1、2020/9/12,可靠性測試與失效分析,楊 立 新,2020/9/12,1,可靠性測試與失效分析,可靠性基本概念,2020/9/12,2,可靠性測試與失效分析 前言,1.前言 質量（Quality）和可靠性（Reliability）是IC產品的生命，好的品質及使用的耐力是一顆優(yōu)秀IC產品的競爭力所在。在做產品驗證時我們往往會遇到三個問題，驗證什么，如何去驗證，哪里去驗證，驗證后的結果分析(Failure analysis), 如何進行提高(Improvement). 解決了這些問題，質量和可靠性就有了保證，制造商才可以大量地將產品推向市場，客戶才可以放心地使用產品。 本文中將介紹可靠性的定義

2、,測試方法和標準, 失效機理以及失效分析方法。,2020/9/12,3,可靠性測試與失效分析 質量與可靠性,2.質量與可靠性 質量是一組固有特性滿足要求的程度 質量是對滿足程度的描述，滿足要求的程度的高低反映為質量的好壞，在比較質量的優(yōu)劣時，應注意在同一等級上進行比較。 可靠性: 產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力 可靠性的概率度量稱可靠度(即完成規(guī)定功能的概率)。 產品或產品的一部分不能或將不能完成規(guī)定功能(Spec)的事件或狀態(tài)稱故障，對電子元器件來說亦稱失效。,2020/9/12,4,可靠性測試與失效分析 質量與可靠性,質量與可靠性的相關性 質量提高，器件的一致性變好(如參

3、數(shù)分布等) 器件的一致性更好，可靠性則更均勻(uniform)。 質量缺陷的問題被解決，則該缺陷引起的可靠性失效則不 會發(fā)生。 更進一步說，高質量等于高可靠性。,2020/9/12,5,可靠性測試與失效分析 可靠性試驗,3.可靠性試驗 可靠性試驗是評估產品一定時間內可靠性水平,暴露存在的問題。 規(guī)定條件環(huán)境條件(溫度/濕度/振動等)，負載大小，工作方式等。 規(guī)定時間隨時間推移，產品可靠度下降。 規(guī)定功能所有功能和技術指標。 可靠性是設計并制作在產品內的，而不是試驗出來的?？煽啃栽囼炛荒芙档陀脩舻娘L險。 新的可靠性評估方法是改評估產品為評估生產線，相信合格的生產線能把可靠性做到產品中去。,202

4、0/9/12,6,可靠性測試與失效分析 失效率,4.失效率(Failure rate) 失效率是可靠性測試中最關鍵的參數(shù)。 失效率某時刻尚未失效的器件繼續(xù)工作下去時在單位時間內失效的幾 率。 通常以 FIT（Failure In Time）作單位，1FIT=10億個產品1小時 內失效1個或1000小時內1ppm的失效率。 失效率的倒數(shù)表示兩個失效之間的間隔時間，即MTBF （Mean Time Between Failure）。,2020/9/12,7,可靠性測試與失效分析 失效率,例 有100塊IC，在1000小時內失效5塊，在10001010小時失效38 塊，求t1000，和t1010h的

5、失效率的估計值？ (0）5/1000(100-0)=5105/h50000 Fit(1000)38/(1010-1000)(100-5)0.4% h1,2020/9/12,8,可靠性測試與失效分析 失效率,失效率曲線示意圖 (Bathtub curve),Time,Failure Rate,Infant Mortality,Product Life Time,Wear Out,Commercial5 years Industrial10 years Automotive10-20 years CustomVarious,隨機失效,早期失效,有用壽命期,磨損失效,2020/9/12,9,可靠性測

6、試與失效分析 失效率,早期失效：產品本身存在的缺陷（設計缺陷/工藝缺陷）造成，改進設計/材料/工藝的質量管理，可明顯改善早期失效率 偶然失效：失效率低且穩(wěn)定，不當應用是失效主要原因 耗損失效：磨損、老化、疲勞等引起產品性能惡化。如緩慢的化學變化使材料退化，壓焊點氧化等,2020/9/12,10,可靠性測試與失效分析 失效率,2020/9/12,11,可靠性測試與失效分析 失效機理,5.失效機理 熱效應 金線熱疲勞而斷開、塑封體裂紋引起密封性失效、粘片層空洞引起熱阻增大、鈍化層開裂、芯片開裂、鋁再結構造成開/短路、鍵合處出現(xiàn)紫斑開路等 化學效應 引腳腐蝕、塑封/界面/裂紋吸濕引起鋁線腐蝕/鍵合區(qū)

