電子產(chǎn)品失效分析技術(shù)

1、電子產(chǎn)品失效分析技術(shù)第第 2 頁(yè)頁(yè)內(nèi)容o 失效分析概論o 主要失效模式及機(jī)理o 失效分析基本程序o 失效分析技術(shù)與設(shè)備o 失效案例分析第第 3 頁(yè)頁(yè)失效分析概論第第 4 頁(yè)頁(yè)失效分析概論1. 基本概念o 失效產(chǎn)品喪失功能或降低到不能滿(mǎn)足規(guī)定的要求。o 失效模式電子產(chǎn)品失效現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。如開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移、不穩(wěn)定等。o 失效機(jī)理導(dǎo)致失效的物理化學(xué)變化過(guò)程，和對(duì)這一過(guò)程的解釋。o 應(yīng)力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品完成功能所需的動(dòng)力和產(chǎn)品經(jīng)歷的環(huán)境條件，是產(chǎn)品退化的誘因。第第 5 頁(yè)頁(yè)失效分析概論2. 失效分析的定義和作用o 失效分析是對(duì)已失效器件進(jìn)行的一種事后檢查。使用電測(cè)試以及先進(jìn)的物理、金相和化學(xué)的分析技術(shù)

2、，驗(yàn)證所報(bào)告的失效，確定試銷(xiāo)模式，找出失效機(jī)理。o 根據(jù)失效分析得出的相關(guān)結(jié)論，確定失效的原因或相關(guān)關(guān)系，從而在產(chǎn)生工藝、器件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)或應(yīng)用方面采取糾正措施，以消除失效模式或機(jī)理產(chǎn)生的原因，或防止其再次出現(xiàn)。第第 6 頁(yè)頁(yè)主要失效模式及機(jī)理第第 7 頁(yè)頁(yè)失效模式失效模式就是失效的外在表現(xiàn)形式。o 按持續(xù)性分類(lèi)：致命性失效，間歇失效，緩慢退化o 按失效時(shí)間分：早期失效，隨機(jī)失效，磨損失效o 按電測(cè)結(jié)果分：開(kāi)路，短路或漏電，參數(shù)漂移，功能失效o 按失效原因分：電應(yīng)力（EOS）和靜電放電（ESD）導(dǎo)致的失效，制造工藝不良導(dǎo)致的失效第第 8 頁(yè)頁(yè)失效模式及分布集成電路集成電路分立元件分立元件第第 9

3、 頁(yè)頁(yè)電阻器電阻器電容器電容器失效模式及分布第第 10 頁(yè)頁(yè)繼電器繼電器按插元件按插元件失效模式及分布第第 11 頁(yè)頁(yè)失效機(jī)理1. 過(guò)應(yīng)力失效o電過(guò)應(yīng)力電源輸出輸入的電源、電壓超過(guò)規(guī)定的最大額定值。o熱過(guò)應(yīng)力環(huán)境溫度、殼溫、結(jié)溫超過(guò)規(guī)定的最大額定值。o機(jī)械過(guò)應(yīng)力振動(dòng)、沖擊、離心力或其他力學(xué)量超過(guò)規(guī)定的最大額定值。第第 12 頁(yè)頁(yè)失效機(jī)理2. CMOS電路閂鎖失效o條件在使用上（VI；VO）VDD或（VI；VO）VSS；或電源端到地發(fā)生二次擊穿。o危害一旦導(dǎo)通電源端產(chǎn)生很大電流，破壞性和非破壞性。o失效特點(diǎn)點(diǎn)現(xiàn)象，內(nèi)部失效判別。o測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD78 IC Latch-Up Test。第

4、第 13 頁(yè)頁(yè)3. ESD失效機(jī)理靜電放電給電子元器件帶來(lái)?yè)p傷，引起的產(chǎn)品失效。失效機(jī)理o過(guò)電壓場(chǎng)致失效放電回路阻抗較高，元器件因接受高電荷而產(chǎn)生高電壓導(dǎo)致電場(chǎng)損傷，多發(fā)生于電容器件。o過(guò)電流熱致失效放電回路阻抗較低，元器件因放電期間產(chǎn)生強(qiáng)電流脈沖導(dǎo)致高溫?fù)p傷，多發(fā)生于雙極器件。第第 14 頁(yè)頁(yè)4. 金屬腐蝕失效o當(dāng)金屬與周?chē)橘|(zhì)接觸時(shí)，由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)作用而引起金屬腐蝕。o電子元器件中，外引線(xiàn)及封裝殼內(nèi)的金屬因腐蝕而引起電性能惡化直至失效。o腐蝕產(chǎn)物形貌觀察和成分測(cè)定對(duì)失效分析很有幫助。失效機(jī)理第第 15 頁(yè)頁(yè)失效機(jī)理5. 銀離子遷移o銀離子遷移是一種電化學(xué)現(xiàn)象，在具備水份和電場(chǎng)的條

