基于電子元件失效分析及技術(shù)發(fā)展分析

劉越

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000

失效分析是通過分析產(chǎn)品失效機理和元件，以獲取改進建議，避免出現(xiàn)類似失效現(xiàn)象，確保產(chǎn)品 應(yīng)用穩(wěn)定可靠。電子元件失效分析時利用測試技術(shù)以及分析方法對元件失效過程進行明確，分別失效情況和原因，這一工作是保證元件可靠運行的重點。電子元件進行失效分析需要具備的知識包括測試和分析方法、失效機理等，并具備豐富的失效分析經(jīng)驗。而正確應(yīng)用分析設(shè)備能夠降低分析成本，提高成功率。

1 電子元件失效分析

1.1 感官判斷

感官判斷通過人體感官來判斷故障，例如眼睛、手、鼻子、耳朵等對電子元件外形、溫度和軟硬度、味道、工作聲音等進行觀察判斷。感官判斷操作簡單，成本低，但是需要工作人員本身經(jīng)驗豐富，同時，周邊環(huán)境以及感官敏感度要優(yōu)越，這樣才能夠保證判斷相對準確[1]。

1.2 內(nèi)部分析

內(nèi)部分析分為X射線、紅外線顯微、聲學(xué)掃描、殘留氣氛和密封性檢查。其中，X射線檢測法是通過X射線對不同材料穿透的成像灰度來檢測封裝中的缺陷，如分層、粘結(jié)空洞、焊點氣泡等缺陷問題。紅外光可將硅穿透，并被樹脂鑄模反射回來，紅外顯微鏡能夠?qū)π酒饘龠B線以及鍵合情況進行檢測。聲學(xué)掃描是用不同聲阻材料對超聲波的反射程度不同，發(fā)現(xiàn)塑封元件中出現(xiàn)的裂縫、分層等缺陷。殘留氣體分析是對封裝腔內(nèi)腐蝕性氣體與水汽進行檢測，腔內(nèi)水分會導(dǎo)致雜質(zhì)離子加速運動，電子元件被腐蝕。

1.3 電源拉偏

該分析法通過降低或升高正常電源電壓讓元件處于異常工作狀態(tài)中，進而暴露出電子元件故障部位，以確定電子元件故障。但是，該分析法一般應(yīng)用在元件長時間工作導(dǎo)致的故障中，或是由于電壓波動導(dǎo)致的故障中，但是，電源電壓降低或升高會損壞電子元件，一旦操作不當，極易損壞電子元件[2]。

1.4 定位

芯片失效分析是利用缺陷隔離技術(shù)對失效點進行定位，之后，利用結(jié)構(gòu)與成分分析對失效起因進行確定。在定位失效點時，需要開封定位器件，將芯片暴露出來，應(yīng)用化學(xué)腐蝕或機械等方法來開封封裝材料及其結(jié)構(gòu)。必要時，可以剝離元件鈍化層，將下層金屬露出，鈍化層去除一般使用反應(yīng)離子刻蝕、化學(xué)腐蝕等方法。

采用電子束測試、熱分析、機械探針等技術(shù)隔離缺陷點。但是，這些技術(shù)在其他失效分析中也可以應(yīng)用，例如，電子束測試能夠分析功能失效，也就是邏輯上出現(xiàn)的錯誤之處。再比如，熱分析等可以應(yīng)用在漏電流分析中。機械探針能夠在鈍化層芯片去除后對芯片內(nèi)節(jié)點電壓進行測量分析。電子束測試則可以將聚焦電子束發(fā)射到芯片表面，并通過二次電子新對節(jié)點電壓進行測量，其屬于非接觸方式[3]。光發(fā)射顯微法通過微光探測技術(shù)發(fā)現(xiàn)芯片由于表層出現(xiàn)缺陷而發(fā)生的微光，一般利用載流子和發(fā)射光子來經(jīng)過高電區(qū)漏電流，金屬連線出現(xiàn)漏點會導(dǎo)致紅外光發(fā)射，等等都可以對失效點進行定位。

1.5 物理分析

物理分析是在芯片接受物理處理后，對其進行再觀察并分析失效部位，明確失效原因，將相關(guān)信息反饋給產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。物理缺陷一般為發(fā)生在芯片表面中的故障，將介質(zhì)與金屬連線去除后，需要利用光學(xué)顯微鏡等進行觀察，或是進行FIB制樣。若是失效區(qū)出現(xiàn)污點，需要組分分析，以確定失效原因。物理缺陷分析觀察重點在于過電壓電流出現(xiàn)的短路現(xiàn)象、鋁金屬斷裂現(xiàn)象、芯片出現(xiàn)裂紋、靜電損傷現(xiàn)象等等。

2 電子元件失效分析技術(shù)發(fā)展難點

電子元件發(fā)展過程中，集成電路具有一定代表性，基于集成電路技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，截止到2016年，微處理器芯片規(guī)格已經(jīng)達到0.22μm，主頻為28.8GHz，內(nèi)部晶體管達到80億個，當前分析技術(shù)與集成電路失效分析要求已經(jīng)不相符。集成電路技術(shù)進步使得失效分析技術(shù)也需要隨之發(fā)展。

2.1 系統(tǒng)級芯片

失效分析技術(shù)發(fā)展難點之一就是系統(tǒng)級芯片?？萍嫉陌l(fā)展使得集成電路越發(fā)復(fù)雜，晶體管數(shù)量增多，互聯(lián)層增加導(dǎo)致失效分析難度加大，在高延遲電路中，失效分析要求更高。而且，由于系統(tǒng)將芯片是高頻運行，工作頻率持續(xù)上升，難以再現(xiàn)故障。

2.2 新材料處理法

電路失效分析需要將介質(zhì)層、金屬化層逐層剝除。一般半導(dǎo)體材料、AI等材料的處理都有對應(yīng)的方法，但是，如低K介質(zhì)、高頻期間等新材料在分析時需要在其中加入新技術(shù)。

2.3 失效定位和電測

失效定位失效范圍和部位的確定，對于集成電路失效定位可以由電路整體逐漸到某一電路模塊中，例如存儲器等，之后在到電路節(jié)點，最后到通孔等。電路規(guī)模擴大、線寬縮小會導(dǎo)致該過程進行越發(fā)困難[4]。

2.4 缺陷特性和探測不可見

電子元件發(fā)缺陷分析中，除一些可觀測到缺陷外，有些不可見缺陷會使集成電路失效，例如電荷遷移引發(fā)漏電現(xiàn)象等。有些尺寸小的晶體管會影響電荷漂移，介質(zhì)越薄也會出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。因此，在后續(xù)的發(fā)展中，對于不可見的缺陷進行分析探測也成為失效分析的一個主要難題[5]。

3 結(jié)語

對于電子元件運行而言，失效分析十分重要，其根據(jù)元件結(jié)構(gòu)、特征以及工藝等情況來分析失效特征、模式和機理，并靈活運用失效分析流程及其相關(guān)技術(shù)。電子元件失效分析的重點在于隔離缺陷，對失效進行定位，物理分析失效情況，而隨著集成電路的發(fā)展，失效分析越發(fā)困難，基于此，推出了一系列的失效分析技術(shù)，例如光學(xué)顯微、機械探針等技術(shù)，還有一些電子束探針、光發(fā)射等新型技術(shù)，在其中的應(yīng)用越發(fā)廣泛，能夠有效分析電子元件失效情況，確保集成電路穩(wěn)定運行。