基于電子元件失效分析及技術發展分析

劉越

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000

失效分析是通過分析產品失效機理和元件，以獲取改進建議，避免出現類似失效現象，確保產品 應用穩定可靠。電子元件失效分析時利用測試技術以及分析方法對元件失效過程進行明確，分別失效情況和原因，這一工作是保證元件可靠運行的重點。電子元件進行失效分析需要具備的知識包括測試和分析方法、失效機理等，并具備豐富的失效分析經驗。而正確應用分析設備能夠降低分析成本，提高成功率。

1 電子元件失效分析

1.1 感官判斷

感官判斷通過人體感官來判斷故障，例如眼睛、手、鼻子、耳朵等對電子元件外形、溫度和軟硬度、味道、工作聲音等進行觀察判斷。感官判斷操作簡單，成本低，但是需要工作人員本身經驗豐富，同時，周邊環境以及感官敏感度要優越，這樣才能夠保證判斷相對準確[1]。

1.2 內部分析

內部分析分為X射線、紅外線顯微、聲學掃描、殘留氣氛和密封性檢查。其中，X射線檢測法是通過X射線對不同材料穿透的成像灰度來檢測封裝中的缺陷，如分層、粘結空洞、焊點氣泡等缺陷問題。紅外光可將硅穿透，并被樹脂鑄模反射回來，紅外顯微鏡能夠對芯片金屬連線以及鍵合情況進行檢測。聲學掃描是用不同聲阻材料對超聲波的反射程度不同，發現塑封元件中出現的裂縫、分層等缺陷。殘留氣體分析是對封裝腔內腐蝕性氣體與水汽進行檢測，腔內水分會導致雜質離子加速運動，電子元件被腐蝕。

1.3 電源拉偏

該分析法通過降低或升高正常電源電壓讓元件處于異常工作狀態中，進而暴露出電子元件故障部位，以確定電子元件故障。但是，該分析法一般應用在元件長時間工作導致的故障中，或是由于電壓波動導致的故障中，但是，電源電壓降低或升高會損壞電子元件，一旦操作不當，極易損壞電子元件[2]。

1.4 定位

芯片失效分析是利用缺陷隔離技術對失效點進行定位，之后，利用結構與成分分析對失效起因進行確定。在定位失效點時，需要開封定位器件，將芯片暴露出來，應用化學腐蝕或機械等方法來開封封裝材料及其結構。必要時，可以剝離元件鈍化層，將下層金屬露出，鈍化層去除一般使用反應離子刻蝕、化學腐蝕等方法。

采用電子束測試、熱分析、機械探針等技術隔離缺陷點。但是，這些技術在其他失效分析中也可以應用，例如，電子束測試能夠分析功能失效，也就是邏輯上出現的錯誤之處。再比如，熱分析等可以應用在漏電流分析中。機械探針能夠在鈍化層芯片去除后對芯片內節點電壓進行測量分析。電子束測試則可以將聚焦電子束發射到芯片表面，并通過二次電子新對節點電壓進行測量，其屬于非接觸方式[3]。光發射顯微法通過微光探測技術發現芯片由于表層出現缺陷而發生的微光，一般利用載流子和發射光子來經過高電區漏電流，金屬連線出現漏點會導致紅外光發射，等等都可以對失效點進行定位。

1.5 物理分析

物理分析是在芯片接受物理處理后，對其進行再觀察并分析失效部位，明確失效原因，將相關信息反饋給產品設計生產環節中。物理缺陷一般為發生在芯片表面中的故障，將介質與金屬連線去除后，需要利用光學顯微鏡等進行觀察，或是進行FIB制樣。若是失效區出現污點，需要組分分析，以確定失效原因。物理缺陷分析觀察重點在于過電壓電流出現的短路現象、鋁金屬斷裂現象、芯片出現裂紋、靜電損傷現象等等。

2 電子元件失效分析技術發展難點

電子元件發展過程中，集成電路具有一定代表性，基于集成電路技術的未來發展趨勢，截止到2016年，微處理器芯片規格已經達到0.22μm，主頻為28.8GHz，內部晶體管達到80億個，當前分析技術與集成電路失效分析要求已經不相符。集成電路技術進步使得失效分析技術也需要隨之發展。

2.1 系統級芯片

失效分析技術發展難點之一就是系統級芯片。科技的發展使得集成電路越發復雜，晶體管數量增多，互聯層增加導致失效分析難度加大，在高延遲電路中，失效分析要求更高。而且，由于系統將芯片是高頻運行，工作頻率持續上升，難以再現故障。

2.2 新材料處理法

電路失效分析需要將介質層、金屬化層逐層剝除。一般半導體材料、AI等材料的處理都有對應的方法，但是，如低K介質、高頻期間等新材料在分析時需要在其中加入新技術。

2.3 失效定位和電測

失效定位失效范圍和部位的確定，對于集成電路失效定位可以由電路整體逐漸到某一電路模塊中，例如存儲器等，之后在到電路節點，最后到通孔等。電路規模擴大、線寬縮小會導致該過程進行越發困難[4]。

2.4 缺陷特性和探測不可見

電子元件發缺陷分析中，除一些可觀測到缺陷外，有些不可見缺陷會使集成電路失效，例如電荷遷移引發漏電現象等。有些尺寸小的晶體管會影響電荷漂移，介質越薄也會出現漏電現象。因此，在后續的發展中，對于不可見的缺陷進行分析探測也成為失效分析的一個主要難題[5]。

3 結語

對于電子元件運行而言，失效分析十分重要，其根據元件結構、特征以及工藝等情況來分析失效特征、模式和機理，并靈活運用失效分析流程及其相關技術。電子元件失效分析的重點在于隔離缺陷，對失效進行定位，物理分析失效情況，而隨著集成電路的發展，失效分析越發困難，基于此，推出了一系列的失效分析技術，例如光學顯微、機械探針等技術，還有一些電子束探針、光發射等新型技術，在其中的應用越發廣泛，能夠有效分析電子元件失效情況，確保集成電路穩定運行。