無損檢測技術(shù)在電子元器件失效分析中的應(yīng)用

徐海衛(wèi) 曹江萍 杜文波 周銘堯

摘要

電子元器件的無損檢測可以在不破壞芯片使用性能的前提下，對芯片進(jìn)行失效分析，是保證元器件質(zhì)量的重要技術(shù)手段，本文介紹了紅外檢測、射線檢測、超聲檢測的原理以及在元器件失效分析中的應(yīng)用，并給出了相關(guān)無損技術(shù)在元器件失效分析中的應(yīng)用實例。

【關(guān)鍵詞】無損檢測 電子元器件 失效分析應(yīng)用

1緒論

元器件的失效分析是指運用失效分析的技術(shù)手段與設(shè)備找出產(chǎn)品的失效點，判斷失效性質(zhì)，找出失效原因，為生產(chǎn)線改進(jìn)工藝、設(shè)計單位優(yōu)化設(shè)計、使用單位正確使用芯片提供技術(shù)依據(jù)，元器件失效分析是保證元器件質(zhì)量與壽命的重要手段。

利用無損檢測技術(shù)對電子元器件進(jìn)行失效分析，不影響芯片芯片的使用功能及后續(xù)分析，而且分析過程快捷直觀，因而往往成為元器件失效分析的首選方案。常見的無損失效分析手段有紅外分析技術(shù)、射線檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)，本文將對這些技術(shù)在電子元器件失效分析中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2紅外檢測技術(shù)電子元器件失效分析中的應(yīng)用

紅外熱圖可以觀察、記錄和分析被測物體溫場分布，而元器件的失效往往伴隨著器件溫度場的變化，通過分析器件的溫度場的方式來對器件進(jìn)行失效分析，而不對元器件本身造成損傷。

2.1紅外熱成像技術(shù)在功率器件故障分析中的應(yīng)用

使用紅外熱像儀檢測芯片封裝表層的溫度，可以計算出內(nèi)部的大致溫度。功率器件的短路失效點往往是率先達(dá)到溫度極大值的點，通過記錄并芯片表層溫場3D變化圖，并追蹤到最先達(dá)到溫度極大值的點為失效點，由于失效點的瞬態(tài)溫度會通過熱傳導(dǎo)的方式向四周散熱，一定時間后芯片表面溫度將變得均勻，應(yīng)該通過高頻率錄拍的方式記錄芯片表面溫場的動態(tài)變化，如圖1所示。

PCB板上元件較多，如果有短路、擊穿、焊接不良等故障，電路板通電后，故障部位的溫度將會發(fā)生變化，通過記錄和分析PCB板的溫度變化可以定位故障點，如圖2所示。

2.2紅外熱成像技術(shù)在TVS（硅通孔熱分布）評估中的應(yīng)用

TSV熱分布實驗裝置如圖3，由溫度控制器、銅板、溫度傳感器、熱像儀組成，將樣品用導(dǎo)熱材料粘接在銅板，用控溫儀將銅板控制在預(yù)定溫度后，用熱像儀記錄樣品表面溫度場變化，TSV熱分布圖見圖4。由于銅具有良好的導(dǎo)熱性，樣品表面溫度差僅決定于樣品材質(zhì)，通過熱分布平面圖與熱分布3D圖可以清晰的分辨TSV區(qū)域與非TSV區(qū)域的溫度差，為評估TSV作用與失效提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

2.3紅外技術(shù)在元器件失效點定位中的應(yīng)用

元器件的失效點在通電狀態(tài)下往往會漏電并發(fā)出微弱的可見光及近紅外光，可通過偵測和定位微弱的發(fā)光，來定位元器件失效點，完成這種定位功能的儀器稱作EMMI（微光顯微鏡），EMMI能夠偵測漏電結(jié)、接觸毛刺、襯底損傷等信號，EMMI能夠透過硅襯底無損提供芯片缺陷信息，能快速有效地發(fā)現(xiàn)故障點。圖5是EMMI失效點定位的實例圖，左圖實際失效點，右圖為儀器定位的異常點。

