電子元件失效分析及技術(shù)發(fā)展分析

范培培

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 電子元件失效分析

1.1 感官判斷

人類(lèi)是通過(guò)人體器官進(jìn)行對(duì)外界事物進(jìn)行分析及了解，而了解的過(guò)程便是感官判斷。例如人體的五感，通過(guò)視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及觸覺(jué)清晰的感知到電子元件的溫度、形狀、味道、聲音及軟硬度。感官判斷作為人類(lèi)對(duì)事物最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的判斷方式，其工作成本也是極低的，但卻需要工作人員具備一定的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也要求工作人員對(duì)周?chē)h(huán)境及事物的感知能力突出，這樣才可以有效保證感官判斷的準(zhǔn)確程度。

1.2 內(nèi)部分析

在日常工作中，最為常用的四種內(nèi)部分析方法為紅外光、X光射線(xiàn)、殘留氣體濃度以及聲波掃描。而這四種分析方法常用于四種不同的場(chǎng)景中。如紅外光分析法，因其具備穿透硅材料及可以被樹(shù)脂鑄膜反射的特點(diǎn)，所以通常將紅外光應(yīng)用于檢測(cè)芯片內(nèi)部的金屬連接線(xiàn)是否連接正常以及鍵合程度。X光射線(xiàn)檢測(cè)法則是經(jīng)常用于檢測(cè)不同環(huán)境中的封裝缺陷，因X光射線(xiàn)穿透不同材質(zhì)的物體后成像出的灰度不同，所以經(jīng)常將其用于粘結(jié)空洞、封裝分層及焊點(diǎn)氣泡等封裝缺陷環(huán)境。

1.3 電源拉偏

電源拉偏的工作原理是通過(guò)加大或減少正常工作狀態(tài)中電源電壓，使其產(chǎn)生電容差，使電子元件處于異常的工作狀態(tài)中，從而發(fā)現(xiàn)存在故障的電子元件位置。但該方法通常使用在電子元件因工作強(qiáng)度高、工作時(shí)間長(zhǎng)而故障的條件中，而該方法又是通過(guò)升高或降低電壓，使電子元件產(chǎn)生電容差的方式進(jìn)行故障檢測(cè)，所以該方法具備一定危險(xiǎn)性，若操作失誤，很可能造成電子元件的損耗[1]。

1.4 定位

對(duì)于芯片故障排查的方法主要是通過(guò)故障隔離技術(shù)，對(duì)芯片失效點(diǎn)進(jìn)行跟蹤定位。在定位故障點(diǎn)后，通過(guò)對(duì)芯片結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的分析，初步判斷失效原因。在成功定位故障點(diǎn)后，需打開(kāi)電子器件，通過(guò)使用機(jī)械開(kāi)封或塑封腐蝕劑對(duì)封裝材質(zhì)進(jìn)行輕量腐蝕，從而將芯片暴露出來(lái)。在日常排查故障點(diǎn)時(shí)，通常使用熱分析法、電子束測(cè)試法、機(jī)械探針等技術(shù)定位并隔離故障點(diǎn)。

1.5 物理分析

物理分析的具體做法是通過(guò)對(duì)缺陷芯片進(jìn)行物理處理后，對(duì)該缺陷芯片的失效部位進(jìn)行觀察并分析其失效原因，最后將所分析出的相關(guān)信息上傳到產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)部門(mén)，讓其明確缺陷原因并加以改正。芯片的物理缺陷通常指是出現(xiàn)在芯片表層金屬中的故障[2]。若想有效地觀測(cè)到失效區(qū)，在一般情況下只需將介質(zhì)與金屬連接線(xiàn)摘除后，使用高精度光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，或使通過(guò)FIB方式進(jìn)行制樣后觀測(cè)。

