FMEA失效分析的步驟與方法

失效分析步驟與方法--徐勤偉06年5月QRADEPARTMENT第一頁，共五十四頁。內(nèi)容提要基本概念失效分析的目的和作用失效分析的一般步驟失效分析技術(shù)介紹失效機(jī)理的分析案例注意事項Q&A第二頁，共五十四頁。一、基本概念失效器件性能發(fā)生劇烈的或是緩慢的變化,這些變化達(dá)到一定程度,器件不能正常工作,這種現(xiàn)象叫做失效。失效模式指失效的表現(xiàn)形式，一般指器件失效時的狀態(tài)，如開路、短路、漏電或參數(shù)漂移等。第三頁，共五十四頁。失效模式的分類按失效的持續(xù)性致命性、間歇性、緩慢退化按失效時間早期失效、隨機(jī)失效、磨損失效按電測結(jié)果開路、短路、漏電、參數(shù)漂移第四頁，共五十四頁。失效機(jī)理失效的物理和化學(xué)根源叫失效機(jī)理。物理和化學(xué)根源包括：環(huán)境、應(yīng)力和時間，環(huán)境和應(yīng)力包括溫度、濕度、電、機(jī)械等失效的物理模型應(yīng)力-強(qiáng)度模型認(rèn)為失效原因是由于產(chǎn)品所受應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度，此模型可解釋EOS、ESD、Bodycrack等。應(yīng)力-時間模型認(rèn)為產(chǎn)品由于受到應(yīng)力的時間累積效應(yīng)，產(chǎn)品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達(dá)到一定程度時失效，此模型可解釋材料的歐姆接觸電阻增大，電壓隨時間衰降，焊接部分的熱疲勞現(xiàn)象等。第五頁，共五十四頁。二、失效分析的目的及作用目的找出器件失效的物理和化學(xué)根源，確定產(chǎn)品的失效機(jī)理作用獲得改進(jìn)工藝、提出糾正措施，防止失效重復(fù)出現(xiàn)的依據(jù)確定失效的責(zé)任方，避免不必要的損失賠償評估產(chǎn)品的可靠度第六頁，共五十四頁。三、一般步驟1、收集失效數(shù)據(jù)2、烘焙3、測試并確定失效模式4、非破壞性分析5、DE-CAP6、失效定位7、對失效部分進(jìn)行物理化學(xué)分析8、綜合分析，確定失效原因，提出改善措施第七頁，共五十四頁。1、失效數(shù)據(jù)收集作用：根據(jù)失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)估計失效原因和 失效責(zé)任方失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)的內(nèi)容失效環(huán)境：潮濕、輻射失效應(yīng)力：過電、靜電、高溫、低溫、高低溫失效發(fā)生期:早期、隨機(jī)、磨損失效歷史：以往同類器件的失效狀況第八頁，共五十四頁。2、烘焙對于一些經(jīng)過潮濕環(huán)境下失效，或從其電性上表現(xiàn)為漏電大或不穩(wěn)定的器件，有必要進(jìn)行烘焙后測試方法：溫度：150℃常壓時間：4小時以上第九頁，共五十四頁。3、電性測試及確定失效模式不同與質(zhì)量檢驗為目的的測試，采用非標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法，可以簡化．包括引腳測試和芯片測試兩類可以確定失效的管腳和模式，但不能確定失效的確切部位第十頁，共五十四頁。4、非破壞性分析定義：不必打開封裝對樣品進(jìn)行失效分析的方法，一般有：顯微鏡的外觀檢驗X-RAY檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)C-SAM掃描內(nèi)部結(jié)構(gòu)及分層第十一頁，共五十四頁。5、DE-CAP分析步驟一：去黑膠配比：發(fā)煙HNO3：H2SO4=3：1加熱時間：煮沸后5-10分鐘（根據(jù)材料大?。? 注意：酸液不能超過燒杯的規(guī)定刻度，以防加熱過程酸液濺出來顯微鏡觀察焊接件結(jié)構(gòu)，芯片的外觀檢查等烘烤后測試第十二頁，共五十四頁。步驟二：去銅配比濃硝酸加熱時間：沸騰后3-5分鐘離開電爐至銅反應(yīng)完

注意：加熱沸騰比較劇烈，加酸液的液面不要超過燒杯的規(guī)定刻度，顯微鏡觀察，焊錫的覆蓋面積、氣孔、位置、焊錫顆粒，芯片Crack等第十三頁，共五十四頁。步驟三：去焊錫配比濃硝酸加熱時間：沸騰后30分鐘左右

