電子元器件失效分析具體案列

儀器儀器設備序號儀器、設備名稱型號編號1立體顯微鏡LEICAZM60117011452金相顯微鏡OPTIPHOT2000117011203A圖示儀米&分T—油皿-TYPE576B349533UOWCR745數(shù)子式示波器內(nèi)部氣氛分析儀TDS3012IVA110S011701141arhf4rh'liiil力念Ac'TFPr7/c6靜電放電測試系統(tǒng)ZA1MAs1Er(/24705013897等離子刻蝕儀ES3710117011748程控直流電源Agilent6633B6601057549波形發(fā)生器AFG32061010638710電子掃描電鏡（SEM）XL-30FEG01170112211串行編程器Superpro/5807301039201產(chǎn)品名稱：單片機MD87C51/B2商標：Intel3分析依據(jù)：MIL-STD-883E微電子器件試驗方法和程序微電路的失效分析程序MIL-STD-883E方法2010內(nèi)部目檢（單片電路）4樣品數(shù)量及編號：失效樣品1#~6#，良品7#~12#5樣品概述及失效背景:MD87C51/B是一高速CMOS單片機。委托方一共提供四種批次的此類樣品。1#、5#、10#、11#、12#屬9724批次，其中1#樣品已做過二次篩選和環(huán)境應力試驗，是在整機測試過程中失效，5#樣品在第一次通電工作不正常，須斷電后重新通電可以正常工作，10#~12#樣品是良品；2#、3#、4#樣品屬9731批次，這三個樣品在第一次上機時便無法寫入程序，多次長時間擦除，內(nèi)容顯示為空，但仍不能寫入；6#樣品屬9931批次，失效情況同5#樣品；7#~9#樣品屬9713批次，為良品。6分析儀器7分析過程1）樣品外觀分析：1#~6#進行外目檢均未發(fā)生異常；2）編程器讀寫試驗：能對壞品進行內(nèi)部程序存儲器讀取，但無法完成寫操作，良品讀寫操作均正常；3）內(nèi)部水汽含量測試：應委托方要求，8#與12#樣品進行內(nèi)部水汽含量測試，結(jié)果符合要求；4）端口I-V特性測試：使用靜電放電測試系統(tǒng)剩下的樣品進行-V端口掃描測試，發(fā)現(xiàn):4#樣品的Pin3、Pin4、Pin5、Pin7對地呈現(xiàn)明顯的電阻特性，使用圖示儀測試后測得Pin3對地呈現(xiàn)約660Q阻值、Pin4與Pin5對地呈現(xiàn)約300Q阻值、Pin7對地呈現(xiàn)約140Q阻值，且在1#與4#樣品的Pin31（ea/Vpp）發(fā)現(xiàn)特性曲線異常，但并非每次都能出現(xiàn)；其他樣品的管腳未發(fā)現(xiàn)明顯異常；5）開封和內(nèi)部分析：對1#~5#樣品進行開封，內(nèi)目檢時發(fā)現(xiàn)：芯片的鋁鍵合絲與鍵合臺以外相鄰的金屬化層（有鈍化層覆蓋）存在跨接現(xiàn)象。在拉斷鋁絲后，可見到鋁絲通過超聲鍵合已粘接在相鄰的地連線或膜電阻上，并粘附著鋁絲被粘連的鋁屑見圖2~圖4。拉斷鋁絲后均能觀察到鍵合臺鄰近的工作金屬線或膜電阻上存在鋁絲殘存的碎屑，說明鋁絲存在鍵合跨接。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在3#與4#樣品中，每只樣品的40個鍵合臺均有27個存在鋁絲鍵合與其相連的工作金屬化鋁連線（地線或膜電阻）跨接粘連的問題。對1#~4#樣品用稀鹽酸進行腐蝕后再觀察發(fā)現(xiàn)，2#樣品的Pin31（EA/Vpp）的鍵合臺存在明顯裂痕（見圖5）,在鍵合臺以外的區(qū)域以及靠近該鍵合臺的金屬化層被跨接粘連處，金屬化鋁連線上的鈍化層已存在破裂，被跨接的膜電阻不但其表面的鈍化層破裂，而且膜電阻也已凹陷和破裂。到是被粘連處的金屬化地線和膜電阻凹陷和破裂的SEM照片。8綜合分析：根據(jù)以上分析的結(jié)果，鋁絲鍵合點已經(jīng)與不應該與之相連的覆蓋有鈍化層的工作金屬層或膜電阻跨接粘連，在翻開或拉斷鋁絲后，可見到鋁絲通過超聲已粘接在相鄰的工作金屬化地連線或膜電阻上。有些粘連處，地連線和膜電阻上的鈍化層已經(jīng)破裂，這些破裂造成端口對地漏電或短路，電阻條上的破裂和凹陷造成電阻（膜電阻）的電阻值減小或開路（見圖6）。根據(jù)美軍標MIL-STD-883E方法20103.1.4玻璃鈍化層缺陷呈現(xiàn)下列情況的器件，不得接收：（略去其它）g.