應(yīng)用總結(jié)電子元器件失效分析

一、失效分析的意義

在電子元器件的研制階段、失效分析可糾正設(shè)計和研制中的錯誤，縮短研制周期；在電子元器件的生產(chǎn)、測試和使用階段，失效分析可找出電子元器件的失效原因和引起失效的責任方。

根據(jù)失效分析結(jié)果，元器件生產(chǎn)廠改進元器件的設(shè)計和生產(chǎn)工藝，元器件適用方改進電路板設(shè)計，改進元器件或整機的測試、試驗條件及程序，甚至以此為根據(jù)更換不合格的元器件供貨商。

因此失效分析對加快電子元器件的研制速度，提高元器件和整機的成品率和可靠性有重要意義。

電子元器件失效分析的意義本文檔共50頁；當前第1頁；編輯于星期三\6點37分

二、失效分析的主要內(nèi)容-思路

2.1、明確分析對象

明確分析對象及失效發(fā)生的背景。在對委托方提交的失效樣品進行具體的失效分析操作之前，失效分析人員應(yīng)該和委托方進行溝通，了解失效發(fā)生時的狀況，確定在設(shè)計、生產(chǎn)、檢測、儲存、傳送或使用哪個階段發(fā)生的失效，如有可能要求委托方詳細描述失效發(fā)生時的現(xiàn)象以及失效發(fā)生前后的操作過程。

2.2、確定失效模式

失效的表面現(xiàn)象或失效的表現(xiàn)形式就是失效模式。失效模式的確定通常采用兩種方法，即電學測試和顯微鏡觀察。

立體顯微鏡觀察失效樣品的外觀標志是否完整，是否存在機械損傷，是否有腐蝕痕跡等；

金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等設(shè)備觀察失效部位的形狀、大小、位置、顏色，機械和物理特性等，準確的掃描失效特征模式。

電學測試判斷其電參數(shù)是否與原始數(shù)據(jù)相符，分析失效現(xiàn)象可能與失效樣品中的哪一部分有關(guān)。

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2.3、判斷失效原因

失效可能由一系列的原因造成，如設(shè)計缺陷、材料質(zhì)量問題、制造過程問題、運輸或儲藏條件不當、在操作時的過載等，而大多數(shù)的失效包括一系列串行發(fā)生的事件。

2.4、研究失效機理

在確定失效機理時，需要選用有關(guān)的分析、試驗和觀測設(shè)備對失效樣品進行仔細分析，驗證失效原因的判斷是否屬實，并且能把整個失效的順序與原始的癥狀對照起來，有時需要用合格的同種元器件進行類似的破壞性試驗，觀察是否產(chǎn)生相似的失效現(xiàn)象，通過反復(fù)驗證（模擬實驗），確定真實的失效原因，以電子元器件失效機理的相關(guān)理論為指導(dǎo)，對失效模式、失效原因進行理論推理，并結(jié)合材料性質(zhì)、有關(guān)設(shè)計和工藝的理論及經(jīng)驗，提出在可能的失效條件下導(dǎo)致該失效模式產(chǎn)生的內(nèi)在原因或具體物理化學過程，如有可能，更應(yīng)以分子、原子學觀點加以闡明或解釋。

失效分析的主要內(nèi)容本文檔共50頁；當前第3頁；編輯于星期三\6點37分

2.5、提出預(yù)防措施及設(shè)計改進方法

根據(jù)分析判斷、提出消除產(chǎn)生失效的辦法和建議，及時地反饋到設(shè)計、工藝、使用單位等各個方面，以便控制乃至完全消除失效的主要失效模式的出現(xiàn)。

這需要失效工程師與可靠性、工藝、設(shè)計和測試工程師一起協(xié)作，發(fā)揮團隊力量，根據(jù)失效分析結(jié)果，提出防止產(chǎn)生失效的設(shè)想和建議，包括材料、工藝、電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、篩選方法和條件、使用方法和條件、質(zhì)量控制和管理等方面。