7、電化學腐蝕、水汽帶入的離子引起漏電、塑封體中的雜質離子引起漏電等 電效應 強電場導致柵氧擊穿/MOS電容擊穿、 大電流發(fā)熱導致多晶電阻燒毀/PN結區(qū)硅燒熔/金屬間電弧/鋁燒熔/塑封碳化等。 機械應力 振動、加速度、應力等,2020/9/12,12,可靠性測試與失效分析 抽樣數(shù)和可接受失效數(shù),6.抽樣數(shù)和可接受失效數(shù) 抽樣數(shù)和可接受失效數(shù)由可接受的產品不合格質量水平及可信度推算。 通常的抽樣77pcs允許1pc失效對應的可接受不合格質量水平的不合格率為5%/1000hrs(50ppm),2020/9/12,13,可靠性測試與失效分析,可靠性測試,2020/9/12,14,可靠性測試與失效分析 可

8、靠性工程師工作內容,1.可靠性工程師工作內容 樣品準備 可靠性測試 失效分析 數(shù)據(jù)處理與歸檔,2020/9/12,15,可靠性測試與失效分析 試驗種類,2.試驗種類 環(huán)境試驗 溫度循環(huán)/沖擊、高壓蒸煮、加速濕熱、鹽霧、耐焊接熱、高溫儲存 壽命試驗 早期失效率、動態(tài)/靜態(tài)/間歇高溫壽命試驗 機械試驗 振動/沖擊、加速度、可焊性、鍵合強度 ESD/Latch-up測試,2020/9/12,16,可靠性測試與失效分析 可靠性測試計算工作,3.可靠性測試計算工作 可靠性試驗參照標準 加速試驗加速因子的計算 加速環(huán)境應力與失效機理的對應關系 工藝/封裝/設計變動與可靠性試驗選擇 樣品數(shù)量/批次的選擇,2

9、020/9/12,17,可靠性測試與失效分析 高溫工作壽命,4.圓片工藝相關的可靠性試驗 4.1 高溫工作壽命(HTOL/Burn-in) 目的：考核產品在規(guī)定條件下全工作時間內的可靠性，發(fā)現(xiàn)熱/電壓加速失效機理，預估長期工作的失效率。 條件：125oC（或使結溫等于額定值），Vddmax,168hrs（消除早期失效元件，把元件帶到隨機失效區(qū)）1000hrs （進入有用壽命期，試驗時間長短對應有用壽命期長短）。 失效機理：高溫下芯片表面和內部的雜質加速反應，缺陷進一步生長，使器件性能退化。可動離子富集導致的表面溝道漏電，結特性退化，電場加速介質擊穿，高溫加速電遷移等。 對大功率器件，可采用常溫

10、功率負荷的方式使結溫達到額定值。檢驗電遷移問題，采用大電流高溫加速。,2020/9/12,18,可靠性測試與失效分析 高溫工作壽命,早期失效實例,2020/9/12,19,可靠性測試與失效分析 高溫工作壽命,2020/9/12,20,可靠性測試與失效分析 高溫儲存,4.2 高溫儲存(HTST) 目的：考核無電應力情況下，長期高溫存儲對產品的影響。 條件：150oC，1000hrs。 失效機理：因擴散導致硅鋁共熔形成硅化物而使接觸電阻增大直致開路、金鋁鍵合因形成合金而退化（紫斑） 、高溫下鈦阻擋層缺陷、塑封料高溫下加速老化導致絕緣/防護性能劣化或釋放雜質、表面沾污高溫下加速腐蝕。 現(xiàn)在的半導體器

11、件穩(wěn)定性已很高，該試驗已不足以暴露問題。,2020/9/12,21,可靠性測試與失效分析 表面貼裝器件的預處理,5.封裝可靠性試驗 5.1 表面貼裝器件的預處理（Precondition） 目的：模擬表面貼裝器件被運輸/儲存/再流焊到PCB上的過程 條件：T/C (-40oC60oC，5cycles，模擬空運) Bake（125oC，24hrs，去除濕氣)Moisture Soak（模擬打開防潮包裝后的儲存，條件由MSL定， 1:85oC/85%RH，168hrs；2: 85oC/60%RH，168hrs ） Reflow(3cycle，模擬回流焊，條件與是否無鉛工藝/塑封大小有關) ET/S

