电子产品可靠性试验及失效分析论.doc

毕业设计报告 论文 报告 论文 题目 电子产品可靠性试验 及失效分析 作者所在系部 电子工程系 作者所在专业 电子工艺与管理 作者所在班级 10252 作 者 姓 名 作 者 学 号 指导教师姓名 完 成 时 间 2013 年 6 月 6 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院电子工程系 毕业设计 论文 任务书 姓 名 专 业 电子工艺与管 理 班 级 10252 学号 指导教师 职 称 讲师 完成时间 2013年 6月 6日 毕业设计 论文 题目 电子产品可靠性试验及失效分析 设计目标 通过芯片的可靠性试验和失效分析 帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷 工艺参数的不匹配 或设计与操作中的不当等问题 技术要求 1 能够确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量 2 通过失效分析得到正确的分析结果 找到失效产生的根源 3 进行封装失效的研究 提高产品的可靠性 所需仪器设备 计算机一台 金相显微镜 分析探针台 成果验收形式 试工日志 毕业论文 参考文献 电子元器件失效分析技术 可靠性分析在新产品研发中的作用 可靠性工程概述 1 5周 6 周 立题论证 3 9周 13 周 试工日志时间 安排 2 7周 8 周 论文总结 4 14周 16 周 成果验收 指导教师 教研室主任 系主任 摘 要 电子信息技术是当今新技术革命的核心 其技术基础是电子元器件 其中大部分的 是微电子器件 而可靠性就是 IC 产品的生命 好的品质及使用的耐力是一颗优秀 IC 产 品的竞争力所在 在做产品验证时我们往往会遇到三个问题 验证什么 如何去验证 哪里去验证 验证后的结果分析 如何进行提高 解决了这些问题 可靠性就有了保证 制造商才可以大量地将产品推向市场 客户才可以放心地使用产品 与此同时 集成电路在研制 生产和使用过程中失效又不可避免 随着人们对产品 质量和可靠性要求的不断提高 失效分析工作也显得越来越重要 通过芯片失效分析 可以帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷 工艺参数的不匹配或设计与操作中的不 当等问题 关键词 电子产品 可靠性 芯片封装 失效分析 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 产品可靠性与封装失效 1 1 1 1 电子产品可靠性 1 1 1 2 芯片封装失效 1 1 2 电子产品可靠性试验的目的 1 1 3 失效分析概述及发展现状 2 第 2 章 电子产品的可靠性试验 4 2 1 电子产品的可靠性指标 4 2 2 可靠性试验的特点和分类 4 2 3 可靠性测试内容 5 2 4 可靠性试验方案的设计 5 2 4 1 试验类型的选择 5 2 4 2 环境条件及应力的确定 6 2 4 3 统计试验方案的参数确定 6 2 5 可靠性试验的数据分析与处理 7 2 5 1 可靠性试验的数据分析方法 7 2 5 2 电子设备产品可靠性试验数据的处理 7 第 3 章 芯片封装的失效分析 8 3 1 失效的分类 8 3 2 芯片失效分析的主要步骤和内容 9 3 3 封装失效分析的流程 10 3 4 失效分析中的破坏性物理分析和显微分析方法 11 3 4 1 破坏性物理分析 11 3 4 2 常用的显微分析技术 12 3 5 芯片封装失效分析的意义 15 第 4 章 结论 17 致 谢 18 参考文献 19 附 录 20 电子产品可靠性试验及失效分析 第 1 章 绪论 1 1 产品可靠性与封装失效 1 1 1 电子产品可靠性 随着电子技术的发展 我们对电子设备产品也提出了更高的要求 由于设备技术性 能和结构要求等方面的提高 可靠性问题愈显突出 如果没有可靠性保证 高性能指标 是没有任何意义的 现代用户买产品就是买可靠性 对生产厂家来说 可靠性就是信誉 就是市场 就是经济效益 从整机来讲 可靠性贯穿于设计 生产 管理中 从部件 元器件的角度来讲 电子元器件的可靠性水平决定了整机的可靠性程度 可靠性属于质量的范畴 是产品质量的时间函数 从基本概念上讲 可靠性指标与 质量的性能指标所强调的内容是不同的 可靠性的基本概念与时间有关 这些基本概念 的具体化 就是产品故障或寿命特征的数学模型化 只有通过可靠性试验才能确定产品 故障或寿命特征符合哪一种数学分布 才可以决定产品的可靠性指标 进而推算产品的 可靠程度 1 1 2 芯片封装失效 目前微电子产业已经相对独立为设计 制造 封装这三个方面 在这三方面中 封 装占了大约 25 35 的比重 并且随着微电子产业的发展 占的比重越来越大 在这 些元器件流向市场 并到最终运用过程中 封装起着巨大的作用 输入输出互连 保护 和散热都是这些作用中的一部分 封装用的材料众多 材料与材料之间的性能也各有差 异 