5、件時(shí)發(fā)生。第第 16 頁(yè)頁(yè)失效機(jī)理6. 金鋁化合物失效o金和鋁鍵合，在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和使用后，金鋁之間生成AuAl2，AuAl，Au2Al，Au5Al2，Au4Al等金屬間化合物（IMC）o這些IMC的物理性質(zhì)不同，電導(dǎo)率較低。 AuAl2呈紫色，俗稱(chēng)紫斑； Au5Al2，Au4Al呈淺金黃色，俗稱(chēng)黃斑；Au2Al呈白色俗稱(chēng)白斑。o鍵合點(diǎn)生成金鋁化合物后，鍵合強(qiáng)度降低、變脆開(kāi)裂、接觸電阻增大，器件出現(xiàn)性能退化或引線(xiàn)從鍵合界面處脫落導(dǎo)致開(kāi)路。IMCIMC第第 17 頁(yè)頁(yè)失效機(jī)理7. 柯肯德?tīng)栃?yīng)o金鋁鍵合系統(tǒng)中，若采用Au絲熱壓焊工藝，由于高溫，金向鋁中迅速擴(kuò)散，在金層一側(cè)留下部分原子空隙，這些原子空

6、隙自發(fā)聚積，在金屬間化合物與金屬交界面上形成了空洞，這稱(chēng)為柯肯德?tīng)栃?yīng)。o當(dāng)柯氏效應(yīng)（空洞）增大到一定程度后，將使鍵合界面強(qiáng)度急劇下降，接觸電阻增大，最終導(dǎo)致開(kāi)路失效。第第 18 頁(yè)頁(yè)失效機(jī)理8. 金屬化電遷移o在外電場(chǎng)作用下，導(dǎo)電電子和金屬離子間相互碰撞發(fā)生動(dòng)量交換而使金屬離子受到與電子流方向一致的作用力，金屬離子由負(fù)極向正極移動(dòng)，這種作用力稱(chēng)為“電子風(fēng)”。o對(duì)鋁，金等金屬膜，電場(chǎng)力很小，金屬離子主要受電子風(fēng)的影響，使金屬離子朝正極移動(dòng)，在正極端形成金屬離子的堆積，形成小丘，而在負(fù)極端生產(chǎn)空洞，使金屬條斷開(kāi)。第第 19 頁(yè)頁(yè)9. “爆米花效應(yīng)”（分層效應(yīng)）o“爆米花效應(yīng)”是指塑封器件塑封材料

7、內(nèi)的水份在高溫下受熱發(fā)生膨脹，使塑封料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層，拉斷鍵合絲，發(fā)生開(kāi)路失效或間歇失效。失效機(jī)理第第 20 頁(yè)頁(yè)失效分析基本程序第第 21 頁(yè)頁(yè)3. 失效分析程序失效分析基本程序樣品基本信息調(diào)查失效現(xiàn)場(chǎng)信息調(diào)查外觀檢查失效模式確認(rèn)方案設(shè)計(jì)非破壞性分析破壞性分析綜合分析報(bào)告編寫(xiě)第第 22 頁(yè)頁(yè)非破壞性分析的基本路徑o 外觀檢查o 模式確認(rèn)（測(cè)試和試驗(yàn)，對(duì)比分析）o 檢漏o 可動(dòng)微粒檢測(cè)o X光照相o 聲學(xué)掃描o 模擬試驗(yàn)失效分析基本程序第第 23 頁(yè)頁(yè)半破壞性分析的基本路徑o 可動(dòng)微粒收集o 內(nèi)部氣氛檢測(cè)o 開(kāi)封檢查o 不加電的內(nèi)部檢查（光學(xué)，SEM，微區(qū)分析）o 加電的內(nèi)部檢查（

8、微探針，熱像，光發(fā)射，電壓襯度像，束感生電流像，電子束探針）o 多余物，污染物成分分析。失效分析基本程序第第 24 頁(yè)頁(yè)破壞性分析的基本路徑o 加電的內(nèi)部檢查（去除鈍化層，微探針，聚焦離子束，電子束探針）o 剖切面分析（光學(xué)，SEM，TEM）o 進(jìn)一步的多余物，污染物成分分析。失效分析基本程序第第 25 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備第第 26 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備技術(shù)技術(shù)探測(cè)源探測(cè)源探測(cè)物理量探測(cè)物理量用途用途電參數(shù)測(cè)試分析電信號(hào)確定失效模式和失效管腳定位掃描聲學(xué)顯微分析（SAM）超聲波超聲波測(cè)量超聲波傳播，分析材料彈性特征，晶體缺陷和多層結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)截面的非破壞性分析X-射線(xiàn)透視儀X射線(xiàn)X射線(xiàn)