注意：加酸液的液面不要超過燒杯規(guī)定刻度，以防止酸液濺出顯微鏡觀察，芯片正反兩面觀察，Surgemark點，結(jié)構(gòu)電性確認(rèn)第十四頁，共五十四頁。6、失效定位對于在芯片上明顯的異常點，如Surgemark、Microcrack、氧化層脫落，比較容易定位對于目視或顯微鏡下無法觀察到的芯片，可以加電后借助紅外熱像儀或液晶測試找到失效點第十五頁，共五十四頁。7、失效點的物理化學(xué)分析為更進(jìn)一步確認(rèn)失效點的失效機(jī)理，我們需要對失效點進(jìn)行電子放大掃描(SEM)和能譜分析(EDX)，以找到失效點的形貌和化學(xué)元素組成等，作為判定失效原因的依據(jù)。第十六頁，共五十四頁。8、綜合分析根據(jù)前面步驟的逐步分析，確定最終失效原因，提出報告及改善建議及完成報告。你的成果第十七頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)1、攝影和光學(xué)顯微術(shù)本廠有0-400倍的光學(xué)顯微鏡和影象攝取裝置,基本上可以含蓋整個分析過程需要的光學(xué)檢查每個元件都需要記錄一般狀態(tài)的全景照片和特殊細(xì)節(jié)的一系列照片不涉及分析結(jié)果或最終結(jié)論的照片可以在報告中不列入擁有但不需要總比需要但沒有要好第十八頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)光學(xué)顯微鏡作用用來觀察器件的外觀及失效部位的表現(xiàn)形狀、分布、尺寸、組織、結(jié)構(gòu)、缺陷、應(yīng)力等，如觀察器件在過電應(yīng)力下的各種燒毀和擊穿現(xiàn)象，芯片的裂縫、沾污、劃傷、焊錫覆蓋狀況等。例：一些失效的在光學(xué)顯微鏡下觀察到的現(xiàn)象第十九頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)第二十頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)2、電測技術(shù)質(zhì)量檢驗的電測采用標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法，判定該器件是否合格，目的是確定器件是否滿足預(yù)期的技術(shù)要求失效分析的電測采用非標(biāo)準(zhǔn)的測試方式，目的是用于確定器件的失效模式、失效部位并估計可能的實效機(jī)理測試儀器、測試步驟及參數(shù)的種類都可以簡化第二十一頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)失效分析的電測管腳測試管腳測試可以確定失效的模式和管腳，無法確定失效的確切部位例1：GBJ的+AC1電性失效，其余管腳OK，則可以只對+AC1的晶粒做后續(xù)分析，如X-RAY等例2：TO220AB的一端測試顯示HI-VF，我們可以估計可能的失效模式為晶粒橫裂等。第二十二頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)第二十三頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)芯片測試（DECAP后的測試）芯片測試可以縮小失效分析的范圍，省去一些分析步驟例：做過PCT的失效器件在去黑膠后測試電性恢復(fù)，后續(xù)的去銅可以不做，可以初步判定失效機(jī)理為水汽進(jìn)入封裝本體引起，導(dǎo)致失效第二十四頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)3、烘焙技術(shù)對材料的烘焙可以確定材料是否受到潮濕及水汽影響或內(nèi)部離子污染例：PCT失效的材料在烘焙后電性恢復(fù)內(nèi)部離子污染造成的電性失效，烘烤可以“治愈”或逆轉(zhuǎn)變壞電氣特性第二十五頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)4、無損分析技術(shù)定義：無須打開封裝對樣品進(jìn)行失效定位和失效分析的技術(shù)。