这些性能的失配将在使用过程中产生各种应力 并导致元器件的相关封装失效 在 目前微电子产业中 元器件的失效至少有 1 3 都是由封装引起的 随微电子产业的发展 元器件朝着高密度化 轻型化 小型化 薄型化的方向发展 封装中常见的一些失效使 封装就成为这个发展的瓶颈 了解这些封装失效的原理和分类 对进行封装失效的研究 提高产品的可靠性是很有帮助的 1 2 电子产品可靠性试验的目的 可靠性试验是对产品进行可靠性调查 分析和评价的一种手段 试验结果为故障分 析 研究采取的纠正措施 判断产品是否达到指标要求提供依据 具体目的有 1 发现产品的设计 元器件 零部件 原材料和工艺等方面的各种缺陷 2 为改善产品的完好性 提高任务成功性 减少维修人力费用和保障费用提供信息 3 确认是否符合可靠性定量要求 为实现上述目的 根据情况可进行试验室试验或现场试验 试验室试验是通过一定方式的模拟试验 试验剖面要尽量符合使用的环境剖面 但 不受场地的制约 可在产品研制 开发 生产 使用的各个阶段进行 具有环境应力的 典型性 数据测量的准确性 记录的完整性等特点 通过试验可以不断地加深对产品可 靠性的认识 并可为改进产品可靠性提供依据和验证 现场试验是产品在使用现场的试验 试验剖面真实但不受控 因而不具有典型性 因此 必须记录分析现场的环境条件 测量 故障 维修等因素的影响 即便如此 要 从现场试验中获得及时的可靠性评价信息仍然困难 除非用若干台设备置于现场使用直 至用坏 忠实记录故障信息后才有可能确切地评价其可靠性 当系统规模庞大 在试验 室难以进行试验时 则样机及小批产品的现场可靠性试验有重要意义 1 3 失效分析概述及发展现状 失效分析 作为可靠性技术的重要组成部分 伴随集成电路的出现而已经存在很多 年了 现在 国外的失效分析技术已经很成熟 国内的失效分析起步较晚 于 20 世纪 50 年代开始于军事方面的研究需求 运用范围比较窄 于 70 年代开始 我国的失效分析开始 进入实践阶段 运用于航空航天领域的失效研究 80 年代我国的失效分析研究取得了长足 的进步 进入民用集成电路 扩大了运用范围 并相继制定了一系列相关的失效标准 自封装在国内发展以来 我国素有 世界封装工厂 之称 但是纵观国内每年封装 排名前十的企业中 大多是外资或者合资企业 真正的本土产业少 而从封装的产品的 形式来看 多数是 DIP 等分立器件的封装 而真正的 BGA CSP 等大型集成电路的封装 少 从产品的寿命和质量上看 比国外和国内的外资企业封装的产品要差 据调查法国 的 SGS THOMSON 公司可靠器件生产线封装时 公司的水汽含量内控标准是 30ppm 实测值是 2ppm 国内调查了 20 个为卫星提供半导体器件的国内可靠性厂 有 1 3 的生 产厂不做内部水汽含量控制 这些容易导致器件在使用过程失效 国内产业在失效分析 力度的不够是造成这些的原因之一 国内的失效分析 就失效分析设备的硬件水平来说 大多数硬件属于比较老式的分析仪器 少数研究所采用了较先进的分析仪器 但是毕竟 没有大规模的运用 这样就限制了国内整体的失效分析的水平 在未来的新的失效分析 设备的开发上 国内也落后于国外 例如 SEM SAM 等这样常用的分析设备 基本上还 是靠国外进口 在失效分析管理上来说 国外很早就建立各种器件失效和可靠性的相关 标准来对器件的可靠性进行严格的保证 并且对每次进行的失效分析和所获得的相关失 效模式 失效原因等都进行系统化管理 建立了庞大的失效分析数据库 而国内同样也 建立一些失效和可靠性的相关标准 但是在失效管理上没有达到国外的水平 系统化 网络化也只是处于发展初期 失效分析软件作为失效分析的一种主要的辅助工具 也代 表了失效分析的发展水平 国外的失效分析起步比较早 现在发展到比较成熟的阶段 有很多软件开发公司 各种应力分析软件 可靠性预测软件等品种繁多 国内的这方面 起步比较晚 主要是靠进口国外的失效分析软件 并进行了一些自主开发 在国外各种 可靠性和失效的学术交流进行很活跃 例如国际可靠性物理会议及国际可靠性与可维修 性会议每年进行一次 就国内来说 随着我国失效分析技术的发展 相关的国际会议在 我国的陆续的进行 国内的学术交流也在逐渐的形成一个良好的氛围 但是仍然处于初 步发展阶段 在集成电路不断发展 电路的集成度的不断提高 工艺的线宽不断减小的今天 器 件的缺陷会变得的更小 达到纳米的数量级 新的封装新式的出现 倒装片要求非破坏 性和背部探伤的失效分析技术的发展与完善 新的工艺材料和封装材料的引入 会引入 新的失效和缺陷等等 在未来发展的过程中 无论是失效根源的查找 还是失效的预防 还是可靠性设计方面 要真正的发展我国的封装产业 并建立 世界封装厂 失效分析 技术扮演的角色越来越重要 第 2 章 电子产品的可靠性试验 2 1 电子产品的可靠性指标 大量统计资料证明 电子设备产品的失效分布一般服从指数分布 从电子设备产品 及许多电子元器件的失效机理来看 随着时间的足够长 失效率趋近于一个稳定值 其 基本特征可以用指数函数的曲线相比拟 即服从指数分布 