9、強(qiáng)度檢測(cè)電子元器件及多層PCB板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）特征X射線(xiàn)光電子通過(guò)測(cè)量光電子能量確定殼層能級(jí)，利用化學(xué)位移測(cè)量化學(xué)鍵和化合物，元素確定，化學(xué)位移顯微紅外吸收光譜（FTIR）紅外線(xiàn)紅外吸收光譜識(shí)別分子官能團(tuán)，有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析二次離子質(zhì)譜（SIMS）離子二次離子元素確定，表面元素分布第第 27 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備技術(shù)技術(shù)探測(cè)源探測(cè)源探測(cè)物理量探測(cè)物理量用途用途光學(xué)顯微鏡可見(jiàn)光反射光表面形貌，尺寸測(cè)量，缺陷觀察掃描電子顯微分析（SEM）電子二次電子，背散射電子表面形貌，晶體缺陷，電位分布，電壓襯度像，電壓頻閃圖，X射線(xiàn)能譜分析（EDS）電子特征X射線(xiàn)元素分析及元素分布俄歇電子

10、能譜（AES）電子俄歇電子表面元素確定和元素深度分布聚焦離子束（FIB） 離子二次離子截面加工和觀察透射電子顯微技術(shù)（TEM）電子電子截面形貌觀察，晶格結(jié)構(gòu)分析第第 28 頁(yè)頁(yè)制樣技術(shù)制樣技術(shù)o 機(jī)械加工工具o 研磨、拋光o 化學(xué)腐蝕o 有機(jī)溶解o 反應(yīng)離子刻蝕o 聚焦離子束（FIB）失效分析技術(shù)與設(shè)備FIB第第 29 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備形貌觀察技術(shù)形貌觀察技術(shù)o 目檢o 光學(xué)顯微鏡（立體顯微鏡、金相顯微鏡）o SEM掃描電子顯微鏡o TEM投射電子顯微鏡o AFM原子力顯微鏡o X-RAY透視o SAM掃描聲學(xué)顯微鏡第第 30 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備結(jié)構(gòu)o 主架o 載物臺(tái)o 照明系統(tǒng)o

11、目鏡系統(tǒng)o 物鏡系統(tǒng)o 拍照系統(tǒng)光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡第第 31 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備SEM-EDS第第 32 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備Topography of Carbon Particle Sample (BFI)TEM第第 33 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備AFM第第 34 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備X-Ray透視系統(tǒng)透視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)o X射線(xiàn)源o 屏蔽箱o 樣品臺(tái)o X射線(xiàn)接收成像系統(tǒng)第第 35 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備SAM結(jié)構(gòu)o換能器及支架o脈沖收發(fā)器o示波器o樣品臺(tái)（水槽）o計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)o顯示器第第 36 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備成分分析技術(shù)成分分析技術(shù)o EDSX射線(xiàn)能量色散譜o AES俄歇電

12、子能譜o SIMS二次離子質(zhì)譜o XPSX光電子能譜o FTIR紅外光譜o GCMS氣質(zhì)聯(lián)用o IC離子色譜o 內(nèi)腔體氣氛檢測(cè)分析第第 37 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備0700333.spe: d,2574SAE Magnetic03 Jul 30 10.0 keV 0 FRR1.3480e+004 max2.75 minSur1/Full/1 (S15D5)500100015002000-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5x 1040700333.speKinetic Energy (eV)c/s C O TiAtomic %C1 52.9Ti1 35.9O1 11.2d

13、AES第第 38 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備CF3CF3CF3FOOOOOPPPNNNF3CCF3TOF-SIMS第第 39 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備XPSo用途：主要用于固體樣品表面的組成、化學(xué)狀態(tài)分析。能進(jìn)行定性、半定量及價(jià)態(tài)分析。XPS第第 40 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備FT-5268-05 . Contamination from machine719.101040.781071.691117.071269.201376.061397.541459.541507.721537.421731.082851.412918.42 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110

14、%Transmittance 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 W avenumbers (cm-1)Condensed smear from compressed airFTIR第第 41 頁(yè)頁(yè)內(nèi)部無(wú)損分析技術(shù)內(nèi)部無(wú)損分析技術(shù)oX-Ray透視觀察oSAM掃描聲學(xué)顯微鏡oPIND內(nèi)部粒子噪聲分析o氣密性分析失效分析技術(shù)與設(shè)備第第 42 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備故障定位技術(shù)故障定位技術(shù)o 電參數(shù)檢測(cè)分析定位（探針檢測(cè)）o 形貌觀察定位o 液晶敏感定位o 紅外熱成像定位o 光輻射顯微定位第第 43 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備o目的：確認(rèn)失效模式和失效管腳定位，識(shí)別部分