12、AT 失效機理：因富集在塑封體內各界面的水汽在表貼過程中迅速膨脹及材料的不匹配而導致界面分層或塑封體開裂，影響產品可靠性，嚴重時可導致開路。,2020/9/12,22,可靠性測試與失效分析 表面貼裝器件的預處理,2020/9/12,23,可靠性測試與失效分析 表面貼裝器件的預處理,2020/9/12,24,可靠性測試與失效分析 溫度循環(huán)/沖擊,2020/9/12,25,可靠性測試與失效分析 溫度循環(huán)/沖擊,5.2 溫度循環(huán)/沖擊（T/C，T/S） 目的：模擬環(huán)境溫度變化或開關機造成的溫度變化，考核溫度交替變化對產品機械/電性能的影響，暴露粘片/鍵合/塑封等封裝工藝/材料缺陷，及金屬化/鈍化等圓

13、片工藝問題。 條件：-65oC150oC,氣體-氣體,15min-50sec-15min, 100/500 cycle, 液體-液體（碳氟化物）,5min-3sec-5min （熱沖擊）。 失效機理：不同材料間熱膨脹系數(shù)差異造成界面熱匹配問題，造成金線斷裂、鍵合脫落（開路）、塑封開裂（密封性失效）、界面分層（熱阻增大） 、鋁線再結構（開短路） 、鈍化層開裂、硅鋁接觸開路、芯片背面劃痕繼續(xù)長大導致芯片開裂。,2020/9/12,26,可靠性測試與失效分析 溫度循環(huán)/沖擊,2020/9/12,27,可靠性測試與失效分析 高溫蒸煮,5.2 高溫蒸煮(PCT/PTH/Autoclave) 目的：檢驗器

14、件抵抗水汽侵入及腐蝕的能力，不包括外部腐蝕。 條件： 121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs。 失效機理：濕氣通過塑封體及各界面被吸入并到達芯片表面,在鍵合 區(qū)形成原電池而加速鋁的腐蝕。另外，水汽帶入的雜質在器件表面形成漏電通道。 試驗后因管腳腐蝕引起的開路或塑封體表面漏電等失效不計。,2020/9/12,28,可靠性測試與失效分析 高溫蒸煮,2020/9/12,29,可靠性測試與失效分析 高溫蒸煮,2020/9/12,30,可靠性測試與失效分析 高溫高濕電加速,5.3 高溫高濕電加速（THB/HAST） 目的：模擬非密封器件在高溫高濕環(huán)境下工作，檢驗塑封產品抗水汽

15、侵入并腐蝕的能力。 條件：THB 85oC/85%RH，Vccmax static bias，1000hrs HAST 130oC/85%RH/2atm，Vccmax bias，100hrs。 失效機理：相對高壓蒸煮，偏置電壓在潮濕的芯片表面加速了鋁線及鍵合區(qū)的電化學腐蝕。同時，水汽帶入的雜質及塑封體內的雜質在電應力作用下富集在鍵合區(qū)附近和塑封體內引腳之間而形成漏電通道。 24hrs HAST1000hrs THB。 如果在HAST試驗中出現(xiàn)正常工作中不可能出現(xiàn)的失效機理（如塑封體內部的分離），則認為HAST加速條件過于嚴酷而失去有效性。,2020/9/12,31,可靠性測試與失效分析 栓鎖觸

16、發(fā)試驗,6.線路設計相關的可靠性試驗 6.1 栓鎖觸發(fā)試驗（Latch-up） 目的：檢驗產品觸發(fā)栓鎖的閥值條件。 條件：盡量讓器件處于最壞工作條件下，從各引腳輸入大電壓或電流作為觸發(fā)源，檢查撤去觸發(fā)源后電源電流判斷是否發(fā)生栓鎖。 失效機理：內部寄生的雙極正反饋結構在大電應力或瞬變電應力下被激發(fā)，導致電源電流無限增大（近似電源與地短路），觸發(fā)源撤去后，寄生正反饋結構仍在工作，直致電源撤去或電路被燒毀。,2020/9/12,32,可靠性測試與失效分析 靜電放電試驗,6.2 靜電放電試驗（ESD） 目的：檢驗產品承受靜電放電的能力。 條件：模擬人體/設備/器件放電的電流波形，按規(guī)定的組合及順序對器