因此电子设备产品的可靠性 指标有 可靠度 R t teR 累积失效概率 Ftett 1 失效密度函数 f tftt 平均故障间隔时间 MTBF 由上可看出在指数分布时产品的可靠性指标表示式比较简单 并且失效率 是一个 常数 在进行电子设备产品可靠性分析时 只要得到 的数值 其它指标就可以直接算 出来 2 2 可靠性试验的特点和分类 电子设备产品的可靠性指标是一些综合性 统计性的指标 与质量性能指标完全不 同 不可能用仪表 仪器或其它手段得到结果 而是要通过试验 从试验的过程中取得 必要的数据 然后通过数据分析 处理才能得到可靠性指标的统计量 可靠性指标的实 现主要依靠现场试验或模拟现场条件试验 所以可靠性试验不同于一般设备的性能试验 从广义上讲 为了了解 评价 分析和提高电子设备产品的可靠性水平而进行的试验 可以用来确定电子设备产品在各种环境条件下工作或贮存的可靠性的特征量 一般说电 子设备产品的可靠性试验可以分为研制阶段的试验 可靠性验收试验 可靠性增长试验 元器件老炼试验 极限试验 负荷及过负荷试验 过载能力试验等 这类试验的目的是 了解设计是否满足了可靠性指标的要求 找出或排除设计与制造过程中的缺限和不足 1MTBF 证明设计可靠性能否实现 因而可靠性试验可以根据设备研制过程中的不同阶段 不同 要求进行各种不同的试验 对于不同的电子设备产品 所要达到的目的不同 可以进行 的可靠性试验形式也就各异 因此可靠性试验对于电子设备产品来说是一个系统工程 电子设备产品的可靠性试验可以归纳为以下几大类型 如图 2 1 所示 图 2 1 可靠性试验的类型 2 3 可靠性测试内容 可靠性测试应该在可靠性设计之后 但目前我国的可靠性工作主要还是在测试阶段 这里将测试放在前面 为了测得产品的可靠度 也就是为了测出产品的 MTBF 我们需 要拿出一定的样品 做较长时间的运行测试 找出每个样品的失效时间 根据第一节的 公式计算出 MTBF 当然样品数量越多 测试结果就越准确 但是 这样的理想测试实 际上是不可能的 因为对这种测试而言 要等到最后一个样品出现故障 需要的测试 时间长得无法想象 要所有样品都出现故障 需要的成本高得无法想象 为了测试可 靠性 这里介绍 加速测试 使缺陷迅速显现 经过大量专家 长时间的统计 找到了 一些增加应力的方法 转化成一些测试的项目 如果产品经过这些项目的测试 依然没 有明显的缺陷 就说明产品的可靠性至少可以达到某一水平 经过换算可以计算出 MTBF 2 4 可靠性试验方案的设计 电子设备产品可靠性试验计划的基本内容应含有 1 试验的目的和要求 2 试验样机数量 3 试验条件 环境 维修等 4 试验类型的确定和统计试验方案 的选择 5 判断方法 失效判据 故障判据等等 这里需要指出的是样机数量 对于 可靠性统计试验 可靠性验收试验 接受批 模拟环境试验 自然放置试验 环境引力试验 全数 可靠性工程试验 寿命试验 模拟试验 全寿命 破坏性试验 环境试验 可靠性鉴定试验 评价 可靠性增长试验 TAAF 循 环非破坏性试验 可靠性试验 可靠性增长试验 试验样机多一些是必要的 对鉴定和接收试验来说 样机多一些可以 提高试验结果的置信度 一般鉴定试验不足三台则全数试验 接收试验不得少于 3 台 推荐样机数量为每批设备的 10 总之可靠性试验方案要根据电子设备产品的实际使用 条件和故障特征选择合适的试验方案 2 4 1 试验类型的选择 1 老产品已生产多年 未进行可靠性设计 现产品的生命力较强 需要继续生产 可选择可靠性测定试验 测出设备的 MTBF 验证值 同时根据暴露的问题采取措施 提 高产品的可靠性 2 新产品处于设计试制阶段 可通过可靠性试验暴露产品中的薄弱环节 以便采取 改进措施 提高产品的固有可靠性 可选择可靠性增长试验 3 新产品设计定型 生产定型和产品创优 可选择可靠性鉴定试验 一般情况下选 用定时截尾或定数截尾试验方案 以对产品的 MTBF 真值作出估计 4 根据供需双方鉴定的合同规定 需要对产品的 MTBF 真值作验证的 可选择可 靠性验收试验 采用定时截尾或定数截尾试验方案 若供需双方鉴定的合同规定 只要 通过了系统试验方案就可交货 不需对产品的 MTBF 真值作出估计 可选用概率比序试 验方案 这种情况特别适用单台大型电子设备产品 2 4 2 环境条件及应力的确定 根据使用方向生产方提供的电子设备产品任务书或供需双方签订的合同 搞清电子 设备产品在工作时所处的环境条件及给予它的应力 如果无特殊要求 应按电子设备产 品总技术条件要求 在试验室模拟进行 一般情况下可采用图 2 2 所加的应力及循环方 式 图 2 2 电子设备可靠性试验方案所加的应力及循环方式 2 4 3 统计试验方案的参数确定 1 0 可接收的 MTBF 值 的确定 0 应小于等于 是按照电子设备产品所处的 环境条件和应力 用可靠性预计方法确定的 MTBF 值 0 确定之后 根据选择的鉴别 比 Dm Dm 0 1 就可以计算出 1 1 指最低可接受的 MTBF 值 2 生产方风险率 使用方风险率 的选择 一般情况下 