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电子元器件出现不同故障的原因及失效分析
文章作者:总管理员 时间:2020-07-31 09:29

电子元器件在制造、运输、仓储、应用端生产过程、工作过程中都有可能出现少数不良品,出现不同的故障现象。为了找出真正原因,相关工程人员要对失效样品进行分析,具体内容见:

一、失效分析的目的和意义

电子元件失效分折的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,确定其终的失效原因,提出改进设计和制造工艺的建议。防止失效的重复出现,提高元器件可靠性。失效分折是产品可靠性工程的一个重要组成部分,失效分析广泛应用于确定研制生产过程中产生问题的原因,鉴别测试过程中与可靠性相关的失效,确认使用过程中的现场失效机理。

在电子元器件的研制阶段。失效分折可纠正设计和研制中的错误,缩短研制周期;在电子器件的生产,测试和试用阶段,失效分析可找出电子元器件的失效原因和引起电子元件失效的责任方。根据失效分析结果,元器件生产厂改进器件的设计和生产工艺,元器件使用方改进电路板设汁,改进元器件和整机的测试,试验条件及程序,甚至以此更换不合格的元器件供货商。因而,失效分析对加快电子元器件的研制速度,提高器件和整机的成品率和可靠性有重要意义。

失效分折对元器件的生产和使用都有重要的意义.如图所列。

元器件的失效可能发生在其生命周期的各个阶段.发生在产品研制阶段,生产阶段到使用阶段的各个环节,通过分析工艺废次品,早期失效,实验失效及现场失效的失效产品明确失效模式、分折失效机理,终找出失效原因,因此元器件的使用方在元器件的选择、整机计划等方面,元器件生产方在产品的可靠性方案设计过程,都必须参考失效分折的结果。通过失效分折,可鉴别失效模式,弄清失效机理,提出改进措施,并反馈到使用、生产中,将提高元器件和设备的可靠性。

二、失效分析的基本内容

对电子元器件失效机理,原因的诊断过程叫失效分析。进行失效分析往往需要进行电测量并采用的物理、冶金及化学的分析手段。失效分析的任务是确定失效模式和失效机理.提出纠正措施,防止这种失效模式和失效机理的重复出现。因此,失效分析的主要内容包括:明确分析对象、确定失效模式、判断失效原因、研究失效机理、提出预防措施(包括设计改进)

1.明确分析对象

失效分析首先是要明确分析对象及失效发生的背景。失效分析人员应该了解失效发生时的状况.确定在设计,生产,检测,储存,传送或使用哪个阶段发生的失效,如有可能,要知道失效发生时的现象以及失效发生前后的操作过程。在条件许可的情况下.尽可能的复现失效。

2.确定失效模式

失效的表面现象或失效的表现形式就是失效模式。失效模式的确定通赏采用两种方法,即电学测试和显微镜现察。根据测试、观察到的现象与效应进行初步分析,确定出现这些现象的可能原因,或者与失效样品的哪一部分有关;同时通过立体显微镜检查,观察失效样品的外观标志是否完整,是否存在机械损伤,是否有腐蚀痕迹等;通过电特性试,判断其电参数是否与原始数据相符.分析失效现象可能与失效样品中的哪一部分有关;利用金相显微镜和扫描电子显微镜等设备观察失效部位的形状,大小,位置,颜色,机械和物理结构,物理特性等,准确的描述失效特征模式。失效模式可以定位到电(如直流特性、漏电)或物理(如裂纹、侵蚀)失效特征,根据失效发生时的条件(如老化、静电放电、环境),结合先验知识,区分失效位置.减少诊断失效机理要求的工作量。

3.判断失效原因

根据失效模式,失效元器件的材料性质、制造工艺理论和经验,结合观察到的相应失效部位的形状、大小、位置、颜色以及化学组成、物理结构、物理特性等因素,参照失效发生的阶段、失效发生时的应力条件和环境条件,提出可能的导致失效的原因。失效可能由一系列的原因造成,如设计缺陷,材料质量问题,制造过程问题、运输或储藏条件不当,在操作时的过载等,而大多数的失效包括一系列串行发生的事件。对一个复杂的失效,需要根据失效元器件和失效模式列出所有可能导致失效的原因,确定正确的分析次序,并且指出哪里需要附加的数据来支撑某个潜在性因素。失效分析时根据不同的可能性,逐个分折,终发现问题的根源。