失效分析的主要內(nèi)容本文檔共50頁；當前第4頁；編輯于星期三\6點37分三、失效模式與失效機理

失效模式與失效機理的對應(yīng)關(guān)系

失效模式與失效機理失效模式主要失效機理開路EOS、ESD、電遷移（EM）、應(yīng)力遷移（SM）、腐蝕、鍵合點脫落、紫斑、機械應(yīng)力、熱變應(yīng)力短路（漏電）pn結(jié)缺陷、pn結(jié)穿釘、EOS、介質(zhì)擊穿（TDDB效應(yīng)、針孔缺陷）、水汽、金屬遷移、界面態(tài)、離子導(dǎo)電參漂氧化層電荷、鈉離子玷污、表面離子、芯片裂紋、過載流子（HC）、輻射損傷功能失效EOS、ESD、Latch-Up本文檔共50頁；當前第5頁；編輯于星期三\6點37分

各相關(guān)失效機理的概念和定義簡述如下：

3.1、過電應(yīng)力EOS——指元器件承受的電流、電壓應(yīng)力或功率超過其允許的最大范圍。

過電應(yīng)力的來源：

（1）電浪涌損傷瞬間瞬時功率很大

電浪涌來源有

失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第6頁；編輯于星期三\6點37分

（2）操作失誤造成的電損傷

2-1雙列直插式封裝的集成電路當測試時不慎反插，往往就會造成電源和地兩端插反，其結(jié)果是集成電路電源與地之間存在的PN結(jié)隔離二極管就會處于正偏(正常情況是反偏)，出現(xiàn)近100毫安的正向電流，這種電過應(yīng)力損傷隨著通電時間的增長而更加嚴重。這種損傷如果不太嚴重，雖然電路功能正常，只表現(xiàn)出靜態(tài)功耗增大，但這種受過損傷的電路，可靠性已嚴重下降，如果上機使用，就會給機器造成隱患。

2-2T0-5型金屬管殼封裝的集成電路，電測試時容易出現(xiàn)管腳插錯或管腳間相碰短路。這種意外情況有時也會導(dǎo)致集成電路內(nèi)部某些元器件的電損傷。

2-3電路調(diào)試時，不慎出現(xiàn)“試筆頭”橋接短路管腳，這種短接有時會造成電損傷。

2-4在電子設(shè)備中設(shè)置的“檢測點”，如果位置設(shè)置不當又無保護電路時，維修時就可能將不正常的電壓引入該端而損傷器件。

失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第7頁；編輯于星期三\6點37分（3）多余金屬物引起短路

管腳浸錫時在管腳根部殘留的焊錫碴或者是印制板上留下的多余錫碴、導(dǎo)線頭、細金屬絲、金屬屑等可動多余物，容易引起集成電路輸出對電源或?qū)Φ囟搪罚@種短路引起的過大電流會損傷集成電路。

失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第8頁；編輯于星期三\6點37分

（4）電烙鐵或儀器設(shè)備漏電引起的電損傷

集成電路或晶體管的引出端與漏電的電烙鐵、儀器或設(shè)備機殼相碰，或者在儀器設(shè)備上更換元器件以及修補焊點等，都會帶來電損傷。最容易被損傷的集成電路有：帶有MOS電容的集成電路、MOS電路、微波集成電路、STTL和LSTTL電路、單穩(wěn)電路和振蕩器、A/D和D/A電路、高精度運算放大器、LSI和VLSI電路。其中單穩(wěn)電路和振蕩器在調(diào)試時發(fā)生的這種電損傷很不容易發(fā)現(xiàn)，因為損傷的表現(xiàn)形式往往是表現(xiàn)為單穩(wěn)電路的脈沖寬度發(fā)生漂移；振蕩器的振蕩頻率發(fā)生漂移，調(diào)試人員往往把這種現(xiàn)象錯誤地認為是沒有將電路調(diào)試好。

當更改定時元件R.C后，參數(shù)可以恢復(fù)正常，但這種“恢復(fù)正?！钡碾娐罚ぷ饕欢螘r間后又會出現(xiàn)上述的參數(shù)漂移現(xiàn)象。