15、失效機(jī)理。o方法：與同批次好品同時(shí)進(jìn)行功能測(cè)試和管腳直流特性（I-V特性）測(cè)試，對(duì)照良好樣品、產(chǎn)品規(guī)范，解釋差異。o結(jié)果：可識(shí)別參數(shù)漂移、參數(shù)不合格、開(kāi)路、短路與失效現(xiàn)場(chǎng)不一致等失效模式和機(jī)理。良好樣品的I-V特性曲線(xiàn)失效樣品的I-V特性曲線(xiàn)電參數(shù)檢測(cè)分析電參數(shù)檢測(cè)分析第第 44 頁(yè)頁(yè)紅外熱像技術(shù)紅外熱像技術(shù)改進(jìn)前的混合電路熱分布圖改進(jìn)前的混合電路熱分布圖改進(jìn)后的混合電路熱分布圖改進(jìn)后的混合電路熱分布圖失效分析技術(shù)與設(shè)備第第 45 頁(yè)頁(yè)失效分析技術(shù)與設(shè)備應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析o 環(huán)境應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析o 電應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析o 機(jī)械應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析第第 46 頁(yè)頁(yè)失效案例分析第第 47 頁(yè)頁(yè)失效案例分析LE

16、ACH繼電器失效分析全過(guò)程繼電器失效分析全過(guò)程o 應(yīng)了解的信息（相關(guān)知識(shí)、失效樣品信息、失效相關(guān)信息）o 失效模式確認(rèn)o 制定分析方案（動(dòng)態(tài)）o 證據(jù)提取、分析推進(jìn)o 綜合分析和結(jié)論o 編寫(xiě)報(bào)告第第 48 頁(yè)頁(yè)失效案例分析1.了解繼電器相關(guān)知識(shí)o種類(lèi)：電磁繼電器、固體繼電器o結(jié)構(gòu)：電磁系統(tǒng)、觸點(diǎn)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)o電磁繼電器的工作原理：1)電驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈 產(chǎn)生磁力 機(jī)械力 帶動(dòng)觸點(diǎn) 完成電連接2)簧片或彈簧力 斷開(kāi)觸點(diǎn) 完成電切斷第第 49 頁(yè)頁(yè)失效案例分析o 繼電器主要失效模式和失效機(jī)理失效模式接觸失效線(xiàn)圈失效絕緣失效密封失效表現(xiàn)形式接觸電阻增大或時(shí)斷時(shí)通、觸點(diǎn)粘結(jié)、觸點(diǎn)斷開(kāi)故障、吸合/釋放電壓

17、漂移。線(xiàn)圈電阻超差、線(xiàn)圈開(kāi)路、線(xiàn)圈短路。絕緣電阻變小、介質(zhì)耐壓降低。外殼損壞失效機(jī)理觸點(diǎn)表面電化學(xué)腐蝕；觸點(diǎn)表面高溫氧化；燃弧破壞觸點(diǎn)表面，粘連，產(chǎn)生碳膜；觸點(diǎn)表面金屬電遷移；內(nèi)部多余物殘留；內(nèi)部有機(jī)材料退化產(chǎn)生多余物；觸點(diǎn)動(dòng)作撞擊；諧振；外部強(qiáng)電磁場(chǎng)等。漆膜材料缺陷；漆膜電壓擊穿、漏電；漆膜溫度、紫外光、輻射退化；漆包線(xiàn)機(jī)械損傷。絕緣材料退化密封漏氣第第 50 頁(yè)頁(yè)失效案例分析2. 了解失效樣品產(chǎn)品信息o氣密封裝o工作電壓DC48Vo觸點(diǎn)電壓125Vo觸點(diǎn)電流5Ao觸點(diǎn)電阻955 3. 了解現(xiàn)場(chǎng)失效信息o使用場(chǎng)合：空調(diào)環(huán)境（27C）o失效現(xiàn)象：殼溫高o使用時(shí)間：一年多o失效率：12.5%第第 51 頁(yè)頁(yè)4. 確定失效模式o線(xiàn)圈溫度異常o線(xiàn)圈電阻異常（嚴(yán)重減?。﹐漆包線(xiàn)漆膜破裂，銅芯絲裸露o漆包線(xiàn)短路漏電o結(jié)論：線(xiàn)圈失效失效案例分析第第 52 頁(yè)頁(yè)失效案例分析5. 失效原因分析FTIR分析結(jié)果第第 53 頁(yè)頁(yè)失效案例分析差熱分析結(jié)果第第 54 頁(yè)頁(yè)失效案例分析氣相色譜質(zhì)譜分析結(jié)果良品漆包線(xiàn)未變黑失效樣品漆包線(xiàn)變黑失效樣品漆包線(xiàn)脫氣量（g/g）2.17922.71515.322脫付的有機(jī)成份有機(jī)溶劑（苯酚、呋喃等）有機(jī)溶劑（苯酚、呋喃等）鄰