4.研究失效机理

对于失效机理的研究是非常重要的,需要更多的技术支撑。

在确定失效机理时,需要选用有关的分析、试验和观测设备对失效样品进行仔细分析,验证失效原因的判断是否属实,并且能把整个失效的顺序与原始的症状对照起來,有时需要用合格的同种元器件进行类似的破坏实验,观察是否产生相似的失效现象。通过反复验证,确定真实的失效原因,以电子元器件失效机理的相关理论为指导。对失效模式、失效原因进行理论推理,并结合材枓性质、有关设计和工艺理论及经验,提出在可能的失效条件下导致该失效模式产生的内在原因或具体物理化学过程。如存可能,更应以分子、原了学观点加以阐明或解释。

5.提出预防措施及设计改进方法

根据分析判断。提出消除产生失效的办法和建议,及时地反馈到设计、工艺、使用单位等各个方面,以便控制乃至完全消除失效的主要失效模式的出现。

三、失效分析要求

随着科技水平的发展和工艺的进歩.电子产品越来越微型化、复杂化和系统化,而其功能却越来越强大,集成度越来越高,体积越来越小。随着科技的发展各种新材料、新器件也不断出现,对失效分析的要求也越来越高;用于失效分析的新技术,新方法和新设备也越来越多。但在实际的失效分析过程中,遇到的样品多种多样,失效情况也各不相同。因此,根据失效分析的目的与实际,选择合适的分析技术与方法,从大到小,从外到内,从非破坏到破坏,从定性到定量,使失效分析迅速、准确、可靠。

电子元器件失效分析的就是要做到模式准确、原因明确、机理清楚、措施得力、模拟再现、举一反三。

1.模式准确

如前所述,失效模式是指失效的外在直观失效表现形式和过程规律,通常指测试或观察到的失效现象、失效形式。如开路、短路、参数漂移、功能失效等。模式准确,就是要将失效的性质和类型判断准确。

失效模式的判断应首先从失效环境的分析入手,细心收集失效现场数据。失效现场数据反映了失效的外部环境,对确定失效的责任方有重要意义。有些看来与现场无直接关系的东西可能是决定性的。例如,失效现场数据表明,工作人操作无误,供电系统正常,而整机上的器件出现了早期失效,说明元器件生产厂应对元器件失效负责,应负责整改,排除工艺缺陷,提高产品可靠性。

收集失效现场数据主要包括:失效坏境、失效应力、失效发生期、失效现象及过程和失效样品在失效前后的电测量结果。

失效环境包括:温度、湿度、电源环境,元器件在电路图上的位置、作用,工作条件和偏置状况。

失效应力包括:电应力、温度应力、机械应力、气候应力和辐射应力。如样品经可靠性试验而失效,需了解样品经受实验的应力种类和时间。

失效发生期包括:失效样品的经历、失效时间、失效发生的阶段,如研制、生产、测试、试验、储存、使用等。

2.原因明确

失效原因的判断通常是整个失效分析的核心和关键,对于确'定失效机理,提出预防措施具有总要的意义。

失效原因通常是指造成电子元器件失效的直接关键性因素,其判断建立在失效模式判断的基础上。通过失效原因的分析判断,确定造成失效的直接关键因素处于设汁、材料、制造工艺、使用及环境的哪―环节。

失效现场数据为确定电子元器件的失效原因提供了重要线索。失效可分为早期失效、随机尖效和磨损失效。而早期失效主要由工艺缺陷、原材料缺陷、筛选不充分引起。随机失效主要由整机开关时的浪涌电流、静电放电、过电损伤引起。磨损失效主要由电子元器件自然老化引起。根据失效发生期,可估计失效原因,加快失效分析的进度。此外,根据元器件失效前或失效时所受的应力种类和强度,也可大致推测失效的原因,加快失效分析的进程。如下图:

然而失效原因的确定是相当复杂的,其复杂性表现为失效原因具有的一些特点。如原因的必要性、多样性、相关性、可变性和偶然性,需要综合多方面情况及元器件特点进行。

3.机理清楚

失效机理是指失效的物理、化学变化过程。微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化,但与此相对的是它迟早也要表现出一系列宏现(外在的)性能,性质变化,如疲劳、腐蚀和过应力等。失效机理是对失效的内在本质、必然性和规律性的研究,是人们对失效内在本质认识的理论提高和升华。

失效原因通常可以分为内因和外因两种.失效机理就是失效的内因。它是导致电子元器件发生失效的物理、化字或机械损伤过程。失效机理研是失效的深层次内因或内在本质.即酿成失效的必然性和规律性的研究。要清楚地判断元器件失效机理就必须对其失效机理有所了解和掌握。如在集成电路中金属化互连系统可能存在着电迁移和应力迁移失效,这两种失效的物理机制是不同的,产生的应力条件也是不同的。对于失效机理的研究和判断需要可靠性物理方面的专业知识。

4.措施得力,模拟再现,举一反三

措施得力,模拟再现,举一反三是建立在前面对失效模式、失效原因和失效机理深入分折和准确把握的基础上。当然制定预防措施也应考虑长远的手段和产品使用问题。以及工程上的可行性、经济性等方面。模拟再现则要分折模拟的可能性和必要性,同时,随着计算机技术的高速发展,计算机模拟仿真也成为模拟再现的一个重要手段。

失效分析是一个复杂的、综合性的过程.它不仅仅只是失效分析工程师的工作.而且需要设计工程师、制造工程师、使用工程师的密切配合。只有在各个方面的团结协作下,才能找到产品失效的真实原因,准确判断其失效机理,揭示引起产品失效的过程,起到改进产品设计,提高产品固有可靠性和使用可靠性目的。

另外,为了得到一个成功的失效分析结果,避免犯一些常见的错误,所有可能涉及失效现象处理的人,都应该具备—些处理故障现象的基本知识。

保护实物证据;

避免过多的加电测试;

保证失效元器件在到达失效分析工程师之前不再受到损伤;

制定失效分析方案;

确定失效现象;

失效分析的基本;

失效分析应遵循先光学后电学、先面后点、先静态后动态、先非破坏后破坏、先一般后特殊、先公用后专用、先简单后复杂、先主要后次要的基本原则,反复测试、认真比较。同时结合电子元器件结构、工艺特点进行分析,避免产生错判、误判。

四、主要失效模式及其分布

电子元器件的种类很多,相应的失效模式和失效机理也很多。总体来说,电子元器件的失效主要是在产品的制造,试验,运输,储存和使用等过程中发生的。与原材料、设计、制造、使用密切相关。

五、失效的主要机理及其定义

失效机理是指引起电子元器件失效的实质原因,即引起电子元器件失效的物理或化学过程.通常是指由于设计上的弱点(容易变化和劣化的材料的组合)或制造工艺中形成的潜在缺陷,在某种应力作用下发生的失效及其机理。

为了通过物理、化学的方法分析失效发生的现象,理解和解释失效机理,需要提供模型或分析问题的思维方法,这就是失效物理模型。元器件的失效物理模型大致分为反应论模型、应力强度模型、界限模型、耐久模型、积累损伤(疲劳损伤)模型等.如下表所列。对于半导体元器件来说.失效机理通常有两种失效物理模型:反应论模型和应力强度模型。

失效机理是电子元器件失效的物理或化学本质,从研究原始缺陷或退化进入失效点的物理过程。进一步确定导致失效的表面缺陷、体缺陷、结构缺陷。确定电学、金属学、化学及电磁学方面的机理。电子元器件种类繁多,导致失效的机理也很多,不同失效机理对应的失效摸式不一样。甚至相问的失效机在不同电子元器件导致的失效模式都不一样,因此需要在失效分析时认真对待,严格区分。

1.机械损伤

机械损伤在电子元器件制备电极及电机系统工艺中经常出现,如果在元器件的成品中,存在金属膜的划伤缺陷而末被剔除,则划伤缺陷将是元器件失效的因素,必将影响元器件的长期可靠性。

2.結穿刺(结尖峰)