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（5）CMOS電路發(fā)生可控硅效應(yīng)(閂鎖效應(yīng))

CMOS電路的靜態(tài)功耗極小，但可控硅效應(yīng)被觸發(fā)后功耗會變得很大(50～200毫安)，并導(dǎo)致電路發(fā)生燒毀失效。CMOS電路的硅芯片內(nèi)部，在VDD與VSS之間有大量寄生可控硅存在，并且所有輸出端和輸入端都是它的觸發(fā)端，在正常條件下工作，由于輸入和輸出電壓滿足下式要求：VDD>Vout>VssVDD>Vin>Vss。

所以正常工作條件下CMOS電路不會發(fā)生可控硅效應(yīng)。但在某些特殊情況下，上述條件就會不滿足，凡是出現(xiàn)以下情況之一，可控硅效應(yīng)(閂鎖)就可能發(fā)生，發(fā)生閂鎖的CMOS電路如果無限流保護就會被燒毀。

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（6）CMOS電路振蕩引起功率過荷

6-1當CMOS電路的任何一個輸入端發(fā)生浮空時，CMOS電路都會發(fā)生自激振蕩。

6-2CMOS電路輸入緩慢變化的脈沖時容易引起振蕩。輸入緩慢變化的脈沖使輸入端處于VDD/2的時間增長，導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)不穩(wěn)定的時間增長，容易誘發(fā)CMOS電路發(fā)生振蕩。振蕩后電路功耗增大(高達200mA)，發(fā)生電過應(yīng)力損傷。

6-3防止振蕩的方法有：

a.在任何意外情況下都不允許CMOS電路的任何一個輸入端出現(xiàn)浮空狀態(tài)；

b.輸入脈沖的上升和下降時間應(yīng)有要求：普通CMOS電路的上升時間應(yīng)小于10μs，而計數(shù)器和移位寄器電路，5V時應(yīng)小于5μs，10V時應(yīng)小于1μs，15V時應(yīng)小于200ns；

c.利用施密特觸發(fā)器進行整形。

失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第11頁；編輯于星期三\6點37分3.2、靜電放電ESD——處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移就是靜電放電。這種靜電電荷的轉(zhuǎn)移方式有多種，如接觸放電、空氣放電。靜電放電一般指靜電的快速轉(zhuǎn)移或泄放。

失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第12頁；編輯于星期三\6點37分電子元器件由靜電放電引發(fā)的失效可分為：突發(fā)性失效和潛在性失效兩種模式。

突發(fā)性失效：是指元器件受到ESD損傷后，突然完全喪失其規(guī)定的功能，主要表現(xiàn)為開路，短路或參數(shù)嚴重漂移。

潛在性失效：是指靜電放電能量較低，僅在元器件內(nèi)部造成輕微損傷，上電后器件電參數(shù)仍能合格或略有變化，但器件的抗過電的能力已經(jīng)明顯削弱，再受到工作應(yīng)力后將進一步退化，使用壽命將明顯縮短。失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第13頁；編輯于星期三\6點37分ESD失效的不同機理過電壓場致失效：發(fā)生于MOS器件，包括含有MOS電容或鉭電容的雙極性電路和混合電路；

過電流熱致失效：多發(fā)生于雙極器件，包括輸入用pn結(jié)二極管保護電路的MOS電路，肖特基二極管以及含有雙極器件的混合器件

實際發(fā)生哪種失效，取決于靜電放電回路的絕緣程度！如果放電回路阻抗較低，絕緣性差，器件往往會因放電期間的強電流脈沖導(dǎo)致高溫損傷，這屬于過電流損傷；相反，因阻抗高，絕緣性好，器件接受高電荷而產(chǎn)生高壓，導(dǎo)致強電場損傷，屬于過壓損傷。失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第14頁；編輯于星期三\6點37分ESD損傷圖片失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第15頁；編輯于星期三\6點37分失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第16頁；編輯于星期三\6點37分失效模式與失效機理本文檔共50頁；當前第17頁；編輯于星期三\6點37分

