電氣器件電應(yīng)力失效測試分析

由于現(xiàn)代社會科技化程度的不斷提高,電子器件的使用范圍不斷擴(kuò)大,電子器件在我們的生活和工作中隨處可見。由于電子器件應(yīng)用范圍的廣泛,電子器件的失效現(xiàn)象也是多種多樣,隨處可見。電應(yīng)力失效作為電子器件失效的重要方面,電氣器件電應(yīng)力失效的分析與研究,對電子器件的生產(chǎn)、使用和研發(fā)等具有深遠(yuǎn)的意義。

第一、電應(yīng)力的失效現(xiàn)象特征

1、電應(yīng)力失效是指由于使用了超出或違背了器件規(guī)范規(guī)定的電壓和電流的電應(yīng)力,造成封裝器件的失效。電應(yīng)力失效的主要表現(xiàn)形式有:ESD靜電損傷、EOS過電損傷、電遷移。

2、靜電(ESD)損傷的主要特征有:晶格熔化或金屬與硅共熔,使P-N結(jié)受損短路;氧化層汽化產(chǎn)生空洞使器件短路、開路;金屬聯(lián)線揮發(fā)造成器件之間短路、開路。

3、過電應(yīng)力(EOS)失效的主要特征:在失效分析的實(shí)踐中,過電應(yīng)力損傷還經(jīng)常指有明顯可見熔蝕痕跡的損傷,特別是封裝材料有碳化現(xiàn)象:一般表現(xiàn)為鍵合絲熔斷,造成開路;芯片表面金屬布線熔融蒸發(fā),造成開路、短路或漏電;硅材料熔融蒸發(fā)鍵合絲的熔斷可以發(fā)生在任何管腳上。

4、電遷移主要失效特征:銀離子爬升呈樹枝狀晶或絮狀晶,造成晶圓短路或漏電;當(dāng)元器件工作時,金屬互聯(lián)線的鋁條內(nèi)有一定強(qiáng)度的電流通過,在電流的作用下,金屬離子沿導(dǎo)體移動,產(chǎn)生質(zhì)量的傳輸,導(dǎo)致到體內(nèi)某些部位產(chǎn)生空洞或晶須,造成開路或漏電。

第二、失效機(jī)理特征

1、ESD

(1)ESD產(chǎn)生的模式:1)人體模式:靜電放電的人體模式(Human Body Model),簡稱HBM。主要是人體靜電放電對敏感電子器件產(chǎn)生的作用,導(dǎo)致封裝器件的失效;2)機(jī)器模式:機(jī)器模式(Machine Model),簡稱MM。主要是導(dǎo)體帶靜電后對器件產(chǎn)生的作用,導(dǎo)致封裝器件的失效。比如在自動裝配線上的元器件遭受到帶電金屬物件對器件產(chǎn)生的靜電放電,或者是帶電的工具、測試夾具等對元器件的作用;3)帶電器件模式:帶電器件模式(Charged Device Model),簡稱CDM。主要用于描述帶電器件發(fā)生的靜電放電現(xiàn)象。

(2)調(diào)查待檢樣品的失效背景,包括使用環(huán)境、使用時間、材料選擇、發(fā)生失效時的情況等,與ESD失效機(jī)理的特征進(jìn)行比對,ESD失效機(jī)理的特征包括但不限于以下情況:(a)ESD應(yīng)能符合ESD失效機(jī)理的綜合特征;(b)檢材的電性檢測可能發(fā)現(xiàn)失效(包括短路、開路、漏電);(c)檢材的功能檢測發(fā)現(xiàn)失效;(d)檢材的聲掃檢測可能出現(xiàn)分層;(e)檢材的X-RAY檢測可能出現(xiàn)引線斷裂;(f)開封檢測發(fā)現(xiàn)晶圓表面有電擊穿現(xiàn)象:格熔化或金屬與硅共熔、氧化層汽化產(chǎn)生空洞。

