電子元器件技術(shù)發(fā)展與失效分析

劉建清

（株洲宏明日望電子科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，使人們對信息的獲取需求大幅增長，各種電子產(chǎn)品也相繼進(jìn)入百姓生活的方方面面，極大程度的便捷了人們的生活。與此同時(shí)，人們對電子產(chǎn)品的使用性能及質(zhì)量也提出了更高的要求，為了使電子產(chǎn)品能夠可靠使用，就需要采用失效分析手段來對電子產(chǎn)品出現(xiàn)失效的原因進(jìn)行深入分析，了解失效性質(zhì)，并利用各種具有針對性的預(yù)防方法，以此防止失效問題的發(fā)生，并進(jìn)一步改善電子元器件的可靠性與使用性能。如何更好的開展電子元器件失效技術(shù)分析已經(jīng)成為電子行業(yè)在發(fā)展過程中迫切需要解決的重要課題，各種信息化工具的出現(xiàn)與應(yīng)用，也為電子元器件失效分析提供了可靠的技術(shù)支持，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)了電子元器件技術(shù)的發(fā)展。為此，以下便探討電子元器件失效分析需要遵循的相關(guān)原則，了解其具體的操作流程，在此基礎(chǔ)上分析其主要技術(shù)手段，闡述了電子元器件失效技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 電子元器件失效分析應(yīng)遵循的原則及操作流程

1.1 原則

在對電子元器件失效原因進(jìn)行分析時(shí)，必須要遵循相應(yīng)的原則來進(jìn)行操作，只有這樣才能保證電子元器件的完好性。通常而言，在對電子元器件進(jìn)行失效分析過程中，主要是采取以非破壞性為目的的檢查手段。如果采用常規(guī)的非破壞性檢查手段來對電子元器件進(jìn)行失效分析時(shí)，無法判斷其失效原因，便要采取進(jìn)一步的操作，以此更加深入的探尋失效原因。對于電子元器件失效分析而言，其整個(gè)操作過程便是對失效信息進(jìn)行獲取的過程，可以說，獲取失效信息是電子元器件失效分析中的核心所在[1]。為了確保電子元器件能夠得到合理的失效分析，使失效原因被遺漏的概率能夠最大限度的降低，就需要按照以下原則來進(jìn)行操作：首先，需要嚴(yán)格按照先制定分析方案，然后執(zhí)行方案這一根本原則來進(jìn)行操作，也就是針對電子元器件的失效現(xiàn)象，先對具體的失效分析操作步驟、內(nèi)容等進(jìn)行明確，以此形成相應(yīng)的分析方案，然后再根據(jù)制定的方案來開展后續(xù)操作，確保失效分析的操作步驟與內(nèi)容能夠與方案保持一致[2]。需要注意的是，應(yīng)優(yōu)先對電子元器件進(jìn)行外檢，然后方可對電子元器件進(jìn)行通電檢查。其次，在對電子元器件進(jìn)行加電測試時(shí)，其電流操作應(yīng)按照“先弱后強(qiáng)”的原則來執(zhí)行，對電子元器件的失效原因需要先從其外觀、形態(tài)來進(jìn)行檢查，然后再對電子元器件的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行檢查。在檢查分析時(shí)，最初需要保證電子元器件處于靜止?fàn)顟B(tài)，然后再對電子元器件進(jìn)行動態(tài)性的檢查。再次，對電子元器件進(jìn)行失效分析時(shí)需要按照“先宏觀后微觀”原則來進(jìn)行操作，通常需要以普遍化角度來對電子元器件進(jìn)行失效分析，查看電子元器件的失效原因是否是由普遍問題所引起的，如果不是，則需以特殊化角度來排查電子元器件的失效原因。最后，必須要對失效分析的開展順序與主次對象進(jìn)行確定，通常需要先結(jié)合電子元器件可能存在的主要問題來進(jìn)行失效分析，在必要時(shí)還要對電子元器件進(jìn)行破壞性檢測，以此查明電子元器件的失效原因[3]。