17、件各引出端放電。 失效機理：強電場導致柵氧擊穿/MOS電容擊穿、 大電流發(fā)熱導致多晶電阻燒毀/PN結區(qū)硅燒熔/金屬間電弧等.在高環(huán)境溫度下，熱致失效所需的靜電能量越低。另有潛在性失效，使器件抗靜電能力下降，壽命縮短，而實際使用中出現(xiàn)的靜電失效大多為潛在性失效。,2020/9/12,33,可靠性測試與失效分析 靜電放電試驗,2020/9/12,34,可靠性測試與失效分析 靜電放電試驗,2020/9/12,35,可靠性測試與失效分析,失效分析,2020/9/12,36,可靠性測試與失效分析 失效分析基本概念,1.失效分析基本概念 目的： 確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

18、機理重復出現(xiàn)。 失效模式：指觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。 失效機理：指失效的物理化學過程，如疲勞、腐蝕和過應力等。,2020/9/12,37,可靠性測試與失效分析 失效原因,1.1 失效原因 引起開路失效的主要原因： 過電損傷、靜電擊穿、金屬電遷移、金屬的化學腐蝕、壓焊點脫落、閂鎖效應。 其中淀積Al時提高硅片的溫度可以提高Al原子的晶塊體積，可以改善電遷移。,閂鎖效應電源對地的IV曲線,2020/9/12,38,可靠性測試與失效分析 失效原因,引起漏電和短路失效的主要原因： 顆粒引發(fā)短路、介質擊穿、PN結微等離子擊穿、SiAl互溶。,正常PN結反向曲線,微

19、等離子擊穿PN結反向曲線,2020/9/12,39,可靠性測試與失效分析 失效原因,引起參數(shù)漂移的主要原因： 封裝內水汽凝結、介質的離子粘污、歐姆接觸退化、金屬電遷移、輻射損傷。 例： Pad點處無鈍化層，有水汽的話，會導致短路，水汽蒸發(fā)后又恢復絕緣性，表現(xiàn)為工作時參數(shù)不穩(wěn)定。,2020/9/12,40,可靠性測試與失效分析 失效物理模型,1.2 失效物理模型 應力強度模型（適于瞬間失效） 失效原因：應力強度 例如：過電應力（EOS）、靜電放電（ESD）、閂鎖（Latch up）等。 應力時間模型 （適于緩慢退化） 失效原因：應力的時間積累效應，特性變化超差。 例如：金屬電遷移、腐蝕、熱疲勞等

20、。,2020/9/12,41,可靠性測試與失效分析 失效物理模型,溫度應力時間模型 應速度符合下面的規(guī)律：,（M是溫度敏感參數(shù)，E是與失效機理有關的激活能）,（十度法則：從室溫開始， 每提高10度，壽命減半）,產品平均壽命的估算,2020/9/12,42,可靠性測試與失效分析 失效分析一般程序,1.3 失效分析一般程序 收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù) 電學測量測并確定失效模式 非破壞性分析 打開封裝 鏡檢 通電激勵芯片 失效定位 對失效部位進行物理、化學分析 綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施,2020/9/12,43,可靠性測試與失效分析 收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù),2.收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù),應力類型與元器件失效模式

21、或機理的關系舉例,2020/9/12,44,可靠性測試與失效分析 收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù),收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)的主要內容: 失效環(huán)境、失效應力、失效發(fā)生期以及失效樣品在失效前后的電測試結果。 失效環(huán)境包括：溫度、濕度、電源環(huán)境、元器件在電路圖上的位置和所受電偏置的情況。 失效應力包括：電應力、溫度應力、機械應力、氣候應力和輻射應力。 失效發(fā)生期包括：失效樣品的經歷、失效時間處于早期失效、隨機失效或磨損失效。,2020/9/12,45,可靠性測試與失效分析 電學測量,3.電學測量 電子元器件的電測失效分類： 連接性失效（開路、短路、電阻變化等） 多數(shù)是ESD和EOS引起的，比例大概50。 電參數(shù)失效（值超

22、出范圍和參數(shù)不穩(wěn)定） 例如：電流增益、光電流、暗電流等。 功能失效（給定輸入信號，輸出異常),2020/9/12,46,可靠性測試與失效分析 電學測量,431功能失效,Ref-Anode 電流偏大,2020/9/12,47,可靠性測試與失效分析 電學測量,電測的重要結論 電測失效模式可能多種模式共存。 一般只有一個主要失效模式，該失效模式可能引發(fā)其他失效模式。 連接性失效，電參數(shù)失效和功能失效呈遞增趨勢，功能失效和電參數(shù)失效時?？梢詺w結于連接性失效。 在缺少復雜功能測試設備時，有可能用簡單的連接性測試和參數(shù)測試，結合物理失效分析技術，仍然可以獲得令人滿意的失效分析結果,2020/9/12,48