3.3、輻射損傷——在自然和人造輻射環(huán)境中，各種帶電或不帶電的高能粒子（如質(zhì)子、電子、中子）以及各種高能射線（如Х射線、γ射線等）對集成電路造成的損傷。

3.4、氧化層電荷——集成電路中存在的與氧化層有關(guān)的電荷，包括固定氧化層電荷、可動電荷、界面陷阱電荷和氧化層陷阱電荷。

3.5、熱載流子HC——指其能量比費米能級大幾個kT以上的載流子，這些載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài)，當其能量達到或超過Si-SiO２界面勢壘時便會注入到氧化層中，產(chǎn)生界面態(tài)，氧化層陷阱或被陷阱所俘獲，使氧化層電荷增加或波動不穩(wěn)，這就是熱載流子效應(yīng)。

3.6、柵氧擊穿——在MOS器件及其集成電路中，柵極下面存在一薄層SiO２，此即通稱的柵氧（化層）柵氧的漏電與柵氧質(zhì)量關(guān)系極大，漏電增加到一定程度即構(gòu)成擊穿，導(dǎo)致器件失效。

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3.7、與時間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）——指施加的電場低于柵氧的本征擊穿場強，并未引起本征擊穿，但經(jīng)歷一定時間后仍發(fā)生擊穿的現(xiàn)象，這是由于施加應(yīng)力過程中，氧化層內(nèi)產(chǎn)生并集聚了缺陷（陷阱）的原因。

3.8、電遷移（EM）——當器件工作時，金屬互連線的鋁條內(nèi)有一定電流通過，金屬離子會沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的運輸，其結(jié)果會使導(dǎo)體的某些部位出現(xiàn)空洞或晶須（小丘），這即電遷移現(xiàn)象。

3.9、應(yīng)力遷移（SM）——鋁條經(jīng)過溫度循環(huán)或高溫處理，由于應(yīng)力的作用也會發(fā)生鋁條開路斷裂的失效。這時空洞多發(fā)生在晶粒邊界處，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力遷移，以與通電后鋁條產(chǎn)生電遷移的失效區(qū)別。鋁條愈細，應(yīng)力遷移失效愈嚴重。

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3.10、鍵合失效——一般是指金絲和鋁條互連之間的鍵合失效。由于金-鋁之間的化學勢的不同，經(jīng)長期使用或200℃以上高溫儲存后，會產(chǎn)生多種金屬間化合物，如紫斑、白斑等。結(jié)果使鋁層變薄，粘附性下降，造成半斷線狀態(tài)，接觸電阻增加，最后導(dǎo)致開路失效。在300℃高溫下還會產(chǎn)生空洞，即柯肯德爾效應(yīng)，這種效應(yīng)是在高溫下金向鋁中迅速擴散并形成化合物，在鍵合點四周出現(xiàn)環(huán)形空洞，使鋁膜部分或全部脫離，形成高阻或開路。

3.11、PN結(jié)穿釘——一般指在長期電應(yīng)力或突發(fā)的強電流的作用下，在PN結(jié)處于局部鋁-硅熔融生成合金釘，穿透PN結(jié)，造成PN結(jié)短路的現(xiàn)象。

3.12、腐蝕失效——許多集成電路是用樹脂包封的，然而水汽可以穿過樹脂體和引腳-樹脂界面達到鋁互連處，由水汽帶入的外部雜質(zhì)或從樹脂中溶解的雜質(zhì)與金屬鋁作用，使鋁互連線發(fā)生化學腐蝕或電化學腐蝕。

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四、失效分析程序

失效分析的原則是先進行非破壞性分析，后進行破壞性分析；先外部分析，后內(nèi)部（解剖分析）；先調(diào)查了解與失效有關(guān)的情況（線路、應(yīng)力條件、失效現(xiàn)象等），后分析失效元器件。失效分析通用流程圖如下：

