電子元件失效分析

電子元件是電子設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)品的最基本組成部分，其性能和可靠性對電子設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠運行至關(guān)重要。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以及對各行各業(yè)的快速滲透和融合，電子產(chǎn)品對電子元件性能和可靠性水平的要求也越來越高。此外，電子元件本身的性能日益先進、結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜，應(yīng)用日趨廣泛，使用環(huán)境也變得更加嚴(yán)苛，這些都對電子元件的可靠性提出了更高的要求。

電子元件的門類繁多，從普通的電阻、電容、電感通用元件、機電元件、光電器件、半導(dǎo)體分立器件、微波器件及組件、電真空器件，直到大規(guī)模集成電路等， 其中只要有一個電子元件失效，整個電子設(shè)備或系統(tǒng)就不能正常工作，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的安全事故。而要確保每個電子元件的可靠性絕非易事，涉及到材料、工藝和應(yīng)用的各個眾多復(fù)雜的環(huán)節(jié)。

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1、失效分析簡介

• 基本概念

失效分析是指利用電學(xué)、物理、化學(xué)等技術(shù)手段對失效品進行分析，探究和查明失效機理和失效原因。

由于電子元件研制涉及到設(shè)計、工藝和材料選擇等很多要素和復(fù)雜過程，其失效又與應(yīng)用場景密切相關(guān)，不同的應(yīng)用場景又涉及到包括電應(yīng)力、機械、化學(xué)和氣候環(huán)境應(yīng)力等各種導(dǎo)致失效的要素。因此，失效分析需要聲、光、電、熱、物理和化學(xué)等各種高技術(shù)手段的綜合運用，需要對產(chǎn)品和應(yīng)用的了解，還需要有豐富的經(jīng)驗?zāi)軌驅(qū)Ω鞣N證據(jù)之間的邏輯關(guān)系進行分析。

• 基本流程

失效分析的主要流程如下圖所示，其中失效模式驗證、確認失效機理，機理和原因驗證是失效分析的關(guān)鍵步驟。

圖2 失效分析流程圖

在失效分析的過程中要堅持“先無損，后破壞，由外及里，由易到難”的原則，以避免失效證據(jù)丟失或產(chǎn)生假證據(jù)。

• 價值和意義

失效分析是指利用電學(xué)、物理、化學(xué)等技術(shù)手段對失效品失效分析,目標(biāo)是尋找失效的原因和機理，因此失效分析的價值不在于分析本身，而在于其目標(biāo)的達成與否，以及根據(jù)失效原因和機理所做的改進所帶來的巨大價值和意義。此外，通過對失效分析獲得的失效機理和案例數(shù)據(jù)分析整理，形成專家系統(tǒng)，可以很好地指導(dǎo)設(shè)計、優(yōu)化工藝、選擇材料、制定篩選方法、改良試驗方法和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等，從而進行分析、探究和查明失效機理及失效原因。

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2、失效分析技****術(shù)簡介

• 外觀檢查技術(shù)

外觀檢查是失效分析的開始，一般都是無損的，主要是對失效電子元件或模塊的外部外觀、失效周邊的微環(huán)境，以及開封后內(nèi)部電路和模塊的外觀的檢查，目的是發(fā)現(xiàn)失效的現(xiàn)場或區(qū)域，以及導(dǎo)致失效的線索和直接證據(jù)，具體包括機械損傷、腐蝕、污染氧化、熱電燒毀、密封與端子異常和標(biāo)識等。傳統(tǒng)的檢查技術(shù)一般都是通過放大鏡或立體顯微鏡和金相顯微鏡目測或檢查，通常可以實現(xiàn)幾十到上千倍的放大倍數(shù)。

• 電性能分析技術(shù)

電性能分析技術(shù)是指在各種溫度條件和頻率條件下的阻容感抗測試、半導(dǎo)體和集成電路的端口測試等，測試分析電子元件參數(shù)變化、異常節(jié)點和端口，為失效定位或分析方向提供依據(jù)。可分析出連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效三種失效模式。其中，連接性失效多由靜電放電（ESD）和過點應(yīng)力（EOS）引起；電參數(shù)失效主要表現(xiàn)形式有電參數(shù)值超出規(guī)定范圍或者參數(shù)不穩(wěn)定，而對功能失效的分析主要用于集成電路。

圖3 芯片電性能分析示例

• 顯微形貌技術(shù)