结穿刺即指PN结界面处为一导电物所穿透。在硅上制作欧姆接触时,铝-硅接触系统为形成良好的欧姆接触必须进行热处理,这时铝与硅相连接是通过450-550摄氏度热处理后在分立的点上合金化形成的。在该合金化温度范围内,硅在铝的固溶度很大,但铝在硅中的固溶度要低很多,固溶度之差导致界面上的硅原子净溶解在铝中,同时界面上的铝也扩散到硅中填充硅中的空位。这就是在铝膜加工过程中,发生由于硅的局部溶解而产生的铝“穿刺”透入硅衬底问题的问题。结穿刺经常导致PN结短路失效。

3.铝金属化再结构

由于铝与二氧化硅或硅的热膨胀系数不匹配,铝膜的热膨胀系数比二氧化硅或者硅大,党元器件在间歇工作过程中,温度变化或者高低温循环试验时,铝膜要受到张应力和压应力的影响,会导致铝金属化层的再结构。铝金属化层再结构经常表现为铝金属化层表面粗糙甚至表面发黑,显微镜下可见到表面小丘、晶须或皱纹等。

4.金属化电迁移

当元器件工作时,金属互连线的铝条内有一定强度的电流流过,在电流作用下,金属离子沿导体移动,产生质量的传输,导致导体内某些部位产生空洞或晶须(小丘)这就是电迁移现象。在一定温度下,金属薄膜中存在一定的空位浓度,金属离子热振动下激发到相邻的空位,形成自扩散。在外电场作用下.金属离子受到两种力的作用,一种是电场使金属离子由正极向负扱移动,一种是导电电子和金属离子间互相碰撞发生动量交换而使金属离子受到与电子流方向的作用力,金属离子由负极向正极移动,

这种作用力俗称“电子风”。对铝、金等金属膜,电场力很小,金属离子主要受电子风的影响,结果使金属离子与电子流一样朝正极移动,在正极端形成金属离子的堆积,形成晶须,而在负极端产生空洞,使金属条断开。

产生电迁移失效的内因是薄膜导体内结构的非均匀性,外因是电流密度。

5.表面离子沾污

在电子元器件的制造和使用过程中,因芯片表面沾污了湿气和导电物质或由于辐射电离、静电电荷积累等因素的影响,将会在二氧化硅氧化层表面产生正离子和负离子,这些离子在偏压作用下能沿表面移动。正离子聚积在负电极周围,负离子聚积在正电极周围,沾污严重时足以使硅表面势垒发生相'当程度的改变。这些外表面可动电荷的积累降低了表面电导,引起表面漏电和击穿蠕变等;表面离子沾污还会造成金属的腐浊,使电子元器件的电极和封装系统生锈、断裂。

6.金属的腐蚀

当金属与周围的介质接触时,由于发生化学反应或电化学作用而引起金属的破坏叫做金属的腐蚀。在电子元器件中,外引线及封装壳内的金属因化学反应或电化学作用引起电性能恶化直至失效,也是主要的失效机理。

根据金属腐蚀过程的不同特点,可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。金属在干燥气体或无导电性的非水溶液中,单纯由化学作用而引起的腐蚀就叫做化学腐蚀,温度对化学腐蚀的影响很大。当金属与电解质溶液接触时,由电化学作用而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀,其特点是形成腐蚀电池,电化学腐蚀过程的本质是腐蚀电池放电的过程,在这个过程中,金属通常作为阳极,被氧化而腐蚀,形成金属氧化物,而阴极反应则跟据腐蚀类型而异,可发生氢离子或氧气的还原,析出氢气或吸附氧气。

.7金铝化合物失效

金和铝两种金属,在长期储存和使用后,因它们的化学势不同,它们之间能产生金属间化合物,如生成AuAl2AuAlAu2Al等金属间化合物。这几种金属间化合物的晶格常数、膨胀系数、形成过程中体积的变化、颜色和物理性质是不同的,且电导率较低。AuAl3浅金黄色,AuAl2呈紫色,俗称紫斑,Au2Al呈白色.称白斑,是一种脆性的金属间化合物,导电率低,所以在键合点处生成了Au-Al间化合物之后,严重影响相恶化键合界面状态,使键合强度降低,变脆开裂,接触电阻增大等,因而使元器件出现时好时坏不稳定现象,后表现为性能退化或引线从键合界面处脱落导致开路。