在膜電阻器上出現(xiàn)裂紋；根據(jù)美軍標MIL-STD-883E方法20103.2.1.3一般情況（金絲球焊、楔形和無尾鍵合）從上面觀察時呈現(xiàn)下列情況的器件，不得接受：（略去其他）c.條件A（S級）和條件B（B級）：除公共導線外，鍵合尾部延伸到有玻璃鈍化層的金屬化層上，而該玻璃鈍化層呈現(xiàn)出明顯的擴展到尾部下面的裂紋或斷裂。盡管這些鍵合跨接以及由此引起的損傷，客觀存在于整個批次芯片為數(shù)眾多的鍵合臺處。但由于這些鍵合跨接以及損傷不一定立刻就會導致芯片短路或者開路，因此很多芯片不一定在出廠初期就出現(xiàn)失效（例如1#樣品）。但在通電的情況下，再加上熱應力的作用,在經(jīng)過一段時間的加電測試之后，跨接粘連處很可能通過已經(jīng)存在的微裂縫隙，進入鈍化層之下的金屬化層，導致漏電發(fā)生，更嚴重的將導致短路，這時就極可能導致器件的致命失效。內(nèi)部高潮濕環(huán)境將加速這一過程。某些損傷較為嚴重的，或者損傷已經(jīng)足夠構(gòu)成芯片開路或者短路的，在剛開始使用時，就會發(fā)生失效。失效樣品#~4#就屬于這種情況。而導致?lián)p傷發(fā)生的最終原因根據(jù)觀察得到的結(jié)果，我們分析認為很可能是在芯片的鍵合工序中，鍵合絲與劈刀的尺寸選擇不當，鍵合點就很容易越出鍵合臺，直接鍵合到鍵合臺以外的區(qū)域包括一些有鈍化層覆蓋的工作金屬化層上，并在超聲應力的作用下?lián)p傷這些鈍化層，超聲應力產(chǎn)生的熱還可能將使部分鋁絲滲透進入裂縫。9結(jié)論在芯片鍵合工藝過程中，內(nèi)引線鋁絲鍵合點與相鄰的不應該相連的工作金屬化（地線）或膜電阻跨接，由于超聲應力造成與跨接處的表面鈍化層產(chǎn)生微損傷甚至裂縫（不符合美軍標MIL-STD-883E的要求），在加電情況下，內(nèi)引線金屬透過已經(jīng)損傷的鈍化層與下層金屬或膜電阻之間形成漏電或者短路，造成器件無法寫入的失效現(xiàn)象。

圖33#樣品金屬化多余物圖43#樣品金屬化多余物圖52#樣品Pin31鍵合臺的裂痕圖62#樣品Pin31鍵合臺以外的破損形貌案例二：1產(chǎn)品名稱及型號：AD轉(zhuǎn)換器2商標及生產(chǎn)商：AD/AnalogDevice3分析依據(jù)：GJB548A-96方法5003微電子器件試驗方法和程序微電路的失效分析程序4樣品數(shù)量及編號:失效樣品一只，1#5樣品概述及失效背景：樣品TDC1046B8V是一6-bit、25Msps單片視頻A/D轉(zhuǎn)換器。器件在進行整機試驗運行過程中，發(fā)現(xiàn)樣品失效。具體表現(xiàn)為輸出的6bit碼不隨輸入信號的變化而變化。委托方提供TDC1046B8V失效樣品一只。6分析儀器序號儀器、設備名稱型號編號儀1癡由卡&由血［沽互4六aoqq□□器1靜電放電測試系統(tǒng)ZAPMAS1ER7/24705013892電子掃描電鏡（SEM）XL-30FEG011701122設備3等離子刻蝕儀ES3710117011744立體顯微鏡MZ-60117011455金相顯微鏡OPTIPHOT2000117011207分析過程1）樣品外觀分析：樣品外觀觀察未發(fā)現(xiàn)異常。2）端口I-V特性掃描：對樣品進行I-V端口掃描測試，發(fā)現(xiàn)：①Pin16（AGN^字地）對地開路；②Pin2（參考電阻鏈頂端）與Pin18（參考電阻鏈底端）呈現(xiàn)一個很小的電阻值，約162Q。初步分析認為開路可能是因為引線斷開或者內(nèi)部電路存在開路；Pin2與Pin18呈現(xiàn)很低阻值可能是Pin2與Pin18之間的參考電阻鏈本身阻值就較低。3）開封和內(nèi)目檢：對TDC1046B8V樣品進行開封，內(nèi)目檢后有如下發(fā)現(xiàn)：Pin17內(nèi)引線熔斷:失效樣品Pin17內(nèi)引線已經(jīng)熔斷呈現(xiàn)熱熔斷形貌，見圖1、圖2。內(nèi)部電路存在擊穿和燒毀的痕跡:信號輸入端的金屬化鋁線（和Pin1相連）與參考電阻鏈（Pin2與Pin18之間的金屬化鋁電阻）之間存在擊穿形貌，且金屬化鋁引線有一定程度損壞，如圖3所示；其他擊穿燒毀形貌如圖4所示。分析內(nèi)目檢觀察到的結(jié)果，導致該樣品失效的可能原因是：⑴過電燒毀：使用過程中不正常的電壓或者電流波動導致器件燒毀。