23、,可靠性測試與失效分析 電學測量,從第46頁的測試曲線可以看出，電路的大管子應該有損傷(Cathode- Anode)。但同時也伴隨Ref-Anode電流變大的現(xiàn)象。,REF,Anode,Cathode,左圖是開蓋后看到的結果，與上面的猜測相符。 輸出管擊穿是各種失效模式的原因。,2020/9/12,49,可靠性測試與失效分析 無損分析技術,4.無損失效分析技術 不必打開封裝對樣品進行失效定位和失效分析的技術。 X射線透視技術 反射式掃描聲學顯微技術（CSAM）,2020/9/12,50,可靠性測試與失效分析 無損分析技術,紅色區(qū)域為芯片與L/F之間有空隙,X-ray,C-SAM,2020/9

24、/12,51,可靠性測試與失效分析 光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡,5.失效定位技術 5.1 光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM),2020/9/12,52,可靠性測試與失效分析 光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡,光學顯微鏡,SEM,2020/9/12,53,可靠性測試與失效分析 顯微紅外熱像分析技術,5.2 顯微紅外熱像分析技術 測試原理： 芯片通電過程中會發(fā)熱，由于芯片各部位電流強度不同，導致芯片表面溫度不同，紅外熱像儀掃描整個芯片，可以獲得芯片溫度分布圖。輸出圖的顏色對應該點的溫度。 儀器性能指標： 熱分辨率0.1,空間分辨率5um，測溫范圍30550,最靈敏溫度范圍80180。,2020/9/1

25、2,54,可靠性測試與失效分析 顯微紅外熱像分析技術,2020/9/12,55,可靠性測試與失效分析 液晶熱點檢測技術,5.3 液晶熱點檢測技術 液晶是一種既具有液體的流動性，又具有晶體各向異性的物質。具 有一個獨特性質，當溫度高于某一臨界溫度Tc時，就會變成各向同性。,2020/9/12,56,可靠性測試與失效分析 液晶熱點檢測技術,該技術存在的缺點是電流檢測靈敏度不高，需要mA級電流,2020/9/12,57,可靠性測試與失效分析 光輻射顯微分析,5.4 光輻射顯微分析(PEM) 原理： 半導體許多缺陷類型在特定電應力下會產生漏電，并伴隨電子躍遷而導致光輻射。 操作方法： 首先，在外部光源

26、下對制品進行數(shù)碼照相。然后對此局部加偏壓 (直流偏壓或信號)，并在不透光的暗箱中進行微光照相。最后兩相片疊加。 適用范圍： 漏電結、接觸尖峰、氧化缺陷、柵針孔、靜電放電（ESD）損傷、閂鎖效應（Latch up）、熱載流子、飽和晶體管及開關管等,2020/9/12,58,可靠性測試與失效分析 光輻射顯微分析,缺點： 有些光輻射是正常的器件，如飽和晶體管，正偏二極管等。 有些很明顯的失效并不產生光輻射，如歐姆型短路等。 還有些缺陷雖產生輻射，但由于在器件的深層或被上層物質遮擋，無法探測 優(yōu)點： 操作簡單、方便，可以探測到半導體器件中的多種缺陷和機理引起的退化和失效，尤其在失效定位方面具有準確、直

27、觀和重復再現(xiàn)性。 無需制樣，非破壞性，不需真空環(huán)境，可以方便的施加各種靜態(tài)和動聽過的電應力。 精度：幾十PA/um2，定位精度為1微米。 另外還有光譜分析功能，通過對輻射點的特征光譜分析來確定輻射的性質和類型。,2020/9/12,59,可靠性測試與失效分析 光輻射顯微分析,2020/9/12,60,可靠性測試與失效分析 電子元器件化學成份分析技術,6.電子元器件化學成份分析技術 器件失效主要原因是污染（顆粒污染和表面污染），確認污染源是實施改進措施的先決條件。 另外，界面之間原子互擴散也會引起特性退化和失效，也許要化學分析確認。,2020/9/12,61,可靠性測試與失效分析 電子元器件化學成份分析技