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4.1、失效環(huán)境調(diào)查

圍繞失效必須詳細了解如下信息：

（1）批次認可。產(chǎn)品數(shù)據(jù)、存貨量和儲存條件。

（2）發(fā)現(xiàn)失效的地點和時間。工藝過程、外場使用情況及失效日期。

（3）產(chǎn)品記錄。產(chǎn)品在制造和裝配工藝過程中的工藝條件、交貨日期、條件和可接受的檢查結(jié)果，裝配條件和相同失效發(fā)生的有關(guān)記錄等。

（4）工作條件。電路條件、熱/機械應(yīng)力、噪聲環(huán)境（室內(nèi)/室外、溫度、濕度、大氣壓），失效發(fā)生前的操作。

（5）失效詳情。失效類型（特性退化、完全失效或間歇性失效），失效比例和批次情況等，失效現(xiàn)象（無功能、參數(shù)變壞、開短路）。

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4.2、失效樣品保護

對于由于機械損傷和環(huán)境腐蝕引起的失效結(jié)果，必須對元器件進行拍照保存其原始形貌。為了避免進一步失效，樣品在傳遞和存放過程中必須特別小心以保證避免環(huán)境（溫度、濕度）應(yīng)力、電和機械對應(yīng)力元器件的進一步損傷，在傳遞一些小的元器件時必要的裝載必須保證。

4.3、失效分析方案設(shè)計

嚴格按順序有目的的選擇試驗項目避免盲目性

避免失誤甚至丟失與失效有關(guān)痕跡節(jié)省時間

快速準確的得到失效原因的證據(jù)準確判斷失效機理

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4.4、外觀檢查

下列項目必須在目檢中檢查：

（1）灰塵——金屬、金屬氧化物、灰塵

（2）玷污——水跡、油跡、焊料痕跡或濺射的其他液體

（3）管腳變色——通常管腳結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠提高可焊性和防腐蝕，管腳表面的變色通常表明基體材料被熱氧化、硫化和有缺陷，預(yù)處理不完全或存在明顯的缺陷。

（4）由壓力引起的引線斷裂——以銅基為主的合金在外界壓力或內(nèi)部剩余壓力的作用下，并處于氨、胺類、潮濕氣體或高溫環(huán)境中時，就會發(fā)生壓力侵蝕現(xiàn)象。掃描電子顯微鏡觀察斷層的外形及邊界特征的分析

（5）機械引線損壞——機械引線損壞的模式取決于引線的外形、負載及

所處的環(huán)境。主要的裂縫類型有：疲勞裂縫、振動裂縫、蠕變裂縫和其他裂縫。

（6）封裝裂縫——引起濕氣進入元器件里面。滲入燃料法

（7）金屬化遷移——高溫及高濕度條件下施加電場，則絕緣材料中或其表面的金屬離子將從陽極遷移到負極并在該處堆積，最終會導(dǎo)致兩極間的短路。掃描電子顯微鏡觀察。

（8）晶須——軟金屬，如錫的鍍層表面上會偶爾會形成針狀單晶結(jié)構(gòu)，會引起引線間的短路。

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4.5、電測

（1）電特性測試——采用專用于評價設(shè)計的測試方案來詳細地評價樣品的電特性，測試的結(jié)果可用來確定失效模式，提高從失效環(huán)境中得到的失效機理估計的詳細度和精確度，該測試有利于選擇正確的分析方案。

（2）直流特性測試——通過波形記錄儀，微微安培計和示波器等來評測樣品的直流特性。大規(guī)模集成電路中，寄生二極管的存在使電流的漂移跟不上等效電路的變化，因此，測試時需參考無缺陷元器件來進行。

（3）失效模式測試——樣品經(jīng)過電特性測試和直流特性測試兩個步驟后

如檢測不到缺陷，就需要進行使用條件的失效模式測試。

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4.6、應(yīng)力試驗分析

元器件的失效通常與應(yīng)力有關(guān)，應(yīng)力包括溫度、電壓、電流、功率、濕度、機械振動、沖擊、恒定加速度、熱沖擊和溫度循環(huán)等。通過應(yīng)力試驗可以評估產(chǎn)品的失效應(yīng)力分布，確定產(chǎn)品發(fā)生失效的應(yīng)力范圍，揭示產(chǎn)品在設(shè)計和工藝方面的缺陷、失效模式及相關(guān)失效機理。另外應(yīng)力試驗也有助于確定元器件安全工作的極限應(yīng)力水平。

