IC电子元器件失效分析.pdf

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1、电子元器件失效分析电子元器件失效分析Dony.chen2008.1.21基本概念和失效分析技术基本概念和失效分析技术第一部分失效的概念失效的概念ò失效定义1特性剧烈或缓慢变化2不能正常工作3不能自愈ò失效种类1致命性失效：如过电应力损伤2缓慢退化：如MESFET的IDSS下降3间歇失效：如塑封器件随温度变化间歇失效失效物理模型失效物理模型ò应力－强度模型失效原因：应力>强度强度随时间缓慢减小如:过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（latchup)ò应力－时间模型（反应论模型）失效原因：应力的时间累积效应，特性

2、变化超差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳温度应力－时间模型温度应力－时间模型EdM−=AekTdtM温度敏感参数,E激活能,k玻耳兹曼常量,T绝对温度,t时间,A常数T大,反应速率dM/dt大，寿命短E大，反应速率dM/dt小，寿命长温度应力的时间累积效应温度应力的时间累积效应E−M−M=AekT(t−t)t00失效原因：温度应力的时间累积效应，特性变化超差与力学公式类比与力学公式类比EdvFdM−=AekT=dtdtmE−M−M=AekT(t−t)t00mv−mv=F(t−t)t00失效物理模型小结失效物理模型小结ò应力

3、－强度模型：不考虑激活能和时间效应，适用于偶然失效，失效过程短，特性变化快，属剧烈变化，失效现象明显。.ò应力－时间模型（反应论模型）：需考虑激活能和时间效应，适用于缓慢退化，失效现象不明显。明显失效现象可用应力－强度明显失效现象可用应力－强度模型来解释模型来解释如：与电源相连的金属互连线烧毁是由浪涌电压超过器件的额定电压引起。可靠性评价的主要内容可靠性评价的主要内容ò产品抗各种应力的能力ò产品的平均寿命预计平均寿命的方法预计平均寿命的方法ò1求激活能ELnL2EL=Aexp()kTLnL1ElnL=B+kTBElnL

4、=B+1kT1ElnL=B+2kT21/T11/T2预计平均寿命的方法预计平均寿命的方法ò2求加速系数FEL=AEexp()2L=Aexp()kT22kT2EL=Aexp()1kTE1LE11L1=Aexp(F=2=exp()(−))kTL1kT2T11LE11F=2=exp((−))LkTT121试验获得高温T1的寿命为L1,低温T2寿命为L2,可求出F预计平均寿命的方法预计平均寿命的方法ò由高温寿命L1推算常温寿命L2òF=L2/L1ò对指数分布òL1=MTTF=1/λòλ失效率试验时间内失效的元件数失效率＝初始时

5、间未失效元件数×试验时间失效分析的概念失效分析的概念失效分析的定义失效分析的目的ò确定失效模式ò确定失效机理ò提出纠正措施，防止失效重复出现失效模式的概念和种类失效模式的概念和种类ò失效的表现形式叫失效模式ò按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效失效机理的概念失效机理的概念ò失效的物理化学根源叫失效机理。例如ò开路的可能失效机理：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、CMOS电路的闩锁效应ò漏电和短路的可能失效机理：颗粒引发短路、介质击穿、pn微等离子击穿、Si-Al互熔失效机理的

6、概念（续）失效机理的概念（续）ò参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤引起失效的因素引起失效的因素ò材料、设计、工艺ò环境应力环境应力包括：过电、温度、湿度、机械应力、静电、重复应力ò时间失效分析的作用失效分析的作用ò确定引起失效的责任方（用应力－强度模型说明）ò确定失效原因ò为实施整改措施提供确凿的证据失效分析的一般程序失效分析的一般程序ò收集失效现场数据ò电测并确定失效模式ò非破坏检查ò打开封装ò镜检ò通电并进行失效定位ò对失效部位进行物理化学分析，确定失效机理ò

7、综合分析，确定失效原因，提出纠正措施收集失效现场数据收集失效现场数据ò作用：根据失效现场数据估计失效原因和失效责任方根据失效环境：潮湿、辐射根据失效应力：过电、静电、高温、低温、高低温根据失效发生期:早期、随机、磨损ò失效现场数据的内容水汽对电子元器件的影响水汽对电子元器件的影响ò电参数漂移ò外引线腐蚀ò金属化腐蚀ò金属半导体接触退化辐射对电子元器件的影响辐射对电子元器件的影响ò参数漂移、软失效ò例：n沟道MOS器件阈值电压减小失效应力与失效模式的相关性失效应力与失效模式的相关性ò过电：pn结烧毁、电源内引线烧毁、电源

8、金属化烧毁ò静电：MOS器件氧化层击穿、输入保护电路潜在损伤或烧毁ò热：键合失效、Al-Si互溶、pn结漏电ò热电：金属电迁移、欧姆接触退化ò高低温：芯片断裂、芯片粘接失效ò低温：芯片断裂失效发生期与失效机理的关系失效发生期与失效机理的关系ò早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分ò随机失效：静电损伤、过电损伤ò磨损失效