供需双方签订的合同 包括协议书 已定的可按合同执行 如果合同无规定 或是生产厂家自行验证 一般 情况下可选择 0 2 0 3 高风险可选择 0 3 0 4 3 试验时间 t 的选择 除与 有关外 主要取决于电子设备产品属于何种类型 该设备能否长时间进行可靠性试验 试验费用的大小 2 5 可靠性试验的数据分析与处理 2 5 1 可靠性试验的数据分析方法 可靠性试验的数据分析的基础就是产品寿命分布函数及参量之间的关系 例如故障 与应力 电 热 振动 温度等 的对应关系 故障与产品早期性能变化的规律等 这 些包含有两个变量的数据 在分析时就可用相关及回归分析方法 或用最小二乘法 从 试验中取得的数据 可以制成各种图 如直方图 拆线图等 拟合成直线 曲线用以确 定产品故障 寿命 的数学模型 由模型就可写出其可靠性指标 最后推算出该产品的 可靠性参数值 2 5 2 电子设备产品可靠性试验数据的处理 可靠性试验的数据是一些实际的 多因素的信息集体 对于电子设备产品来说 试 验的目的不同 所需采集的数据种类就不同 因此要用试验的观测值来估计设备的可靠 性特征值 这是电子设备产品可靠性试验数据处理的关键 我们知道 MTBF 是衡量电子 产品可靠性的一个重要指标 并且检验下限应等于电子设备产品最低可接受的 MTBF 实际工作中常采用观测值的点估 计即 rT r 式中 为 MTBF 电子设备产品 观测点估计值 T 为电子设备产品试验时间总 和 r 为电子设备产品在试验中的故障次数 第 3 章 芯片封装的失效分析 3 1 失效的分类 在电子元器件的失效物理与失效分析中 常用的失效类型有以下几种 1 从失效率浴盆曲线区分 在大量电子元器件的使用及试验中 获得了大量失效率 t 元器件在 t 时刻尚未失 效 在 t 时刻后的单位时间内发生失效的概率 和时间的关系曲线 因其形状像浴盆故得 名为浴盆曲线 如图 3 1 所示 就是浴盆曲线的图片 早期失效是浴盆曲线的盆边 失 效率较高 早期失效的失效因素较简单 有一定的普遍性 不同批次 不同晶体 不同 工艺的元器件其早期失效的延续时间 失效比例是不同的 严格的工艺操作和工序检验 可以减少这个阶段的失效 给予适当的应力 进行合理的筛选 可使元器件在正式使用 时早把早期失效的元器件剔除掉 使元器件的失效率达到或接近偶然失效的较高可靠性 水平 这也是元器件生产厂及使用方进行例行筛选试验的目的 显然试验时间过长 施 加应力过大 又会损坏元器件的平均寿命 元器件失效的平均时间 浴盆曲线的盆底平坦段是偶然失效阶段 此阶段失效率低且变化不大 近似为常数 是元器件较好的使用期 偶然失效时电子元器件中多种不很严格的偶然失效因素发生的 失效 耗损失效时电子元器件由于老化 磨损 损耗 疲劳等带有一定全局性的原因造成 的失效 此时元器件进入严重的损伤期 失效率随时间的延续而明显上升 图 3 1 浴盆曲线 2 失效按性质及性质变化区分 1 致命失效 致命失效是指电子元器件完全丧失规定功能而无法恢复的一类失效 例如 膜电容器或 MOS 电容器的瞬时电击穿 导致极间形成短路 使电容器完全丧失功能且 不能恢复 2 漂移性失效 元器件的一个或某些基本参数发生漂移 退化性变化超过规定值 以致不能 完成规定功能的失效 如电阻器的阻值变化超过允许范围 半导体器件反向漏电流超差 连接器或开关等接插件的接触不良 在规模集成电路中 MOSFET 的阀值电压退化等 3 间竭失效 元器件在使用或试验过程中呈现出时好时坏的一类失效 如 元器件的封壳内混有 导电性的多与无颗粒及表面的沾污会引起瞬时的断路 元器件的接点虚焊也会引起 间竭失效 3 失效的起源和失效的场合 1 人为失效 属于人为的使用 操作所引起的元器件失效 其中使用失效时在元器件使用时由于 超过其规定能承受的应力所引起的失效 而误操作失效是由于错误或不小心操作而 发生的失效 例如 使用时加在器件上的正负电极接错属于无操作 由此引起失效 为误操作失效 也就是人为失效 又如 加在元器件上电负荷超过规定引起失效属 误用失效 也属于人为失效 2 现场失效 元器件在现场使用或工作时发生的失效 3 试验失效 元器件在施加一定应力条件的试验时引起的失效 4 失效的关联性 在失效分析时 区别非关联失效和关联失效是很重要的 在分析失效的成因及元器 件 在可靠性的改进措施中 必须将这两类失效区分开来 1 非关联失效或独立失效 它们是按失效是否与系统中其他器件的影响有关而区分的 非关联 独立 失效是元 器件失效是元器件失效 由其本身原因造成 和系统中其他元器件 部件等的影响 无关 例如 电容器在规定的工作条件和时间内因电解质的烧化引起电解老化失效 2 关联失效或从属失效 元器件的失效是其他部件先失效而引起的一种连带失效 例如 电容器本身工作没 有失效 但因电路中其他部分的失效 如稳压部分失效 引起加在电容器上的两端 电压大大超过其额定值以致产生击穿失效 这种电容器失效是关联失效或称从属失 效 3 2 芯片失效分析的主要步骤和内容 1 芯片开封 去除 IC 封胶 同时保持芯片功能的完整无损 保持 die