2 電子元件失效分析的主要原則以及基本流程

2.1 電子元件失效分析的主要原則

通常來(lái)說(shuō)，對(duì)電子元器件進(jìn)行失效分析的工作內(nèi)容主要為，在不損壞電子元器件本身的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行有效的檢查與分析，這樣做是為了找到電子元器件故障的根本原因，進(jìn)行非破壞性檢查的目的也是排除因檢測(cè)時(shí)因損壞導(dǎo)致與真正失效原因所混淆[3]。因在檢測(cè)電子元器件時(shí)需從外至內(nèi)的分層尋找失效原因，所以該工作具備一定的逐層化特性。若存在電子元器件的失效原因無(wú)法通過(guò)非破壞性檢測(cè)手段進(jìn)行排查，則需要采取必要措施，對(duì)失效原因展開(kāi)深入討論及研究。所以任何電子設(shè)備整機(jī)而言，工作時(shí)失效都是十分可怕且可能造成嚴(yán)重后果的，在對(duì)電子元器件進(jìn)行失效分析時(shí)，必須要嚴(yán)格以科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、全面的態(tài)度進(jìn)行分析工作，所以應(yīng)按要求遵守以下幾項(xiàng)失效分析原則。第一原則是在進(jìn)行失效分析工作前，要確定科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龇桨福蟛拍芨鶕?jù)方案，逐步開(kāi)展失效分析操作。在面對(duì)元器件時(shí)，不能盲目地進(jìn)行拆解，一定要先對(duì)其進(jìn)行外部檢測(cè)后，才可進(jìn)行逐步拆解并對(duì)其進(jìn)行通電檢測(cè)，若不按照規(guī)定直接進(jìn)行通電檢測(cè)，就會(huì)導(dǎo)致元器件可能出現(xiàn)損傷。第二原則是在失效分析工作中，應(yīng)嚴(yán)格遵守從宏觀到微觀的工作原則。在對(duì)存在缺陷的電子元器件進(jìn)行失效分析檢測(cè)時(shí)，應(yīng)首先從宏觀角度進(jìn)行檢測(cè)分析并排查可能存在的失效原因。而后在對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)分流程，對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行具有高針對(duì)性的檢測(cè)分析。在檢測(cè)過(guò)程中，不能盲目的進(jìn)行全方位檢測(cè)，這樣不僅浪費(fèi)時(shí)間資源與人力資源，工作效率也是極大程度的下降。所以，在檢測(cè)過(guò)程中也應(yīng)當(dāng)分清主次，對(duì)主要存疑的結(jié)構(gòu)部位或位置進(jìn)行定位分析，之后在進(jìn)行次要結(jié)構(gòu)分析。若在分析過(guò)程中，實(shí)在無(wú)法通過(guò)非破壞性檢測(cè)手段對(duì)其進(jìn)行有效分析，則就需要采取破壞檢測(cè)手段進(jìn)行深入探究，盡可能分析出失效結(jié)構(gòu)與原因，為電子元器件的失效分析積累每一份寶貴的經(jīng)驗(yàn)，打好分析工作基礎(chǔ)[4]。

2.2 電子元件失效分析的基本流程

電子元件失效的原因有很多，其主要可以通過(guò)兩個(gè)大方向進(jìn)行失效分析，其一是由于電子元件的功能缺失或喪失造成的電子元件失效。其二是由于其物理參數(shù)、電學(xué)特性以及功能不能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求，造成的電子元件失效，如短路、參數(shù)漂移以及開(kāi)路等失效現(xiàn)象，這些失效電子元件的外在表現(xiàn)形式也成為失效模式。所以，電子元件失效分析是以確認(rèn)這些失效模式為起始，結(jié)合相關(guān)的失效分析資料，進(jìn)而采用各種失效分析技術(shù)方法對(duì)尋找電子元件的失效機(jī)理，如點(diǎn)電轉(zhuǎn)移、腐蝕、靜電擊穿、過(guò)電應(yīng)力燒毀、輻射損害以及互聯(lián)開(kāi)路等各種常見(jiàn)的失效機(jī)理。此外，失效分析流程主要圍繞失效模式確認(rèn)、分析失效機(jī)理以及驗(yàn)證失效機(jī)理與原因這三個(gè)核心分析步驟進(jìn)行。其具體的失效分析流程如圖1失效分析主要流程所示。首先是要確定電子元件發(fā)生失效問(wèn)題的情況，并對(duì)失效的電子元件進(jìn)行取樣存檔，然后要進(jìn)一步觀察失效電子元件的外部狀況，是否有破損、腐蝕、斷裂等外在情況，并對(duì)觀察的結(jié)果進(jìn)行記錄。其次，就是要對(duì)失效的電子元件進(jìn)行電性分析，觀察與檢測(cè)電子元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，同步將電性分析結(jié)果記錄至失效分析表。而后就是要進(jìn)行失效電子元件的開(kāi)封與剝層處理，檢測(cè)是內(nèi)部實(shí)際情況。最后是要對(duì)失效電子元件進(jìn)行失效問(wèn)題的定位，并利用失效分析技術(shù)對(duì)定位出來(lái)的故障問(wèn)題進(jìn)行失效機(jī)理分析，進(jìn)而修復(fù)故障。