⑵器件本身存在工藝上的隨機微缺陷或者在整機裝配之前存在過電損傷，但尚未影響到器件的正常功能，經(jīng)過一段時間的整機試驗之后，微缺陷或者靜電損傷擴大，導致部分電路電流增大，使金屬化連線燒壞和內(nèi)部元器件熱擊穿，造成器件失效。圖5~圖8是在電子掃描顯微鏡下（SEM）觀察到的過電形貌。8綜合分析：失效樣品的外金屬引線熱熔斷，芯片內(nèi)部存在多處電壓擊穿點，綜合分析認為造成樣品失效有以下兩種可能：偶然的電壓波動導致器件局部損傷，在連續(xù)加電過程中燒毀；器件在整機裝配前已存在工藝上的隨機缺陷或者過電損傷，但尚未影響到器件的功能與使用，但經(jīng)過一段時間的整機試驗之后，缺陷或損傷進一步擴大，導致部分電路電流增大，造成金屬化鋁連線過電燒壞，電流進一步增大，從而造成Pin17（負電源地）外引線熱熔斷，最終導致器件因燒毀而失效。9結(jié)論：失效樣品本身存在工藝上的微缺陷或過電損傷，整機試驗中損傷擴大導致最后失效。典型分析照片twrwu1-—T何Eib。tvstia?心CV牛萬M*|hL*rW121TWflfliibftjyjoitMhstIV4I04M案例三：1產(chǎn)品名稱及型號：通信ICPMB6850EV2.102商標：Infineon3樣品數(shù)量及編號：失效樣品只，編號為1#~3#4樣品概述及失效背景：樣品是一通信用集成電路，該集成電路的主要功能是作為一個GSM基帶系統(tǒng)，電路主要包含一個C166CBCMCU處理器內(nèi)核和一個OAK+DSP內(nèi)核以及其他輔助電路。樣品采用P-LFBGA-200-1封裝。委托方共提供3只失效樣品，編號為1#~3#，均屬于現(xiàn)場使用失效，累計工作時間300~3000小時。根據(jù)委托方的描述，3只失效樣品的R9(VDD2.1)腳均對P9(VSS2.1)腳均呈現(xiàn)短路特性。5分析儀器序號儀器、設備名稱型號編號儀.1立體顯微鏡.LEICAZM6.011701145□□器__2—全相顯微鏡—OPTIPHOT200―011701120設備3圖示儀TYPE576B3495334聲學掃描顯微鏡D60000117011286分析過程樣品外觀分析：對1#、2#、3#樣品進行外目檢未發(fā)現(xiàn)異常。端口I-V特性測試：使用TYPE576型圖示儀對3只失效樣品進行端口I-V特性測試，測試結(jié)果見附表1。附表1失效樣品端口測試結(jié)果樣品獨1=1樣品失效情況末土工亡:nil計女士里編號1#委托力測試結(jié)果R9(VDD2.1)腳對P9(VSS2.1)腳呈現(xiàn)短路特性圖示儀測試結(jié)果R9(VDD2.1、R10(KPE)、M9(CCLK對P9(VSS2.1)2#R9(VDD2.1)腳對P9(VSS2.1)腳呈現(xiàn)短路特性呈現(xiàn)短路特性R9(VDD2.1)、M9(CCLK)對P9(VSS2.1)呈現(xiàn)短3#R9(VDD2.1)腳對P9(VSS2.1)腳呈現(xiàn)短路特性路特性R9(VDD2.1、M9(CCLK、P10(KP7)對P9(VSS2.1)呈現(xiàn)短路特性；M10(CCIO)對P9呈現(xiàn)約9KQ的電阻特性通過對IC數(shù)據(jù)手冊相關(guān)信息的分析，我們發(fā)現(xiàn)以下幾點特征：①3只失效樣品呈現(xiàn)異常的端口有2個是相同的一一R9(VDD2.1)和M9(CCLK所有失效端口(R9除外)均以R9(VDD2.1)和P9(VSS2.1)作為供電電源；端口失效情況較為嚴重，除3#樣品的M10對地還呈現(xiàn)9KQ的電阻外，其他異常端口對P9進行測試時，均呈現(xiàn)短路特性。學掃描顯微鏡觀察：使用聲學掃描顯微鏡對3只失效樣品進行觀察時發(fā)現(xiàn)2#樣品的芯片右側(cè)邊緣有一半圓形陰影區(qū)域，見圖1。樣品開封及內(nèi)目檢：觀察照片見圖2~圖6。其中圖1與圖2的位置一致，該部位電路發(fā)生過電時大量發(fā)熱造成該部位環(huán)氧材料發(fā)生變性，密度發(fā)生改變且很可能導致該位置產(chǎn)生分層現(xiàn)象(聲掃中看到該部位存在陰影)。7綜合分析：根據(jù)對失效樣品端口的電性能測試，我們發(fā)現(xiàn)失效樣品出現(xiàn)失效的端口從空間分布上比較集中，失效管腳比較一致，3只失效器件都有2個相同的端口R