bond pads bond wires 乃至 lead frame 不受损伤 为下一步芯片失效分析试验做准备 2 SEM 扫描电镜 EDX 成分分析 包括材料结构分析 缺陷观察 元素组成常规微 区分析 精确测量元器件尺寸等等 3 探针测试 以微探针快捷方便地获取 IC 内部电信号 镭射切割 以微激光束切 断线路或芯片上层特定区域 4 EMMI 侦测 EMMI 微光显微镜是一种效率极高的失效分析工具 提供高灵敏度 非破坏性的故障定位方式 可侦测和定位非常微弱的发光 可见光及近红外光 由此捕 捉各种元件缺陷或异常所产生的漏电流可见光 5 OBIRCH 应用 镭射光束诱发阻抗值变化测试 OBIRCH 常用于芯片内部高 阻抗及低阻抗分析 线路漏电路径分析 利用 OBIRCH 方法 可以有效地对电路中缺陷 定位 如线条中的空洞 通孔下的空洞 通孔底部高阻区等 也能有效的检测短路或漏 电 是发光显微技术的有力补充 6 LG 液晶热点侦测 利用液晶感测到 IC 漏电处分子排列重组 在显微镜下呈现 出不同于其它区域的斑状影像 找寻在实际分析中困扰设计人员的漏电区域 超过 10mA 之故障点 7 定点 非定点芯片研磨 移除植于液晶驱动芯片 Pad 上的金凸块 保持 Pad 完 好无损 以利后续分析或 rebonding 8 X Ray 无损侦测 检测 IC 封装中的各种缺陷如层剥离 爆裂 空洞以及打线的 完整性 PCB 制程中可能存在的缺陷如对齐不良或桥接 开路 短路或不正常连接的缺 陷 封装中的锡球完整性 9 SAM SAT 超声波探伤可对 IC 封装内部结构进行非破坏性检测 有效检出因水 气或热能所造成的各种破坏如 晶元面脱层 锡球 晶元或填胶中的裂缝 封装材料内 部的气孔 各种孔洞如晶元接合面 锡球 填胶等处的孔洞 3 3 封装失效分析的流程 为了提高微电子产品的可靠性 就应研究生产封装失效的原因 通过失效模式的确 定 深入分析失效的机理 讨论并提出防止失效的方法 所以失效分析的一般路程 1 数据的收集与分析 在完成现场失效数据收集报告和使用者报告后 从失效元器 件所处的产品的使用环境 工作条件 及它与产品中其他组件的功能联系 较准确的判 断失效根源所在 2 失效现象的观察和判定 在确定是元器件本身失效问题后 根据观察到的现象 包括失效部位 颜色 大小 形状等 判定失效的可能部位和原因 明确要详细分析的 目的 3 假定失效机理 由失效现象出发 结合元器件的基本理论 材料至工艺的特征 基于失效物理和失效分析事例及经验 对若干失效原因 提出失效机理的假定 4 失效机理的认定和验证 按照失效分析程序 从外部分析到内部分析 同时进行 事宜的非破坏性检测到半破坏性检测至全破坏性检测和分析 适用时还可以进行一些理 论分析项目 X 射线形貌分析 各种电子和红外的显微分析等 因元器件的技术领域不 同有所侧重 可根据假定的失效机理采用必要的分析仪器 最终认定并验证失效的机理 3 4 失效分析中的破坏性物理分析和显微分析方法 集成电路产的另外一个名字是微电子 从这点可以看出集成电路是在很小的尺寸上 进行产生的 短短十年之间 微电子器件的尺寸从原来的微米量级逐步缩小 到亚微米 深亚微米 再到今天的纳米量级 随之变化是器件中的缺陷尺寸也逐步缩小 因此 开 展电子元器件封装失效分析必须具备一定的测试方法和分析仪器 各种测试方法和分析 仪器都有其性能特点 如功能 应用范围和灵敏度等 根据封装失效分分析的需要和要 求 选用适当的方法和仪器 充分利用其特点进行失效分析才能得到正确的分析结果 找到失效产生的根源 3 4 1 破坏性物理分析 破坏性物理分析简称 DPA DPA Destructive Physical Analysis 又叫良品分析 是 指为了验证电子元器件的涉及 结构 材料 制造的质量和工艺情况是否满足预定用途 或有关规范的要求 以及是否满足元器件规定的可靠性和保障性 对元器件样品进行解 剖 以及在解剖前后进行一系列检验和分析的全过程 DPA 分析是顺应电子系统对元器 件可靠性要求越来越高的需求而发展起来的一种本着提高元器件质量 预防可能出现的 失效 保障电子系统的可靠性为目的的重要技术手段 七十年代 美国航空 航天领域在所使用的元器件中首先采用 DPA 分析这项技术 形成了 DPA 分析的初步分析方法 并大幅度的提高了航空和航天领域发射的的成功率 这项分析技术很快的扩散到其他国家 一些电子产业发达的国家早就建立了相关的分析 标准 并经过十几年的发展 已经发展到很成熟的阶段 我国固内从事 DPA 分析是从八 十年代航天等工程部门开始的 九十年代起 一方面 DPA 研究已经比较深入 对半导体 分立器件 集成电路 混合电路等已经掌握应用技术 另一方面 在工程管理中逐渐建 立了 DPA 观念 并已经在一些重要工程中开始实际运用 然而 国内的 DPA 分析仍局 限于少数行业 没有给予足够的重视 造成国内元器件的质量水平仍然较低 失效出现 频繁 因此 加强国内的 DPA 分析技术的研究 发展 推广和管理 对开展封装失效分 析 提出改进措施 