除電測技術(shù)分析外，有X-射線和反射式聲學(xué)掃描顯微技術(shù)等第二十六頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)X-RAY原理與醫(yī)用的X射線透視技術(shù)完全相同，器件的不同材料造成不同的吸收系數(shù)，收集穿透的X射線通過圖象處理可反映不同部位的影象可以觀察器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，焊錫的狀況，本體氣孔等例：DF-M的焊錫氣孔（手動與自動制程的差異）第二十七頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)手動制程自動制程第二十八頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)C-SAM原理：利用超聲脈沖探測樣品內(nèi)部的空隙缺陷等，超聲波對于不同的介質(zhì)都會產(chǎn)生發(fā)射波，如果遇到空氣即100反射，該技術(shù)是對器件分層最有效的檢測方法可以檢測材料結(jié)構(gòu)界面的粘連和分層狀況，及塑封材料的空洞、芯片開裂等。例：分層器件與正常器件的C-SAM圖片第二十九頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)第三十頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)種類應(yīng)用優(yōu)勢基本原理X射線透視象觀察材料高密度區(qū)的完整性透過材料高密度區(qū)X射線強(qiáng)度衰減C-SAM象觀察材料內(nèi)部空隙，如芯片粘接不良，器件封裝不良超聲波傳播遇空氣隙受阻反射X射線透視與反射式聲掃描比較第三十一頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)5、DE-CAP利用強(qiáng)酸將器件的封裝去處，展示材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是一個破壞性的分析技術(shù)，不可逆轉(zhuǎn)，因此在進(jìn)行此步分析時請確認(rèn)所有非破壞性的分析已經(jīng)完成，本廠通常用燒杯中加熱的方式，更高級的DE-CAP有專門的設(shè)備分析人員須考慮潛在的損壞和每項分析的目的記住木匠遵循的規(guī)律：測量兩次才鋸一次第三十二頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)高級的DE-CAP設(shè)備原理圖（一般用于集成電路）第三十三頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)6、定位技術(shù)（HOTSPOT)紅外熱像儀,液晶探測原理：將失效的芯片通電，在失效點附近會有大的漏電通過，這部分的溫度會升高，利用紅外熱像儀或芯片表面涂液晶用偏振鏡觀察（可以找到失效點，從而可以進(jìn)一步針對失效點作分析例：分別用紅外熱像儀和液晶方法獲得的失效點照片第三十四頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)紅外熱像儀液晶第三十五頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)7、電子掃描（SEM）及能譜分析（EDX）原理：利用陰極所發(fā)射的電子束經(jīng)陽極加速，由磁透鏡聚焦后形成一束直徑為幾百納米的電子束流打到樣品上激發(fā)多種信息（如二次電子，背散射電子，俄歇電子，Ｘ射線），經(jīng)收集處理，形成相應(yīng)的圖象，通常使用二次電子來形成圖象觀察，同時通過特征Ｘ射線可以進(jìn)行化學(xué)成分的分析。第三十六頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)掃描電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的比較儀器名稱真空條件樣品要求透明性空間分辨率最大放大倍數(shù)景深光學(xué)顯微鏡無開封有一定的透明性3600A1200小掃描電子顯微鏡高真空開封去鈍化層無，表面觀察50A50萬大第三十七頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)掃描電鏡的應(yīng)用用來觀察光學(xué)顯微鏡下觀察不到的細(xì)微結(jié)構(gòu)，如觀察芯片擊穿點的立體形貌，針孔等用來分析微區(qū)的化學(xué)成分，如對擊穿點的化學(xué)成分分析，確定失效點的失效原因例：利用電子掃描和能譜分析對失效晶粒的分析案例：第三十八頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)SEM照片針對特定點的能譜分析第三十九頁，共五十四頁。