3射線檢測技術(shù)在元器件失效分析中的應(yīng)用

射線穿過某一物體時，在射線穿透方向上的物質(zhì)密度不同，射線衰減不同，射線接收探測器接收到的穿透物體后的射線強(qiáng)度不同，將射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成亮度或黑體不同的可見圖像，從而實現(xiàn)對物體的內(nèi)部的無損檢查和測量。

3.1射線檢測在芯片封裝檢測中的應(yīng)用

射線技術(shù)可以用來對芯片封裝無損分析，可以有效觀察芯片封裝內(nèi)部的缺陷，分層的空氣對射線衰減不敏感，因而裂紋和虛焊是不易被射線觀察，現(xiàn)有的射線檢測設(shè)備己能夠?qū)π酒Y(jié)果進(jìn)行納米級分辨率檢測。

3D分層掃描技術(shù)（CT）可以提供樣品二維切面或三維立圖，可清楚的展示被測芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高識別、定位內(nèi)部缺的能力。圖6為一功率器件的封裝缺陷檢測，可以看出芯片內(nèi)部存在明顯的多孔。

3.2射線檢測PCB焊接質(zhì)量檢查中的應(yīng)用

射線檢測可以用來檢測PCB的BGA焊接及組裝，射線可以直接穿透芯片封裝內(nèi)部，無損地檢查焊接點質(zhì)量。用于PCB質(zhì)量檢查的射線檢查儀除了具備能夠看清缺陷的分辨率外，還應(yīng)該能夠提供傾斜視圖以提供更多的分析細(xì)節(jié)。圖7為- PCB射線檢查成像圖，可以通過各焊接點的形貌及內(nèi)部分析來判斷焊接質(zhì)量。

4超聲技術(shù)在元器件失效分析中的應(yīng)用

超聲波在垂直于固體界面?zhèn)鞑ミ^程中遇到聲阻抗不同的界面時會發(fā)生反射，尤其是在聲阻抗差別很大的兩界面幾乎全部反射，因而不同于射線，超聲波對于器件內(nèi)部的空氣具有極高的敏感性。利用這一特性可以確定元器件焊接層、粘接層、填充層、涂鍍層、結(jié)合層的完整性，超聲波可以分層的展現(xiàn)樣品內(nèi)部的一層一層的圖像。檢測元器件使用的超聲波頻率是高于MHz，因而不會攪動易碎的組件，同時高頻的聲波具有更好的分辨力。圖8是利用超聲波掃描顯微鏡對功率器件的掃描圖，通過成像檢測可以清楚地觀測到功率芯片與散熱銅板粘接的質(zhì)量。

5結(jié)論

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，集成電路分析測試產(chǎn)業(yè)作為保證電子元器件質(zhì)量與壽命的重要支撐產(chǎn)業(yè)將隨著快速發(fā)展，紅外檢測、射線檢測、超聲檢測能夠快捷直觀地對電子元器件進(jìn)行失效分析，并且具有不破壞芯片使用功能的特點，能夠廣泛地應(yīng)用于實驗室與元器件生產(chǎn)線的元器件失效分析。

參考文獻(xiàn)

[1]王創(chuàng)國，賈潔，周舟，沈宏昌，賈東銘，林罡.EMMI故障定位和基于故障樹的GaAsMMIC失效分析[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2017 （05）.

[2]劉霞美，翟玉衛(wèi)，吳愛華，喬玉娥，顯微紅外熱成像技術(shù)在故障定位中的應(yīng)用[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2015（01）.

[3]郭嘯，王創(chuàng)國，鄒文靜，張磊，林罡，賈東銘，基于EMMI的GaAs數(shù)字電路失效分析方法及案例[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2017 （06）.

[4]孟牧，劉瀚.顯示屏SMD LED的失效機(jī)理探析和預(yù)防解決方案[J].電子科學(xué)技術(shù)，2014（03）.

[5]何志剛，梁堃，周慶波，龔國虎，王曉敏，基于X射線成像的BGA焊接質(zhì)量檢測技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2016 （01）.