提高元器件的质量和可靠性来说具有很具有显示意义的 破坏性物理分析法作为一种强有力的失效分析方法 对器件也存在破坏性 进入破 坏性分析法阶段 根据情况不同作为试件就可能丧失形状 对器件带来无法修补的破坏 所以应该在充分考虑之后再进行此分析 破坏的方法有 1 为了使试件内部露出而制作断面 需要进行开封 浇注 磨削或切断 研磨几个 过程 2 为了鉴定试件的构成材料而进行化学分析和仪器分析 3 试件分析部分的化学腐蚀 用化学药品腐蚀溶解金属 并进行精密加工的技术 4 试件所用材料的机械强度试验等 用拉伸装置 硬度计等各种装置测试试件构成 材料的拉伸强度 压缩 弯曲 剪切 剥离等 研究疲劳的机理和耐久性的极限 3 4 2 常用的显微分析技术 1 光学显微镜分析技术 光学显微镜是进行电子元器件 集成电路失效分析的主要工具之一 在失效分析中 使用的显微镜主要有立体显微镜和金相显微镜 立体显微镜大放大倍数较低 从几倍到 上百倍都有 但景深大 金相显微镜的放大倍数较高 从几十倍到一千多倍 但景深较 小 立体显微镜的放大倍数是连续可调的 而金相显微镜可通过变化不同倍数物镜来改 变放大倍数 以适应观察不同倍数的需要 立体显微镜和金相显微镜的结合使用 可以 用来进行器件的外观以及失效部位的表面形状 分布 尺寸 组织 结构 缺陷和应力 等观察 如观察分析芯片的过电应力下的各种烧毁与击穿现象 引线内外键合情况 芯 片裂纹 沾污 划伤 氧化层缺陷及金属层腐蚀情况等 如图 3 2 所示为一光学显微镜 和用它观察的芯片裂纹情况 图中箭头所示 图 3 2 光学显微镜和芯片裂纹情况 2 红外显微镜分析技术 红外显微镜的结构与金相显微镜的结构相似 但是红外显微镜采用近红外 波长在 0 75 3 m 辐射源作光源 并用红外变像管成像进行观察的红外显微镜分析技术 由锗 硅等半导体材料及薄金属层对近红外光是透明的 所以红外显微镜具有金相显微镜无法 比拟的优点 利用红外显微镜 不用剖切器件的芯片就能观察芯片内部的缺陷和芯片的 焊接情况 红外显微镜特别适合于塑料封装半导体的失效分析 红外显微分析法是利用红外显微分析技术对微电子器件的微小面积进行高精度非接 触测温方法 器件的工作情况以及失效会通过热效应反应出来 例如器件的设计不当 材料缺陷 工艺差错等都会造成器件内部的温度不均匀 局部小区域温度比平均温度高 的多 这种热集中直接影响器件的安全使用和寿命 对于大规模集成电路 热点可以小 到几十微米 甚至更小 所以测温必须是微小面积 而且 为了不破坏器件的工作状况 和电学性能 测温又必须是非接触式的 找出这些热点 并用非接触式的方法高精度的 测温 对产品的合理设计 制造工艺的工程控制 失效分析可靠性检验等 都具有十分 重要的意义 微电子器件微小目标本身的热辐射由主反射镜和次反射镜收集 并聚集到红外探测 器上 红外探测器把接收到的辐射能转化为电信号 把探测器输出的电信号加工处理 最后就能指示出该微小点的温度 光学分为两个通道 由分色片分开 分色片通过红外 光 而把可见光反射到目镜系统 以便对器件的微小目标进行肉眼观察 基准光源和光 敏管构成基准信号产生器 使电路能采用相敏检波 从而提高系统性能 利用红外显微 镜从塑封半导体器件的背面 透过硅衬底 观察芯片表面 这样就会触及芯片的表面 也会存在热应力和机械应力的问题 因而不会引入新的失效模式 克服解剖技术给失效 分析带来的困难 此外 从样品背面也能观察到键合点界面的情况 如观察金铝键合的 界面或键合点下的氧化层及硅衬底中的缺陷 如图 3 3 所示为一红外分析仪器和小空洞 的红外成像图片 图 3 3 红外分析仪器和空洞的红外成像图片 3 SEM 和 EDX 扫描电镜 Scanning Electron Microscope SEM 其工作原理与电视相似 从电子枪 发出的电子束 经聚光镜和物镜的作用 是束斑缩小并形成聚焦良好的电子束 在扫描 线圈的磁场作用下 入射到试样表面并在表面按一定的时间 空间顺序作光栅式二维逐点 扫描 入射电子与固体电子表面相互作用产生的二次电子等信号 由在试样旁边的监测 器接收 所带信息送入视频放大器放大 然后加到显像管的栅极上 以控制显像管的亮 度 由于显像管的偏转线圈和电镜镜筒中扫描电流是严格同步的 所以由检测器对样品 表面逐点检测的信息与显像管管上的相应点的亮度是一一对应的 从而在荧光屏上产生 放大了的试样表面的图像 供研究和照相用 如图 3 4 所示为以 SEM 和其观察到的引线 键合金属间化合物形态 电子探针 X 射线显微分析技术 又称电子探针 它主要运用特征 X 射线来进行成分 分析 其特点是聚焦好 具有一定能量的电子束照射到样品上 样品中各 图 3 4 扫描电子显微镜以及 IMC 形态 种组成因受激发而发射各自的特征 X 射线 通过特征 X 射线可以精确的确定元素的种类 测定这些 X 射线的频率的高低与强度 就可以进行试样成分的定量或定性描述 所以又 称 X 射线发射频谱 XES 分析 其工作原理与 SEM 相近 仅利用电子束产生的不同信 息 所以电子探针多以电镜的附件方式出现 使 