8.柯肯德尔效应

Au-Al键合系统中,若采用金丝热压焊工艺,由于在高温(300摄氏度以上)下,金向铝中迅速扩散。金的扩散速度大于铝的扩散速度,结果出现了在金层—侧留下部分原子空隙,这些原子空隙自发聚积,在金属间化合物与金属交界面上形成了空洞,这就是可肯德尔效应,简称柯氏效应。当可肯德尔空洞增大到一定程度后,将使键合界面强度急剧下降,接触电阻增大,终导致开路。柯氏空洞形成条件首先是Au-Al系统,其次是温度和时间。

9.银迁移

在电子元器件的贮存及使用中,由于存在湿气、水分,导致其中相对活泼的金属银离子发生迁移,导致电子设备中出现短路,耐压劣化及绝缘性能变坏等失效。银迁移基本上市一种电化学现象,当具备水分和电压的条件时,必定会发生银迁移现象。空气中的水分附在电极的表面,如果加上电压,银就会在阳极处氧化成为带有正电荷的银离子,这些离子在电场作用下向阴极移动。在银离子穿过介质的途中,银离子被存在的湿气和离子沾污加速,通常在离子和水中的氢氧离子间发生化学反应,形成氢氧化银,在导体之间出现乳白色的污迹,后在阴极银离子还原析出,形成指向阳极的细丝。

10.过电应力

电子元器件都在其参数指标中设定了使用时所能承受的大应力,包括高工作环境温度或壳温,大额定功率,大工作电压、电流,峰值电压,大输入、输出电流、电压等。如果在使用时所加的电应力超过了元器件规定的大应力.即使是瞬间超过,也将造成电子元器件的损伤,这种电应力就称为过电应力,其造成的损伤主要表现为元器件性能严重劣化或失去功能。过电应力通常分为过压应力和过流应力。在过电应力作用下,电子元器件局部形成热点,当局部热点温度达到材料熔点时使材料熔化,形成开路或短路,导致元器件烧毁。

11.二次击穿

二次击穿是指当元器件被偏置在某一特殊工作点时(对于双极型晶体管,是指V平面上的一点),电压突然跌落,电流突然上升的物理现象,这时若无限流装置及其它保护措施,元器件将被烧毁。凡是有杂质浓度突变的元器件(如PN结等)都具有二次击穿的现象,二次击穿是一种体内现象,对于双极型器件,主要有热不稳定理论(热模式)和雪崩注入理论(电流模式)两种导致二次击穿的机理。对于MOS元器件,诱发二次击穿的机理是寄生的双极晶体管作用。

12.闩锁效应

闩锁效应是CMOS电路中存在的一种特殊的失效机理。所谓闩锁(latch-up)是指CMOS电路中固有的寄生可控硅结构被触发导通,在电源和地之间形成低阻大电流通路的现象CMOS电路的基本逻辑单元是由一个P沟道MOS场效应管和一个N沟道MOS场效应管以互补形式连接构成,为了实现N沟道MOS管与P沟道MOS管的隔离,必须在N型衬底内加进一个P型区(P阱)或在P型衬底内加进一个N型区(N阱),这样构成了CMOS电路内与晶闸管类似的PNPN四层结构,形成了两个寄生的NPNPNP双极晶体管。在CMOS电路正常工作状态时,寄生晶体管处于截止状态。对CMOS电路的工作没有影响,如CMOS电路的输入端、输出瑞、电源端或者地端受到外来的浪涌电压或电流,就有可能使两只寄生晶体管都正向导通,使得电源和地之间出现强电流。这种强电流一开始流动,即使除去外来触发信号也不会中断,只有关断电源或将电源电压降到某个值以下才能解除,这种现象就是CMOS电路的闩锁效应。