1.2 程序

在對電子元器件失效原因進(jìn)行分析時(shí)，其分析程序可按分為三類，一類是以非破壞性為目的的分析項(xiàng)目，一類為半破壞性的分析項(xiàng)目，最后一類則為破壞性的分析項(xiàng)目[4]。對于非破壞性的分析項(xiàng)目中，其項(xiàng)目程序依次為外觀檢查、模式確認(rèn)、檢漏、可動微粒檢測、X 光照相、聲學(xué)掃描以及模擬試驗(yàn)。而對于半破壞性的分析項(xiàng)目中，其項(xiàng)目程序則依次為可動微粒收集或者內(nèi)部氣氛檢測、開封、不加電內(nèi)部檢查（光學(xué)· SEM · 微區(qū)成分）、加電內(nèi)部檢查(微探針·熱像·光發(fā)射·電壓襯度像·束感生電流像·電子束探針），需要注意的是，內(nèi)部氣氛檢測和可動微粒收集是存在沖突的。對于破壞性的分析項(xiàng)目，其分析程序?yàn)閮?nèi)部檢查和加電內(nèi)部檢查，包括去除鈍化層、微探針、聚焦離子束、電子束探針等，然后進(jìn)行剖切面分析，如聚焦離子束、光學(xué)、SEM、TEM。

2 電子元器件失效分析手段研究

2.1 失效診斷

以宏觀角度而言。對于電子元器件出現(xiàn)失效的表現(xiàn)，可以將其劃分為三個(gè)類型，一種是連接性的失效，另一種是電子元器件功能的失效，最后一種則是電子元器件中的電參數(shù)出現(xiàn)失效。上述三種電子元器件失效的表現(xiàn)往往具有密切的內(nèi)在聯(lián)系，在對電子元器件進(jìn)行不以破壞性為目的的檢測分析時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來對電子元器件施加一定的電應(yīng)力，以此獲得檢測結(jié)果[5]。這種無損式的檢測，不會對電子元器件造成破壞，并且能夠?qū)﹄娮釉骷臉?gòu)造缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確判定。在對電子元器件進(jìn)行失效分析時(shí)，需要根據(jù)質(zhì)量要求來對電應(yīng)力進(jìn)行增加，在此過程中便可能會產(chǎn)生新的失效現(xiàn)象，進(jìn)而造成電子元器件失效問題發(fā)生進(jìn)一步惡化?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使越來越多的電子元器件在市場中得以不斷涌現(xiàn)，與此同時(shí)，電子元器件的功能也變得更加豐富，其內(nèi)部構(gòu)造的復(fù)雜性也大幅增加，這在很大程度上提高了電子元器件功能測試的復(fù)雜性[6]。通常來說，對電子元器件進(jìn)行功能測試時(shí)，需要采用自動測試設(shè)備ATE 來實(shí)現(xiàn)。也就是說，根據(jù)其既定功能來對電子元器件的應(yīng)用條件進(jìn)行模擬，以便于對電子元器件的運(yùn)行程序進(jìn)行科學(xué)的編寫，確保電子元器件能夠得到有效的自動測試，然后根據(jù)自動功能測試所得到的數(shù)據(jù)來總結(jié)出電子元器件出現(xiàn)失效問題的結(jié)論。在對電子元器件的連接性失效進(jìn)行分析時(shí)，其測試工作是比較復(fù)雜的，在此過程中要利用端口與待機(jī)電流來進(jìn)行測試，依據(jù)待機(jī)電流來對失效因素進(jìn)行確定，而且這種測試還能為電子元器件程序的后續(xù)運(yùn)行提供重要的數(shù)據(jù)支持[7]。