SEM 不仅可以进行表观的形貌分析 还可以同时进行微区成分分析 提高其利用价值 按探测的能量谱和 X 射线波长衍射谱 的两种方法 X 射线谱仪包括 X 射线能量色散谱 EDX 或 EDS 仪和 X 射线波长衍射谱 WDX 或 WDS 仪 EDX 利用元素的原子结构不同 特征 X 射线的波长也不同 按其 能量展开得到能谱图 能谱仪具有分析速度快 可做定量计算 还可以选择不同的方式 进行分析 既可以选点 线及区域进行分析 还可以作不同元素的面分布图 可在束流 低 束斑小的条件下工作 空间分辨率好 但不及波谱图 也不能分析比 Na 离子轻的 元素 WDX 是根据布拉格定律通过衍射晶体把从样品上激发出来的某一波长的特征 X 射线检测出来的 不仅能检测轻元素 而且检测灵敏度一般比 EDX 高出一个数量级 不足的是检测速度比 EDX 慢 而且受分光器数目的的限制 很难同时检测多个元素 几乎是逐个分别进行的 具体比较如表 3 1 所示 表 3 1 能谱分析与波谱分析的比较 能谱分析 波谱分析 试样全组分检测时间 检测效率 几分钟 接近 100 几十分钟 较低 谱峰识别 试样位置对接收强度的影响 角度分布 常用脉冲计数率 简单 较小 大 1500 3000 次 秒 复杂 较大 很大 3000 20000 秒 几何接收率 能量分布率 一般 0 2 约 135eV 2 约 10eV 空间几何分布率 检测极限 1 m 3 0 1 大于 1 m 3 0 01 定量分析精度 检测元素的范围 5 10 B5 U92 无铍窗口也能检测 Be 1 2 Be4 U92 图 3 5 焊料中两个不同区域的元素分布图 4 声学扫描显微分析技术 超声波可以在传导波的金属 陶瓷和塑料等均质材料中传播 使用高频声波束可检 测材料表面和表面下的断裂处 可检测材料多层结构完整性等较宏观的缺陷 超声波检 测在重工业中早有运用 它是很有效的检测缺陷 进行失效分析的有效工具之一 将超 声波检测技术与先进的光 机 电技术相融合 发展声学扫描显微分析技术 声学显微镜已成为无损检测技术中发展最快的技术之一 这种新技术在检测材料的 性能 内部缺陷方面具有其他技术无法比拟的优点 它能观察到光学显微镜无法透视的 样品内部区域 能提供 X 射线透视无法看到的高衬度区 特别能适应用于不适合使用破 坏性物理分析的场合 有三种不同的声学扫描显微镜 扫描激光声学显微镜 Scanning Laser Acoustic 方 法性 能 Spectrum 1 Spectrum 2 Microscope SLAM 扫描声学显微镜 Scanning Acoustic Microscope SAM C 型扫 描声学显微镜 C Mode Scanning Acoustic Microscope C SAM SALM 是一种透射式 的声学扫描显微镜 工作速度较快 能以每秒 30 幅的速度在高分辨率的荧光屏上显示样 品的 实时 像 能观察到样品内的所有区域 主要用于管芯粘结 引线键合 材料多 层结构完整性等检测 C SAM 是一种反射式扫描声学显微镜 能观察到表面下几毫米 的区域 如图 3 5 所示为一声学扫描显微镜和其观察到的分层想象 3 5 芯片封装失效分析的意义 电子元器件的失效是指产品不能正常的工作或者工作时的电学性能和物理参数不能 达到预期的标准 它与器件的可靠性是一对相对的概念 产品的失效按不同的划分标准 分可以分为很多种 虽然失效的种类很多 但是他们的共同之处就是影响器件的正常使 用 特别是现阶段的集成电路产业中 一个器件就可能集成上百万 千万个晶体管 而 一个微小的晶体管的失效就可以造成器件的损坏 更严重的是影响系统的正常工作 对 于民用塑封集成电路来说 失效降低了器件的可靠性 从而可以导致成本的上升和市场 竞争力的下降 对于可靠性要求严格的军用和航天集成电路来说 失效可以导致的导弹 或者火箭轨迹误差 误爆等灾难 造成的经济上的损失更大 因此 对失效原因的查找 也就是失效分析 是必须进行的环节 现在集成电路产业中 一个器件从设计的流向市场 要经历工艺生产 硅片级测试 封装 老化测试等环节 而每个大环节中又包括许多的小环节 并且在整个流程中所涉 及的学科范围很广泛 包括物理 化学 机械 自动化 材料等 这些环节都是串行下 去的 因此如果一个小环节出现问题 无论人为因素还是非人为因素都能导致这条生产 线上的器件出现失效问题 这就无形中增加了器件的成本 从质量上和价格上降低产品 的市场竞争力 例如有人估计 90nm 器件的一套掩模成本可能超过 130 万美元 因此器 件缺陷造成的损失代价极为高昂 对器件的失效分析 就是为了找出哪一个环节出现的 问题并导致的失效 由于一块器件最终形成涉及到很多学科 因此失效分析也是各种学 科综合运用的过程 失效分析是通过对失效器件进行各种测试和物理 化学等试验 确 定器件的失效模式 失效模式确定的越具体和越准确 对失效原因诊断的准确性和改进 措施制定的针对性就越有指导价值 通过失效分析 特别是对现场使用的失效器件的分析 可以发现生产和管理上存在 的许多技术方面的问题 