2、EOS

調(diào)查待檢樣品的失效背景,包括使用環(huán)境、使用時間、材料選擇、發(fā)生失效時的情況等,與EOS失效機(jī)理的特征進(jìn)行比對,EOS失效機(jī)理的特征包括但不限于以下情況:(1)EOS應(yīng)能符合EOS失效機(jī)理的綜合特征;(2)檢材外觀檢測可能有過電焦黃現(xiàn)象;(3)檢材的電性檢測發(fā)現(xiàn)失效(包括短路、開路、漏電);(4)檢材的功能檢測發(fā)現(xiàn)失效;(5)檢材的聲掃檢測可能出現(xiàn)分層;(6)檢材的X-RAY檢測可能出現(xiàn)引線斷裂、焊料空洞、晶圓裂紋;(7)開封檢測發(fā)現(xiàn)晶圓表面有過電熔痕現(xiàn)象:柵極開路、晶圓裂紋;芯片內(nèi)部有燒結(jié)現(xiàn)象;晶圓表面有碳化現(xiàn)象;引線有熔斷等現(xiàn)象。

3、電遷移

(1)電遷移通常是指在電場的作用下導(dǎo)電離子運(yùn)動造成元件或電路失效的現(xiàn)象。分別為發(fā)生在相鄰導(dǎo)體表面的如常見的銀離子遷移和發(fā)生在金屬導(dǎo)體內(nèi)部的金屬化電子遷移。

(2)調(diào)查待檢樣品的失效背景,包括使用環(huán)境、使用時間、材料選擇、發(fā)生失效時的情況等,與電遷移失效機(jī)理的特征進(jìn)行比對,電遷移失效機(jī)理的特征包括但不限于以下情況:1)電遷移應(yīng)能符合電遷移失效機(jī)理的綜合特征,檢材曾在高溫高濕等環(huán)境下使用后再出現(xiàn)失效;2)檢材是在使用一段時間(數(shù)月)以后才逐步出現(xiàn)較高的失效率;3)待檢樣品的失效現(xiàn)象在干燥環(huán)境下可能會出現(xiàn)暫時消失的情況,在濕熱情況下可能又會重新出現(xiàn);4)檢材的電性檢測發(fā)現(xiàn)失效(包括短路、開路、漏電);5)檢材的功能檢測發(fā)現(xiàn)失效;6)檢材的X-RAY檢測可能出現(xiàn)引線斷裂;7)開封檢測發(fā)現(xiàn)晶圓表面有腐蝕痕跡:晶圓表面或引線有空洞;晶圓表面有樹枝狀晶,晶圓表面有腐蝕痕跡。

第三、分析步驟

1、檢驗(yàn)原則

(1)應(yīng)綜合了解檢材背景、使用環(huán)境溫濕度、使用時間長短、是否有過應(yīng)力等,與失效現(xiàn)象特征作比較；

(2)電學(xué)驗(yàn)證失效現(xiàn)象；

(3)先做非破壞性試驗(yàn),再做破壞性試驗(yàn)；

(4)先做失效隔離定位,再做物理驗(yàn)證,并與良品比對；

(5)模擬驗(yàn)證確認(rèn)失效現(xiàn)象,此項適當(dāng)時采用。

2、失效點(diǎn)電學(xué)定位

綜合運(yùn)用電性測量分析檢驗(yàn)方法對檢材進(jìn)行失效點(diǎn)定位。電性能分析方法包括:元器件的功能、參數(shù)、引線間特性和結(jié)特性的測試。電學(xué)定位失效點(diǎn):用伏安特性曲線儀、探針臺等電性能測量儀器對樣品的失效部位進(jìn)行分段隔離定位,找出導(dǎo)致樣品電性能異常的物理失效點(diǎn)。

根據(jù)電路原理圖分析分別列出可能導(dǎo)致失效的多個失效點(diǎn),對目標(biāo)失效電路進(jìn)行伏安特性測量,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)失效電路的電流電壓曲線(I-V Curve)呈現(xiàn)過X軸的直線或電阻值無窮大則可能為開路(高阻)失效所致,若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)失效電路的電流電壓曲線(I-U Curve)呈現(xiàn)過原點(diǎn)的跨第一第三象限的直線、電阻值為零或大大低于原有阻值則可能為短路或漏電失效所致。由此種方法找到失效位置點(diǎn)。