4.7、故障模擬分析

元器件的失效有時與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)，列如電路系統(tǒng)中對過電保護不足、電路分布的干擾或熱分布不當?shù)?。必須通過實際電路的模擬和示波器或其他的有關(guān)儀器進行信號捕捉，找到有用的證據(jù)。

（1）模擬應(yīng)用分析——模擬失效條件的試驗環(huán)境或應(yīng)用電路中工作，電壓、電流、輸入信號、各種頻率、時鐘響應(yīng)和輸出負載等的臨界條件

（2）全溫度參數(shù)測試

（3）瞬時短路、斷路的試驗分析

（4）高溫和高溫電偏置試驗

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4.8、內(nèi)部分析

（1）非破壞性的內(nèi)部分析——X射線檢查、聲學掃描檢測（界面的粘結(jié)情況、分層現(xiàn)象）、殘留氣體分析、密封性檢查（氨原子示蹤檢測細小的泄漏）

（2）破壞性的內(nèi)部分析——開封、缺陷隔離技術(shù)失效點定位、芯片鈍化層的去除、物理分析、雜質(zhì)和合成物分析

（3）確定失效機理

失效分析的最終目的是確定失效機理。必須從失效鑒別的不同角度、不同方面去合理地解釋一個元器件失效的原因。異?，F(xiàn)象與失效直接相關(guān)的幾率是很小的，一個錯誤的判斷可能造成錯誤的糾正措施。

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4.9、糾正措施

根據(jù)失效分析結(jié)果，提出防止失效再次發(fā)生的糾正措施和建議，包括工藝、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、線路、材料、刪選方法和條件、使用方法和條件、質(zhì)量控制和管理等各個方面。

4.10、結(jié)果驗證

失效分析的結(jié)果是否正確，只有在實際應(yīng)用中才能得到驗證。

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五、失效分析技術(shù)

5.1、以失效分析為目的的電測技術(shù)

按電測結(jié)果分類，電子元器件的失效可分為連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效。

以電子元器件失效分析為目的的電測方法可分為三類：連接性測試、電參數(shù)測試和功能測試。

連接性測試可確定開路、短路、漏電以及電阻值變化等失效模式。連接性測試手續(xù)簡單，應(yīng)用范圍較廣闊。因為現(xiàn)場失效的元器件占失效比例的50%,而現(xiàn)場失效多數(shù)由靜電損傷和過電應(yīng)力損傷引起。這兩種應(yīng)力引起的失效模式用鏈接性測試可確定，因而連接性測試在失效分析忠有廣泛的用途。

與連接性測試相比較，電子元器件的電參數(shù)測試較復(fù)雜。各種電子元器件都有各自特殊的參數(shù)，如雙極晶體管的電流增益，MOS器件的閾值電壓和跨導(dǎo)，光電二極管的暗電流和光電轉(zhuǎn)換效率，數(shù)字集成電路的電源電流、輸入電壓、輸入電流、輸出電壓等。電參數(shù)失效的主要表現(xiàn)形式有數(shù)值超出規(guī)定范圍和參數(shù)不穩(wěn)定。

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進行電子元器件的功能測試，需對元器件輸入一個已知的激勵信號，測量輸出結(jié)果。如測得的輸出狀態(tài)與預(yù)計狀態(tài)相同，則元器件功能正常，否則為失效。功能測試主要用于集成電路。簡單的集成電路的功能測試需要電源、信號源和示波器，復(fù)雜的集成電路測試需自動測試設(shè)備(ATE)和復(fù)雜的測試程序。