圖1 失效分析主要流程

3 電子元件失效分析的技術(shù)發(fā)展

隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工藝制造技術(shù)的快速發(fā)展，電子元件失效分析技術(shù)也發(fā)生日新月異的改變[5]。電子元件失效分析一般從外觀檢查進(jìn)行，傳統(tǒng)電子元件外觀檢查一般都有放大鏡或金相顯微鏡進(jìn)行觀察，此傳統(tǒng)觀察手段容易造成元器件小型化和封裝復(fù)雜化問(wèn)題，影響觀察效果。而通過(guò)新興的超高分辨率三維數(shù)字顯微鏡進(jìn)行失效電子元件外觀檢查，可以很好地彌補(bǔ)元器件小型化和封裝復(fù)雜化問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)觀察方式，新的觀察手段更能滿(mǎn)足觀察需求。與此同時(shí)，隨著電子元器件的失效分析及檢測(cè)工作的科學(xué)技術(shù)日漸提高，電子元器件的功能測(cè)試多樣化程度也逐漸加大。常用的功能測(cè)試有通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備ATE進(jìn)行檢測(cè)，該測(cè)試主要特點(diǎn)是通過(guò)科學(xué)編寫(xiě)代碼保證檢測(cè)程序自動(dòng)運(yùn)行，在編程過(guò)程中可以通過(guò)編寫(xiě)指定模擬測(cè)試的環(huán)境及條件，進(jìn)行多樣化功能測(cè)試，保證測(cè)試出的數(shù)據(jù)具備極高的實(shí)用性及泛用性，對(duì)后續(xù)開(kāi)展功能測(cè)試結(jié)果分析以及對(duì)可能出現(xiàn)的失效原因起到了重要的研究意義與討論作用。

總而言之，隨著新興技術(shù)的發(fā)展，電子元件失效分析技術(shù)也隨之不斷改進(jìn)，接下來(lái)以某放大器失效為案例進(jìn)行分析。某放大器在測(cè)試階段出現(xiàn)電子元件失效現(xiàn)象，其外觀檢查并未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，但其電性分析發(fā)現(xiàn)失效電子元件與正常電子元件的特性曲線(xiàn)有不同點(diǎn)，失效電子元件的導(dǎo)通電流較大，通過(guò)采用傳統(tǒng)的失效分析技術(shù)未檢測(cè)出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有異常現(xiàn)象，但通過(guò)SAT發(fā)現(xiàn)失效的電子元件基板周邊與塑封料界面有分層現(xiàn)象。通過(guò)光發(fā)射顯微鏡對(duì)比分析失效品與良品的內(nèi)部晶體管工作狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)失效品內(nèi)部均存在晶體管不發(fā)光現(xiàn)象，如圖2通過(guò)光發(fā)射顯微鏡觀察到放大器內(nèi)部晶體管發(fā)光現(xiàn)象所示，懷疑該晶體管內(nèi)部可能存在結(jié)構(gòu)異常或損壞[6]。

圖2 通過(guò)光發(fā)射顯微鏡觀察到放大器內(nèi)部晶體管發(fā)光現(xiàn)象

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得通過(guò)使用雙束FIB制樣分析失效設(shè)備中失效部位的晶體管內(nèi)部情況，通過(guò)觀測(cè)明顯可知，晶體管內(nèi)部的基極金屬化臺(tái)階存在明顯裂痕，通過(guò)使用FIB制作備份的失效部位的剖面圖并觀察。通過(guò)高端表征，最終確定了缺陷原因及位置，正是由基極金屬化臺(tái)階處斷裂導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正常輸出至晶體管，從而引起放大器失效。這個(gè)案例反映了失效分析的復(fù)雜性和系統(tǒng)性，需要多技術(shù)的綜合應(yīng)用[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

電子元件的失效分析是保障電子元件穩(wěn)定運(yùn)行的重要內(nèi)容，其失效分析方法可以根據(jù)電子元件的外表結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)行機(jī)理以及工藝制作情況等多個(gè)方面情況綜合分析電子元件失效特征與定位失效故障問(wèn)題點(diǎn)。其失效分析重點(diǎn)是對(duì)于失效故障的定位，具體可以通過(guò)采用電子束探針、光發(fā)射以及FMMEA等多種新興技術(shù)分析電子元件失效故障，進(jìn)而解決故障情況，確保電子元件的穩(wěn)定運(yùn)行。