電子元件失效分析及技術發(fā)展分析

范培培

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 電子元件失效分析

1.1 感官判斷

人類是通過人體器官進行對外界事物進行分析及了解，而了解的過程便是感官判斷。例如人體的五感，通過視覺、嗅覺、聽覺以及觸覺清晰的感知到電子元件的溫度、形狀、味道、聲音及軟硬度。感官判斷作為人類對事物最簡單、最基礎的判斷方式，其工作成本也是極低的，但卻需要工作人員具備一定的相關經驗，同時也要求工作人員對周圍環(huán)境及事物的感知能力突出，這樣才可以有效保證感官判斷的準確程度。

1.2 內部分析

在日常工作中，最為常用的四種內部分析方法為紅外光、X光射線、殘留氣體濃度以及聲波掃描。而這四種分析方法常用于四種不同的場景中。如紅外光分析法，因其具備穿透硅材料及可以被樹脂鑄膜反射的特點，所以通常將紅外光應用于檢測芯片內部的金屬連接線是否連接正常以及鍵合程度。X光射線檢測法則是經常用于檢測不同環(huán)境中的封裝缺陷，因X光射線穿透不同材質的物體后成像出的灰度不同，所以經常將其用于粘結空洞、封裝分層及焊點氣泡等封裝缺陷環(huán)境。

1.3 電源拉偏

電源拉偏的工作原理是通過加大或減少正常工作狀態(tài)中電源電壓，使其產生電容差，使電子元件處于異常的工作狀態(tài)中，從而發(fā)現存在故障的電子元件位置。但該方法通常使用在電子元件因工作強度高、工作時間長而故障的條件中，而該方法又是通過升高或降低電壓，使電子元件產生電容差的方式進行故障檢測，所以該方法具備一定危險性，若操作失誤，很可能造成電子元件的損耗[1]。

1.4 定位

對于芯片故障排查的方法主要是通過故障隔離技術，對芯片失效點進行跟蹤定位。在定位故障點后，通過對芯片結構與材質的分析，初步判斷失效原因。在成功定位故障點后，需打開電子器件，通過使用機械開封或塑封腐蝕劑對封裝材質進行輕量腐蝕，從而將芯片暴露出來。在日常排查故障點時，通常使用熱分析法、電子束測試法、機械探針等技術定位并隔離故障點。

1.5 物理分析

物理分析的具體做法是通過對缺陷芯片進行物理處理后，對該缺陷芯片的失效部位進行觀察并分析其失效原因，最后將所分析出的相關信息上傳到產品設計及生產部門，讓其明確缺陷原因并加以改正。芯片的物理缺陷通常指是出現在芯片表層金屬中的故障[2]。若想有效地觀測到失效區(qū)，在一般情況下只需將介質與金屬連接線摘除后，使用高精度光學顯微鏡進行觀測，或使通過FIB方式進行制樣后觀測。

2 電子元件失效分析的主要原則以及基本流程

2.1 電子元件失效分析的主要原則

通常來說，對電子元器件進行失效分析的工作內容主要為，在不損壞電子元器件本身的同時對其進行有效的檢查與分析，這樣做是為了找到電子元器件故障的根本原因，進行非破壞性檢查的目的也是排除因檢測時因損壞導致與真正失效原因所混淆[3]。因在檢測電子元器件時需從外至內的分層尋找失效原因，所以該工作具備一定的逐層化特性。若存在電子元器件的失效原因無法通過非破壞性檢測手段進行排查，則需要采取必要措施，對失效原因展開深入討論及研究。所以任何電子設備整機而言，工作時失效都是十分可怕且可能造成嚴重后果的，在對電子元器件進行失效分析時，必須要嚴格以科學、嚴謹、全面的態(tài)度進行分析工作，所以應按要求遵守以下幾項失效分析原則。第一原則是在進行失效分析工作前，要確定科學、嚴謹的分析方案，而后才能根據方案，逐步開展失效分析操作。在面對元器件時，不能盲目地進行拆解，一定要先對其進行外部檢測后，才可進行逐步拆解并對其進行通電檢測，若不按照規(guī)定直接進行通電檢測，就會導致元器件可能出現損傷。第二原則是在失效分析工作中，應嚴格遵守從宏觀到微觀的工作原則。在對存在缺陷的電子元器件進行失效分析檢測時，應首先從宏觀角度進行檢測分析并排查可能存在的失效原因。而后在對其進行結構細分流程，對各個結構進行具有高針對性的檢測分析。在檢測過程中，不能盲目的進行全方位檢測，這樣不僅浪費時間資源與人力資源，工作效率也是極大程度的下降。所以，在檢測過程中也應當分清主次，對主要存疑的結構部位或位置進行定位分析，之后在進行次要結構分析。若在分析過程中，實在無法通過非破壞性檢測手段對其進行有效分析，則就需要采取破壞檢測手段進行深入探究，盡可能分析出失效結構與原因，為電子元器件的失效分析積累每一份寶貴的經驗，打好分析工作基礎[4]。