四、失效分析技術(shù)8、剖切面技術(shù)對于缺陷存在與器件內(nèi)部，不容易從正面觀察到就需要進(jìn)行剖切面觀察方法：用環(huán)氧樹脂固化器件，用鋸片及經(jīng)過研磨、拋光后進(jìn)行光學(xué)或電子掃描顯微鏡觀察。第四十頁，共五十四頁。五、器件失效機(jī)理的分析1、過電應(yīng)力損傷（EOS）失效模式：表現(xiàn)為開路、短路、漏電增大、反向偏壓衰降失效機(jī)理：器件受到一種隨機(jī)的短時間的高電壓或強(qiáng)電流沖擊，功率遠(yuǎn)大于額定功率，產(chǎn)生過電應(yīng)力損傷輕度的損傷可能會使期間漏電增大、反向偏壓衰降等嚴(yán)重時失效特征很明顯，芯片有明顯的surgemark，甚至?xí)剐酒_裂，塑封體炭化等第四十一頁，共五十四頁。五、器件失效機(jī)理的分析器件失效機(jī)理的內(nèi)容失效模式與材料、設(shè)計、工藝的關(guān)系失效模式與環(huán)境應(yīng)力的關(guān)系

環(huán)境應(yīng)力包括：過電、溫度、濕度、機(jī) 械應(yīng)力、靜 電、重復(fù)應(yīng)力失效模式與時間的關(guān)系第四十二頁，共五十四頁。五、器件失效機(jī)理的分析2、靜電放電損傷（ESD）失效模式：表現(xiàn)為漏電增大、反向偏壓衰降等失效機(jī)理：帶電人體、接地不良的儀器測試、器件摩擦產(chǎn)生的靜電通過器件產(chǎn)生損傷失效模式與EOS相似，區(qū)分有一定的困難，通?？梢酝ㄟ^HOTSPOT和SEM的方法可能會看到失效點第四十三頁，共五十四頁。五、器件失效機(jī)理的分析3、封裝水汽和離子污染失效模式：表現(xiàn)為漏電增大，電性不穩(wěn)定等失效機(jī)理：水汽來源有a、封裝工藝缺乏防潮措施；b、封裝材料吸收水汽及放出有害氣體，離子污染主要來自芯片工藝過程操作人員和環(huán)境及封裝材料的鈉離子等水汽和離子污染均可用高溫烘烤的方式來驗證第四十四頁，共五十四頁。五、器件失效機(jī)理的分析4、焊接不良失效模式：表現(xiàn)為VF偏高、F/S能力差等失效機(jī)理：焊接氣孔、虛焊、假焊、鍍層脫落等可通過X射線或DE-CAP后去銅觀察焊錫覆蓋狀況來判斷第四十五頁，共五十四頁。六、案例案例1：SMBF12AVCL在PCT失效失效機(jī)理：材料封裝小，水汽容易進(jìn)入封裝本體內(nèi)導(dǎo)致器件失效驗證：a、烘烤后有部分電恢復(fù)；b、DE-CAP去黑膠后測試全部恢復(fù)電性改善措施：改進(jìn)封裝制程或更換封裝材料第四十六頁，共五十四頁。六、案例案例2：GBJ10A在F/S失效失效機(jī)理：芯片本身F/S能力不足，芯片尺寸小（95mil）驗證：a、歷史F/S資料顯示其失效綠居高不下；b、DE-CAP后芯片開裂，屬過電應(yīng)力損傷改善措施：增加芯片尺寸至105mil，提升F/S能力第四十七頁，共五十四頁。七、分析過程的一些注意事項:為了完成任務(wù)而急于進(jìn)行下一步的破壞性分析可能失去找到關(guān)鍵的因素的機(jī)會可能最后得到錯誤的結(jié)論細(xì)致的觀察對每一步驟的樣品必須做全面的觀察對任何異常均需要詳細(xì)的記錄并放大取照第四十八頁，共五十四頁。七、分析過程的一些注意事項:避免帶入潛在的過程影響因素酸溫不宜過高避免驟冷驟熱過程晶粒盡量避免超聲清洗使用示波器測試時選取適當(dāng)串連電阻，加電壓時要緩慢，避免材料被打死拿取材料不宜直接用手，防止靜電損傷避免在器件在輸運(yùn)過程造成機(jī)械損第四十九頁，共五十四頁。七、分析過程的一些注意事項:注意安全嚴(yán)格按照用酸規(guī)定，穿戴好防護(hù)用品煮材料時應(yīng)有人員在場監(jiān)督相關(guān)物品按規(guī)定標(biāo)志存放使用完作好5S第五十頁，共五十四頁。主要設(shè)備實驗化學(xué)解剖臺研磨機(jī)超聲清洗機(jī)沾錫性實驗臺顯微鏡X-RAYC-SAM第五十一頁，共五十四頁。使用化學(xué)用品濃硫酸濃硝酸（發(fā)煙硝酸）第五十二頁，共五十四頁。Q&A第五十三頁，共五十四頁。內(nèi)容總結(jié)失效分析。Q&A。認(rèn)為失效原因是由于產(chǎn)品所受應(yīng)力超過其極