通过对这些问题的反馈 一方面为产品试验提供理论依据和试 验分析手段 另外一方面为技术部门 制造部门 质量管理部门 维修部门提供及时的 科学依据 使生产技术得到改进 最终达到消除失效 提高生产和封装工艺水平 提高 材料质量 同时提高器件的可靠性 减少器件流向市场的缺陷和时间 提高产品的经济 价值和市场竞争力的目的 良好的失效分析 不应该停留在 售后服务 的形式上 而应该贯穿于产品的开发 制造和销售的全过程 它除了找出已发生的失效的原因并提出改进措施外 还应该提出 有可能出现的新的失效 并提出相应的预防措施 为可靠性设计与新产品的研发提供先 决条件 失效工作也应该是系统化全方面 建立失效分析数据库 将发生过的和预测中 的失效模式 失效机理以及改进措施集中起来 这样一旦遇到相关或者相似的失效 就 可以缩短失效分析和问题解决得时间 在集成电路产业化 特别是塑封商业化的今天 这一点时间就决定了产品的成本和市场竞争力 失效是集成电路产业的必然结果 在随着集成度的不断提高和工艺线宽的不断缩小 而出现新的失效 随着封装过程中所用的材料和封装形式的更新 而发生新的变化 据 统计 随着集成电路每发展六年 是小分析的难度就提高一个数量级 因此 失效分析 是在集成电路严峻并长期存在的问题 第 4 章 结论 本文归纳分析了 IC 芯片的可靠性和失效分析两个方面 首先 为了能说明电子产品可靠性及失效分析这个课题的重要性 本文阐述了进行 产品可靠性试验的意义和国内外的差距 无论是可靠性设计过程还是可靠性保障过程 为达到设计规范的被贯彻 都需要一些管理手段来保证 不然再好的技术也发挥不了作 用 这就是可靠性管理和评价措施 可靠性管理好一定要先有个评价指标 没有指标就 没有效果好坏的检查和对比 设计者就没了方向 但这个指标如何定 在过去人们是有 误区的 MTBF MTTB 这些指标固然重要 但那是对大企业 对可靠性预计 对大批 量有足够样本数统计的产品的评价指标 对中小企业 不必要太研究高深的可靠性预计 理论 MTBF 没必要 对几千万的企业 甚至 ppm Part Per Million fit Failure In Time 都不必过多研究 而是立足于现实 把质量管理的一些技术指标引入作为可靠性 指标即可 其次 为了能更好的进行微电子封装失效分析 本文从基础出发阐明了失效的基本 意义 失效的分类 失效的相关分析方法和仪器 最后 以失效的基本概念为基础 对 封装中两个最主要方面的相关失效进行了分析归纳 失效分析技术在集成电路产业中的 过去 现在 未来都很重要 它不断促使工艺的改良 设备的改进 材料的更新 技术 的进步 优秀的失效分析能保证企业产品的可靠性和市场竞争力 能保证军事和航天的 高可靠性和稳定性 因此 我国还应该在这方面下大功夫 从失效分析设备的研发 分 析软件的开发 分析系统建立 广泛的学术交流 分析人才的培养方面着手 致 谢 为了这次论文 做的工作还是很多的 从选定论文题目 到资料的查找和试工实习 要 感谢的人实在太多 首先要感谢我的指导老师 老师知识渊博 治学认真而严谨 感谢您在这三年来对我 耐心的指导 还有就是感谢 老师对我知识的传授和毕业论文的指导 经过思考后的领悟 到最后这篇论文的完成 感谢电子系各位授课老师课上对我的教导 你们丰富的授课内容拓宽了我的视野 让我 能更顺利的完成这篇文章 感谢我的同学们 你们不仅让我感受到友情的力量 也让我感觉 到了生活的愉悦 通过课堂讨论学到的思维方式将使我受益终生 没有你们的帮助 这篇论 文是无法完成的 我才刚刚步入社会 要走的路还很长 所以必须不断提高自己 在今后的工作中我 会不断的学习 在工作去应用我们所学的知识 学会用发展的思维方式去处理一些实际 问题 树立创新意识 争取在这一行业上有所突破 参考文献 1 产品的可靠性 余勇 BCD 培训材料 2 质量工程师手册 主编张公绪 孙静 企业管理出版社 3 电子元器件失效分析技术 张红波 4 钟群鹏 失效分析与安全 J 理化检验 物理分册 2005 41 217 221 5 刘正高 航天质量与可靠性技术的发展趋势简评 J 质量与可靠性 2005 4 20 24 6 杨虹 微电子工艺可靠性研究 J 重庆邮电学院学报 2003 3 15 1 25 27 7 许平平 集成电路的失效分析技术及其在产品开发和制造中的应用 J 电子产品可靠 性与环境试验 1995 4 14 20 8 万向荣 电子仪器失效分析 J 可靠性分析与研究 2005 9 32 35 9 赵和义 蔡懿 可靠性分析在新产品研发中的作用 J 电子元器件与可靠性 2004 6 3 50 52 10 薛辉 可靠性分析软件现状及展望 J 质量与可靠性 1999 1 27 29 附 录 附录 1 试工日记 指 导 教 师 情 况 姓 名 技术职称 工作单位 指 导 教 师 评 语 指导教师评定成绩 指导教师签字 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 最终评定成绩 答辩委员会主任签字 单位 公章 年 月 日