13.静电损伤

处于不同静电电位的两个物体间发生的静电电荷转移就形成了静电放电,这种静电放电将给电子元器件带来损伤,引起产品失效。电子元器件由静电放电引发的失效可分为突发性失效和潜在性失效两种模式,突发性失效是指元器件受到静电放电损伤后,突然完全丧失其规定的功能,主要表现为开路、短路或参数严重漂移;潜在性失效是指静电放电电能量较低,仅在元器件内部造成轻微损伤,放电后元器件的电参数仍然合格或略有变化,但元器件的抗过电应力能力已明显削弱,或者使用寿命已明显缩短,再受到工作应力或经过一段时间工作后将进一步退化,直至造成彻底失效。

静电放电失效机理可分为过电压场致失效和过电流热致失效。过电压场致失效是指高阻抗的静电放电回路中,绝缘介质两端的电极因接受了高静电放电电荷而呈现高电压,有可能使电极之间的电场超过其介质临界击穿电场,使电极之间的介质发生击穿失效,过电压场致失效多发生于MOS元器件,包括含有MOS电容的双极型电路和混合电路;过电流热致失效是由于较低阻抗的放电回路中,由于静电放电电流过大使局部区域温升超过材料的熔点,导致材料发生局部熔融使元器件失效,过电流热致失效多发生于双极元器件,包括输人用PN结二极管保护的MOS电路、肖特基二极管以及含有双极元器件的混合电路。

14.介质的击穿机理

介质击穿,从应用角度可分为自愈式击穿和毁坏性击穿。自愈式击穿是局部点击穿后,所产生的热量将击穿点处的金属蒸发掉,使击穿点自行与其他完好的介质隔离;毁坏性击穿是金属原子彻底侵入介质层,使其绝缘作用完全丧失。根据引起击穿的原因之可将介质击穿分为非本征击穿和本征击穿两种:前者是在介质中的气孔、微裂缝、灰尘、纤维丝等疵点附近,因气体放电、等离子体、电孤、电热分解等引起的击穿;后者是外加电场超过了介质材料的介电强度引起的击穿。无论是非本征击穿还圮本征击穿,按其本质来看,则均可能归结于电击穿、热击穿或热点反馈造成的热电击穿。

15.与时间有关的介质击穿(TDDB)

TDDB是影响MOS元器件长期可靠性的一种重要的失效机理,当对二氧化硅薄膜施加低于本征击穿场强的电场强度后,经过一段时间后会发生介质击穿现象,这就是与时间有关的介质击穿。它的击穿机理,可以分为两个阶段:阶段是建立阶段,在高电场、高电流密度应力的作用下,氧化层内部发生电荷的积聚,积累的电荷达到某一程度后,使局部电场增高到某一临界值;第二阶段实在热或电的正反馈作用下,迅速使氧化层击穿,氧化层的寿命由阶段中电荷的累计时间确定。

16.热栽流子效应

所谓热载流子,是指其能量比费米能寄大几个KT以上的载流子,这些载流子与晶格处于热不平衡状态,载流子的温度超过了晶格温度。热载流子的能量达到或超过Si-SiO2界面势垒的能量时,便会注入到SiO2中去,产生界面态、氧化层陷阱或被氧化层中陷阱所俘获,由此产生的电荷积累引起元器件电参数不稳定。表现为MOS元器件的阈值电压漂移或跨导值降低,双极元器件的电流增益下降,PN结击穿电压蠕变,使元器件性能受到影响,这就是热载流子效应。

17.“爆米花效应”

“爆米花效应”是指塑封元器件塑封材料内的水汽在高温下受热膨胀,是塑封料与金属框架和芯片间发生分层效应,拉断键合丝,从而发生开路失效。塑封元器件是以树脂类聚合物材料封装的,其中的水汽包括封装时残留于元器件内部、表面吸附,经材料间的缝隙渗入及外界通过塑料本身扩散进入。

18.软误差

电子元器件的封装材料(如陶瓷管壳,作树脂填充剂的石英粉等)中含有微量元素铀等放射性物质,它们衰变时会放出高能射线。当这些射线或宇宙射线照射到半导体存储器上时,引起存储数据位的丢失或变化,在下次写入时存储器又能正常工作,它完全是随机的发生,随意把这种数据位丢失叫软误差。引起软误差的根本原因是射线的电离效应。

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