2.2 電子元件失效分析的基本流程

電子元件失效的原因有很多，其主要可以通過兩個大方向進行失效分析，其一是由于電子元件的功能缺失或喪失造成的電子元件失效。其二是由于其物理參數、電學特性以及功能不能滿足現實應用需求，造成的電子元件失效，如短路、參數漂移以及開路等失效現象，這些失效電子元件的外在表現形式也成為失效模式。所以，電子元件失效分析是以確認這些失效模式為起始，結合相關的失效分析資料，進而采用各種失效分析技術方法對尋找電子元件的失效機理，如點電轉移、腐蝕、靜電擊穿、過電應力燒毀、輻射損害以及互聯開路等各種常見的失效機理。此外，失效分析流程主要圍繞失效模式確認、分析失效機理以及驗證失效機理與原因這三個核心分析步驟進行。其具體的失效分析流程如圖1失效分析主要流程所示。首先是要確定電子元件發(fā)生失效問題的情況，并對失效的電子元件進行取樣存檔，然后要進一步觀察失效電子元件的外部狀況，是否有破損、腐蝕、斷裂等外在情況，并對觀察的結果進行記錄。其次，就是要對失效的電子元件進行電性分析，觀察與檢測電子元件的內部結構情況，同步將電性分析結果記錄至失效分析表。而后就是要進行失效電子元件的開封與剝層處理，檢測是內部實際情況。最后是要對失效電子元件進行失效問題的定位，并利用失效分析技術對定位出來的故障問題進行失效機理分析，進而修復故障。

圖1 失效分析主要流程

3 電子元件失效分析的技術發(fā)展

隨著我國計算機網絡技術與工藝制造技術的快速發(fā)展，電子元件失效分析技術也發(fā)生日新月異的改變[5]。電子元件失效分析一般從外觀檢查進行，傳統(tǒng)電子元件外觀檢查一般都有放大鏡或金相顯微鏡進行觀察，此傳統(tǒng)觀察手段容易造成元器件小型化和封裝復雜化問題，影響觀察效果。而通過新興的超高分辨率三維數字顯微鏡進行失效電子元件外觀檢查，可以很好地彌補元器件小型化和封裝復雜化問題。相較于傳統(tǒng)觀察方式，新的觀察手段更能滿足觀察需求。與此同時，隨著電子元器件的失效分析及檢測工作的科學技術日漸提高，電子元器件的功能測試多樣化程度也逐漸加大。常用的功能測試有通過自動檢測設備ATE進行檢測，該測試主要特點是通過科學編寫代碼保證檢測程序自動運行，在編程過程中可以通過編寫指定模擬測試的環(huán)境及條件，進行多樣化功能測試，保證測試出的數據具備極高的實用性及泛用性，對后續(xù)開展功能測試結果分析以及對可能出現的失效原因起到了重要的研究意義與討論作用。

總而言之，隨著新興技術的發(fā)展，電子元件失效分析技術也隨之不斷改進，接下來以某放大器失效為案例進行分析。某放大器在測試階段出現電子元件失效現象，其外觀檢查并未發(fā)現故障點，但其電性分析發(fā)現失效電子元件與正常電子元件的特性曲線有不同點，失效電子元件的導通電流較大，通過采用傳統(tǒng)的失效分析技術未檢測出其內部結構有異?，F象，但通過SAT發(fā)現失效的電子元件基板周邊與塑封料界面有分層現象。通過光發(fā)射顯微鏡對比分析失效品與良品的內部晶體管工作狀態(tài)，進而發(fā)現失效品內部均存在晶體管不發(fā)光現象，如圖2通過光發(fā)射顯微鏡觀察到放大器內部晶體管發(fā)光現象所示，懷疑該晶體管內部可能存在結構異?；驌p壞[6]。

圖2 通過光發(fā)射顯微鏡觀察到放大器內部晶體管發(fā)光現象

根據實驗可得通過使用雙束FIB制樣分析失效設備中失效部位的晶體管內部情況，通過觀測明顯可知，晶體管內部的基極金屬化臺階存在明顯裂痕，通過使用FIB制作備份的失效部位的剖面圖并觀察。通過高端表征，最終確定了缺陷原因及位置，正是由基極金屬化臺階處斷裂導致信號無法正常輸出至晶體管，從而引起放大器失效。這個案例反映了失效分析的復雜性和系統(tǒng)性，需要多技術的綜合應用[7]。

4 結語

電子元件的失效分析是保障電子元件穩(wěn)定運行的重要內容，其失效分析方法可以根據電子元件的外表結構特征、運行機理以及工藝制作情況等多個方面情況綜合分析電子元件失效特征與定位失效故障問題點。其失效分析重點是對于失效故障的定位，具體可以通過采用電子束探針、光發(fā)射以及FMMEA等多種新興技術分析電子元件失效故障，進而解決故障情況，確保電子元件的穩(wěn)定運行。