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元器件失效分析方法

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元器件失效分析方法


失效分析基本概念

定義:對失效電子元器件進行診斷過程。

1、進行失效分析往往需要進行電測量并采用先進的物理、冶金及化學的分析手段。

2、失效分析的目的是确定失效模式和失效機理,提出糾正措施,防止這種失效模式和失效機理的重複出現。

3、失效模式是指觀察到的失效現象、失效形式,如開路、短路、參數漂移、功能失效等。

4、失效機理是指失效的物理化學過程,如疲勞、腐蝕和過應力等。


失效分析的一般程序

1、收集現場數據

2、電測并确定失效模式

3、非破壞檢查

4、打開封裝

5、鏡驗

6、通電并進行失效定位

7、對失效部位進行物理、化學分析,确定失效機理。

8、綜合分析,确定失效原因,提出糾正措施。

1、收集現場數據



應力類型
試驗方法
可能出現的主要失效模式
電應力
靜電、過電、噪聲
MOS器件的栅擊穿、雙極型器件的pn結擊穿、功率晶體管的二次擊穿、CMOS電路的闩鎖效應
熱應力
高溫儲存
金屬-半導體接觸的Al-Si互溶,歐姆接觸退化,pn結漏電、Au-Al鍵合失效
低溫應力
低溫儲存
芯片斷裂
低溫電應力
低溫工作
熱載流子注入
高低溫應力
高低溫循環
芯片斷裂、芯片粘接失效
熱電應力
高溫工作
金屬電遷移、歐姆接觸退化
機械應力
振動、沖擊、加速度
芯片斷裂、引線斷裂
輻射應力
X射線輻射、中子輻射
電參數變化、軟錯誤、CMOS電路的闩鎖效應
氣候應力
高濕、鹽霧
外引線腐蝕、金屬化腐蝕、電參數漂移


2、電測并确定失效模式

電測失效可分為連接性失效、電參數失效和功能失效。


連接性失效包括開路、短路以及電阻值變化。這類失效容易測試,現場失效多數由靜電放電(ESD)和過電應力(EOS)引起。

電參數失效,需進行較複雜的測量,主要表現形式有參數值超出規定範圍(超差)和參數不穩定。


确認功能失效,需對元器件輸入一個已知的激勵信号,測量輸出結果。如測得輸出狀态與預計狀态相同,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。


三種失效有一定的相關性,即一種失效可能引起其它種類的失效。功能失效和電參數失效的根源時常可歸結于連接性失效。在缺乏複雜功能測試設備和測試程序的情況下,有可能用簡單的連接性測試和參數測試方法進行電測,結合物理失效分析技術的應用仍然可獲得令人滿意的失效分析結果。

3、非破壞檢查


名稱
應用優勢
主要原理
X射線透視技術
以低密度區為背景,觀察材料的高密度區的密度異常點
透視X光的被樣品局部吸收後成象的異常
反射式掃描聲學顯微術(C-SAM)
以高密度區為背景,觀察材料内部空隙或低密度區
超聲波遇空隙受阻反射


X-Ray檢測,即為在不破壞芯片情況下,利用X射線透視元器件(多方向及角度可選),檢測元器件的封裝情況,如氣泡、邦定線異常,晶粒尺寸,支架方向等。

适用情境:檢查邦定有無異常、封裝有無缺陷、确認晶粒尺寸及layout

優勢:工期短,直觀易分析

劣勢:獲得信息有限

局限性:

1、相同批次的器件,不同封裝生産線的器件内部形狀略微不同;

2、内部線路損傷或缺陷很難檢查出來,必須通過功能測試及其他試驗獲得。

案例分析:

X-Ray 探傷----氣泡、邦定線


X-Ray 真僞鑒别----空包彈(圖中可見,未有晶粒)

  “徒有其表”

  下面這個才是貨真價實的

X-Ray用于産地分析(下圖中同品牌同型号的芯片)

  X-Ray 用于失效分析(PCB探傷、分析)

  (下面這個密密麻麻的圓點就是BGA的錫珠。下圖我們可以看出,這個芯片實際上是BGA二次封裝的)

4、打開封裝

開封方法有機械方法和化學方法兩種,按封裝材料來分類,微電子器件的封裝種類包括玻璃封裝(二極管)、金屬殼封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等。Œ

機械開封

化學開封

5、顯微形貌像技術光學顯微鏡分析技術

掃描電子顯微鏡的二次電子像技術

電壓效應的失效定位技術



6、半導體主要失效機理分析

電應力(EOD)損傷

靜電放電(ESD)損傷

封裝失效

引線鍵合失效

芯片粘接不良

金屬半導體接觸退化

鈉離子沾污失效

氧化層針孔


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