4.6.2 外引线与玻璃绝缘子之间接合处或外引出线与包封材料之间的接合处。针对上述不同的失效模式及其机理, 可通过采取相应的筛选试验项目和适当的试验条件, 诱发早期失效,提高产品的使用可靠性水平。5 进行针对性筛选试验淘汰缺陷产品为了消除从制造工艺引进的有潜在失效机理的产品,应进行质量检验与筛选试验。质量检验就是通过检验或一般的试验从生产线上减少有缺陷产品的数量。筛选试验就是通过施加应力办法剔除有潜在失效机理的产品并降低产品在使用环境下失效率的试验。为提高批产品的可靠性水平,针对厚膜 H IC 可能存在的失效机理, 应采取的筛选检测方法见表 1。薄厚膜制造工艺第 8 页 共 9 页 薄厚膜制造工艺第 9 页 共 9 页 参考文献：1李哲等. 电子元器件的可靠性.天津:天津大学出版社, 1991.2郑福元等. 厚膜混合集成电路设计、 制造和应用.北京:科学出版社 , 1984 .3田耀亭. 国产二次集成电路的主要失效模式. 电子产品可靠性与环境试验 , 1997( 4): 22- 24 .