現(xiàn)代顯微分析技術(shù)是失效分析最為核心的技術(shù)手段。主要是利用先進的掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）技術(shù)分析失效點或疑似失效部位的微觀結(jié)構(gòu)和金相組織及其在應(yīng)力條件下的演變、研究失效機理。如圖4所示，利用SEM對TSV進行失效分析，發(fā)現(xiàn)三個失效品分別出現(xiàn)空洞、裂紋、填充缺失缺陷。

圖4 利用掃描電子顯微鏡對TSV進行失效分析

• 無損結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

以X射線透視技術(shù)和聲學(xué)掃描顯微鏡（SAT）為代表的結(jié)構(gòu)無損分析技術(shù)，用以檢測元器件的封裝情況，如氣泡、邦定線異常、晶粒尺寸、支架方向等。它可以分析板級的大樣品，分辨率達到納米級，對于高密度封裝的電子元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷分析定位是一種非常有力而方便的技術(shù)手段。如圖5所示，利用X射線對TSV進行掃描后經(jīng)三維模型重建后發(fā)現(xiàn)，失效品存在明顯缺陷。

圖5 利用X射線對TSV進行失效分析

• 開封制樣技術(shù)

開封主要用于暴露封裝體內(nèi)部芯片，以便于觀察芯片表面的形貌結(jié)構(gòu)和進一步開展電測試。激光開封技術(shù)和先進的微波等離子體（MIP）開封技術(shù)很好地解決了復(fù)雜芯片封裝的開封制樣問題。

切片主要用于制作電子元件封裝的關(guān)鍵截面，便于觀察分析結(jié)構(gòu)缺陷或互聯(lián)界面的結(jié)構(gòu)形貌。先進的雙束聚焦離子束（FIB）利用高能離子束在可疑失效部位做微米級的切割修飾或制作切片，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于集成電路的失效分析制樣。以3D封裝里硅通孔TSV為例，圖6展示了FIB在失效分析中的作用。

圖6 利用雙束聚焦離子束對TSV進行失效分析

• 微區(qū)成分分析技術(shù)

由于污染氧化、腐蝕、遷移、工藝和環(huán)境導(dǎo)致的電子元件或芯片表面或微區(qū)產(chǎn)生化學(xué)成分的變化，而導(dǎo)致失效的案例比比皆是，因此微區(qū)成分的原位分析就非常重要。除了與掃描電子顯微鏡（SEM）配合使用的能譜分析（EDS）以外，還有很多高靈敏度的分析技術(shù)也達到了普遍的應(yīng)用，包括光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）、二次離子質(zhì)譜（SIMS）和傅立葉紅外光譜（FTIR）等。

• 其他物理分析技術(shù)

利用電子元件特別是芯片內(nèi)部缺陷在工作或非工作狀態(tài)下產(chǎn)生光或熱效應(yīng)的原理來進行失效定位的物理分析技術(shù)這些年來發(fā)展迅速。例如，利用激光束掃描芯片電路產(chǎn)生電阻變化的差異來進行失效定位的光束感生電阻變化；利用電子束掃描芯片表面產(chǎn)生的電壓襯度像來臨偵測開路或短路的失效部位；利用紅外探頭掃描工作狀態(tài)下樣品表面的熱輻射，并將其轉(zhuǎn)換成溫度分布的顯微紅外熱像技術(shù)，根據(jù)異常點的溫度變化來做失效定位，等等。

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3、失效分析發(fā)展趨勢

在5G、車載電子、消費電子和新基建等相關(guān)應(yīng)用的帶動下，高可靠性電子元件和半導(dǎo)體市場將迎來爆發(fā)性的增長。一方面，為了提高芯片單位面積的處理能力，半導(dǎo)體芯片制程已進入5nm時代。另一方面，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等第三代半導(dǎo)體材料為代表的高功率半導(dǎo)體、激光雷達也越來越受到關(guān)注。此外，為了滿足高密度小型化產(chǎn)品需求，以SiP、SOP為代表的新型2.5D/3D封裝技術(shù)逐漸興起。這些先進制程、先進材料及先進封裝的采用和發(fā)展導(dǎo)致電子元件失效分析的難度大大增加，技術(shù)更加復(fù)雜和多樣化。失效分析在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的重要性越來越大，越高端的芯片對失效分析技術(shù)的要求越高。