同一個元器件，上述三種失效有一定的相關(guān)性。即一種失效可能引起其他種類的失效。

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（1）、連接性測試——待機電流測試、端口測試

（2）、電參數(shù)測試

注意事項：為簡化失效分析程序、無需進行所有規(guī)定參數(shù)的測試，只需測主要參數(shù)。

為防止引入新的失效機理，先進性連接性測試，初步確認元器件基本完好，再進行參數(shù)測試。

為防止大電流通過元器件，測量高電壓下的漏電流應(yīng)加限流電阻。

為防止突然開路時高壓加于元器件，測量大電流時應(yīng)限制電壓范圍。

（3）、功能測試

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5.2、無損失效分析技術(shù)

無損失效分析技術(shù)可定義為不必打開封裝對樣品進行定位和失效分析的技術(shù)。除電測失效分析技術(shù)外，X射線透視技術(shù)和反射式掃描聲學顯微技術(shù)（C-SAM）是兩種主要的無損失效分析技術(shù)。其中X射線投射技術(shù)對MOS器件有輻射損傷，所以無損不是絕對的。兩種技術(shù)比較如下表：

失效分析技術(shù)名稱應(yīng)用優(yōu)勢主要原理X射線透視技術(shù)以低密度區(qū)為背景，觀察材料的高密度區(qū)的密度異常點觀察透射X射線的被樣品局部吸收后成像的異常C-SAM以高密度區(qū)為背景，觀察材料內(nèi)部空隙或低密度區(qū)超聲波遇空氣受阻反射本文檔共50頁；當前第32頁；編輯于星期三\6點37分

5.3、樣品制備技術(shù)

（1）、打開封裝——機械開封、化學開封

機械開封（物理法）：手動式晶體管開帽器、利器揭開…

濕法腐蝕（化學法）：硫酸，硝酸；

干法腐蝕：在真空條件下，等離子體轟擊

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（2）、去鈍化層技術(shù)——化學腐蝕去鈍化層、等離子腐蝕去鈍化層

在真空條件下，等離子體轟擊去除鈍化層。缺點：對半導(dǎo)體材料表面有損傷，而且有輻射，會影響材料的性質(zhì)化學方法去除鈍化層失效分析技術(shù)本文檔共50頁；當前第34頁；編輯于星期三\6點37分

（3）、金相切片制備技術(shù)

失效分析技術(shù)本文檔共50頁；當前第35頁；編輯于星期三\6點37分注意：金相切片技術(shù)，要觀察金屬見化合物，還要采用適當?shù)母g液，使不同金屬或合金成分顯示不同的顏色，并且要注意過程中不能產(chǎn)生新的失效或破壞原來的失效。失效分析技術(shù)本文檔共50頁；當前第36頁；編輯于星期三\6點37分金相切片分析方法特點：破壞性方法；試樣制備周期長，需要1D，最好3D；試樣制備要求高；可直觀獲取材料內(nèi)部大量信息；對操作和分析人員要求較高失效分析技術(shù)本文檔共50頁；當前第37頁；編輯于星期三\6點37分

（4）、多層結(jié)構(gòu)芯片的反映離子腐蝕技術(shù)

（5）、去金屬化層技術(shù)

（6）、機械剖切面技術(shù)

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5.4、顯微形貌像技術(shù)

（1）、光學顯微鏡分析技術(shù)——特點：操作簡單、不需要真空條件，不必去鈍化層和層間介質(zhì)，圖像彩色透明，能觀察多層金屬化的芯片。缺點是景深小，空間分辨率低，放大倍數(shù)小，觀察芯片的細微結(jié)構(gòu)有一定困難。

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（2）、掃描電子顯微鏡的二次電子像技術(shù)——特點：分辨率高、放大倍數(shù)大（10萬~50萬倍連續(xù)可調(diào)）、景深大、立體感強等一系列有點，可用它來觀察在光學顯微鏡下所看不到的細微結(jié)構(gòu)。