2.2 制備和保存樣品

在對電子元器件內(nèi)部構(gòu)造中的芯片進(jìn)行失效分析時(shí)，應(yīng)對電子元器件所采用的封裝材料所具有的特性進(jìn)行全面了解和把握，然后對樣品進(jìn)行制備和保存，這樣在具體操作過程中能夠有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。例如采用去鈍化層技術(shù)時(shí)，可借助于低導(dǎo)電性和芯片的阻礙作用，以使電子元器件的芯片樣品得到完好的制備與保存。在具體操作過程中雖然沒有對去鈍化層操作提出特殊的要求，不過去鈍化層卻非常容易造成芯片腐蝕，而且其腐蝕的范圍及位置是難以控制的，這便極易導(dǎo)致芯片中的金屬層未鈍化部分及其內(nèi)引線因受到腐蝕而降低失效分析準(zhǔn)確性[8]。而通過等離子來對鈍化層進(jìn)行腐蝕的方法，雖然可避免腐蝕的不可控性，防止嚴(yán)重腐蝕問題的發(fā)生，但卻容易出現(xiàn)新的失效問題。所以在具體操作時(shí)，必須要嚴(yán)格監(jiān)控去鈍化層的整個(gè)腐蝕過程，并根據(jù)腐蝕過程中鈍化層的顏色變化情況，以此判斷具體的腐蝕程度，明確其腐蝕速率。

2.3 電性分析

對電子元器件進(jìn)行電性分析，能夠更加快速的對電子元器件的失效點(diǎn)進(jìn)行定位。在電性分析手段中，以O(shè)BIRCH 技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，該技術(shù)具有主動性特征，其通過激光束來感應(yīng)電子元器件中的材料電阻率，并根據(jù)電阻率的實(shí)際變化情況來確定電子元器件內(nèi)部構(gòu)造中的失效點(diǎn)位置。對于電子元器件材料來說，由于其是由不同材料構(gòu)成的，這些材料在通電后所產(chǎn)生的電阻率也是不同的，而當(dāng)某一電路出現(xiàn)故障時(shí)，其電阻率勢必會發(fā)生變化，正是依據(jù)這種電阻率的變化，可幫助分析人員快速確定電子元器件中的失效點(diǎn)。除了OBIRCH 技術(shù)以外，液晶熱點(diǎn)檢測技術(shù)也同樣在電子元器件失效分析中發(fā)揮著很高的應(yīng)用價(jià)值，該技術(shù)是利用液晶材料對不同溫度的形態(tài)變化來確定失效點(diǎn)的，當(dāng)溫度較低時(shí)，其會以固態(tài)的形式呈現(xiàn)，而當(dāng)溫度較高時(shí)，液晶材料則會轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這使得液晶材料會從近晶相向著向列相進(jìn)行轉(zhuǎn)變，根據(jù)其所呈現(xiàn)出的光學(xué)特性變化，即可確定電子元器件中的失效點(diǎn)[9]。

3 電子元器件失效分析技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在電子元器件失效分析技術(shù)中，其關(guān)鍵在于對失效點(diǎn)進(jìn)行定位。不過，就目前來看，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的構(gòu)造也變得日益復(fù)雜化，集成電路規(guī)模也不斷擴(kuò)大，而其線寬則變得越來越小，相應(yīng)的也導(dǎo)致電子元器件的失效現(xiàn)象變得更加復(fù)雜且較為特殊，電子元器件的電性分析及失效定位難度也大幅提高，如果分析人員只是通過觀察失效現(xiàn)象，是難以找到失效點(diǎn)的。因此在失效分析過程中，分析人員必須要對集成電路的整體情況進(jìn)行全面把握，并鎖定集成電路中的電路單元、存儲器等相應(yīng)的電路模塊，以便于找到各個(gè)電路節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對接觸、通孔與源進(jìn)行確定，以此保證失效點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。除此之外，因電子元器件中集中電路構(gòu)造的日益復(fù)雜化，也進(jìn)一步增加了互連層數(shù)，這使得延遲較高的情況下，電子元器件中的電路有著極高的工作難度，這也使電路故障常常難以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而對電子元器件的失效分析結(jié)果準(zhǔn)確性造成一定影響。在此背景下，系統(tǒng)級芯片也由此應(yīng)運(yùn)而生，其作為一種新型的技術(shù)手段，在失效分析中也正發(fā)揮著越來越重要的作用[10]。

4 結(jié)論

總而言之，在電子元器件失效分析中，必須要明確具體的分析思路與程序，掌握相應(yīng)的失效分析技術(shù)手段，以確保失效分析的準(zhǔn)確性和可靠性，這樣才能使電子元器件的質(zhì)量控制及運(yùn)行得到有力的技術(shù)支持，從而使電子元器件的各項(xiàng)功能得以正常發(fā)揮。