對良品與不良品失效位置進(jìn)行伏安特性測量,若發(fā)現(xiàn)良品同一位置伏安特性為正常的設(shè)定值,可以確認(rèn)出現(xiàn)的原因?yàn)槭c(diǎn)間電路異常(斷路、短路、漏電)所致。

(1)根據(jù)檢材的特性及失效現(xiàn)象,分段隔離失效部位,綜合查證檢材的電學(xué)失效點(diǎn)。

(2)如有標(biāo)準(zhǔn)樣本的,通過檢材與標(biāo)準(zhǔn)樣本的電學(xué)特性的比較檢驗(yàn),綜合評斷檢材與標(biāo)準(zhǔn)樣本電學(xué)特性的異同。

(3)有些失效現(xiàn)象與環(huán)境條件有關(guān),因此要根據(jù)分析對象的實(shí)際情況可選擇溫度循環(huán)、振動或沖擊、濕熱等試驗(yàn),再現(xiàn)和觀察失效現(xiàn)象。

(4)失效點(diǎn)應(yīng)先用無損的方式進(jìn)行定位,運(yùn)用前述的電性測量分析檢驗(yàn)方法對檢材進(jìn)行失效點(diǎn)定位。

3、失效點(diǎn)電學(xué)驗(yàn)證

選用適當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)方法,對失效點(diǎn)進(jìn)行電學(xué)驗(yàn)證?？蓽y量失效點(diǎn)部位檢材與標(biāo)準(zhǔn)樣品的電流電壓曲線情況,進(jìn)行對比分析。

4、失效點(diǎn)物理驗(yàn)證

據(jù)3.3檢測的電性失效點(diǎn),運(yùn)用無損檢測手法,對失效點(diǎn)進(jìn)行無損檢測,具體檢驗(yàn)方法包括光學(xué)顯微鏡分析、透射射線分析和超聲波掃描分析。

1)光學(xué)顯微鏡分析。光學(xué)顯微鏡(Optical Microscope)外圍視覺檢測,查看整體情況,觀察有無嚴(yán)重的機(jī)械物理損傷缺陷,例如器件封裝開裂,塑封不完整,基板斷裂,引腳破損、脫落,錫球脫落、虛焊、明顯異常等均能導(dǎo)致開路或高阻失效;器件封裝開裂,塑封不完整,基板斷裂,引腳異樣、引腳間橋接,錫球異樣、錫球間橋接、基板銅引腳樹枝狀晶、明顯異常等均能導(dǎo)致短路或漏電失效。

2)透射射線分析。利用透射射線的原理,檢查目標(biāo)器件封裝內(nèi)部線路連接情況,例如金線或銅線焊點(diǎn)脫落,沒有金線或銅線焊接等缺陷均能導(dǎo)致開路或高阻失效;金線或銅線焊點(diǎn)錯位或其下垂形變等缺陷均能導(dǎo)致短路或漏電失效。同時也要檢查印制線路基板(PCB)內(nèi)部的明顯缺陷,例如銅布線斷裂,通孔銅線斷裂等均能導(dǎo)致開路或高阻失效;銅布線間橋接,通孔銅線錯位等均能導(dǎo)致短路或漏電失效。

3)超聲波掃描分析。對X-Ray檢測的互補(bǔ),運(yùn)用超聲波掃描檢查目標(biāo)器件封裝內(nèi)部是否存在嚴(yán)重缺陷,可選擇不同的工作模式:A-SCAN、B-SCAN、C-SAM、T-SAM和TAMI-SCAN等。如嚴(yán)重分層開裂致使焊點(diǎn)脫離,嚴(yán)重空洞或氣泡,芯片開裂,芯片碎裂等均能導(dǎo)致開路或高阻失效。嚴(yán)重分層開裂致使金線變形短路,嚴(yán)重空洞或氣泡致使短路,芯片開裂,芯片碎裂等均能導(dǎo)致短路或漏電失效。如果通過無損失效分析方法發(fā)現(xiàn)機(jī)械物理損傷缺陷,并且能夠證明損傷或缺陷是導(dǎo)致開路(高阻)或者短路、漏電的直接而且唯一原因,那么找到失效點(diǎn)。