兩種形貌像的比較：

失效分析技術(shù)儀器名稱真空條件樣品要求透明性理論空間分辨率最大放大倍數(shù)景深光學無開封有可觀察兩層結(jié)構(gòu)3600A2000小掃描電子高真空開封去鈍化層無只能觀察上面一層50A50萬大本文檔共50頁；當前第40頁；編輯于星期三\6點37分

5.5、以測量電壓效應(yīng)為基礎(chǔ)的失效分析定位技術(shù)

集成電路的復(fù)雜性決定了失效定位在失效分析中的關(guān)鍵作用。打開封裝后，用顯微鏡看不到失效部位時，就需對芯片進行電激勵，根據(jù)芯片表面節(jié)點的電壓、波形或發(fā)光異常點進行失效定位。

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5.6、以測量電流效應(yīng)為基礎(chǔ)的失效分析定位技術(shù)

（1）、液晶熱點檢測技術(shù)

熱點檢測是發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體器件芯片潛在失效部位的有效手段。用顯微紅外熱像儀來檢測熱點，由于空間分辨率不夠高，不能滿足單片集成電路失效定位的需要。液晶是一種既具有液體的流動性，又具有晶體各向異性的物質(zhì)。

液晶有一特點，當它受熱而溫度高于某一臨界溫度Tc時，就會變成各向同性的液體。利用液晶的這一特性，可以在正交偏振光下觀察液晶的相變點而檢測熱點。

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（2）、顯微紅外熱像分析技術(shù)

顯微紅外熱像儀主要用于分析功率器件和混合集成電路。它可將芯片上熱分布顯示出來。根據(jù)熱分布的異常區(qū)域異常點，暴露不合理的設(shè)計和工藝缺陷。

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（3）、光發(fā)射顯微分析技術(shù)

半導(dǎo)體器件中許多類型的缺陷和損傷在特定的電應(yīng)力條件下會產(chǎn)生漏電，并伴隨載流子的躍遷而導(dǎo)致光輻射。這樣，對發(fā)光部位的定位就是對可能失效部位的定位。

光輻射顯微技術(shù)是一種快速、簡便而有效的失效分析技術(shù)，可以探測到半導(dǎo)體器件中多種缺陷和機理引起的退化和失效，尤其在失效定位方面具有準確、直觀和重復(fù)再現(xiàn)的優(yōu)點。

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六、失效分析主要儀器設(shè)備與工具

6.1、光學顯微鏡

立體顯微鏡——放大倍數(shù)較低、幾倍到上百倍，景深大，立體感強

金相顯微鏡——幾十倍到兩千倍，但景深較小。

6.2、X射線透視儀

原理：根據(jù)樣品不同部位對X射線吸收率和透視率的不同，利用X射線通過樣品各部位衰減后的射線強度檢測樣品內(nèi)部缺陷的一種方法，X射線衰減的程度與樣品的材料品種、樣品的厚度和密度有關(guān)。

用途：檢測電子元器件及多層印刷電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)引線開路或短路、粘結(jié)缺陷、焊點缺陷、封裝裂紋、空洞、橋連、立碑及器件漏裝等缺陷。

失效分析主要儀器設(shè)備與工具本文檔共50頁；當前第45頁；編輯于星期三\6點37分

6.3、掃描聲學顯微鏡SAM（超聲波探傷）

原理：超聲波在介質(zhì)中傳輸時，若遇到不同密度或彈性系數(shù)的介質(zhì)，會發(fā)生反射回波，而此種反射回波強度會因材料密度不同而有所差異，而SAM利用此特性來檢出材料內(nèi)部的缺陷并依所接收的信號變化將之成圖像。

用途：檢測電子元器件、材料及PCB/PCBA內(nèi)部的各種缺陷(如裂紋、分層、夾雜物、附著物及空洞等)

6.4、塑封器件噴射腐蝕開封機

用途：用于暴露塑封料封裝器件的芯片，以便進一步進行芯片表面的電探測和形貌觀察。

6.5、等離子腐蝕機

主要用于大規(guī)模集成電路芯片的摻雜硅膜層和氮化硅膜層的周邊刻蝕，具有較低的制樣風險。

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