元器件失效分析在核級(jí)產(chǎn)品的應(yīng)用

鄧玉嬌,陳榮華

(西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

電子元器件的失效分析可以追溯到20世紀(jì)40年代，即半導(dǎo)體和可靠性工程學(xué)科誕生之前的電子管時(shí)代。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，以及電子信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，失效分析技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1]。在20世紀(jì)60年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局(national aeronautics and space administration,NASA)、海軍電子實(shí)驗(yàn)室、IBM、貝爾實(shí)驗(yàn)室、CALCE和波音等公司或機(jī)構(gòu)就開(kāi)始建立專(zhuān)門(mén)的失效分析實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)。自1962年開(kāi)始，每年舉辦的國(guó)際可靠性物理研討會(huì)上[2]都有失效分析專(zhuān)題論壇或章節(jié)。1963年，IEEE組件封裝與制造技術(shù)協(xié)會(huì)誕生，之后每年一屆的電子元器件與技術(shù)會(huì)議[3]都會(huì)出現(xiàn)元器件可靠性與失效分析的專(zhuān)題學(xué)術(shù)交流，從而有效促進(jìn)了失效分析技術(shù)及其應(yīng)用的快速發(fā)展。失效分析技術(shù)的應(yīng)用也由最初的簡(jiǎn)單電子管發(fā)展到大規(guī)模集成電路，為國(guó)家重大工程(包括火箭、飛機(jī)制造等)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶來(lái)了許多新材料和新工藝的技術(shù)問(wèn)題。大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)趨勢(shì)，引發(fā)人們對(duì)失效分析重要性和必要性的正確看待。電子元器件失效分析的發(fā)展也因此突飛猛進(jìn)。

核級(jí)產(chǎn)品一旦發(fā)生失效或故障，所造成的損失和影響是巨大的。因此，核電領(lǐng)域從一開(kāi)始就將產(chǎn)品可靠性放到安全考慮的第一位。在產(chǎn)品研制和使用階段，必須對(duì)異常問(wèn)題進(jìn)行失效分析，并將其作為質(zhì)量歸零的前置和必備條件，以此保證核級(jí)產(chǎn)品應(yīng)用的可靠性。

某核級(jí)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，某模塊遇到多個(gè)相同問(wèn)題：正常輸入20 mA的理論輸出是20 mA，而實(shí)際所有通道無(wú)輸出。經(jīng)分析：該模塊輸入通道±15 V供電異常，電源芯片的±15 V輸出引腳與GND_COM短路，電路后級(jí)正常。分析結(jié)論是電源芯片內(nèi)部短路故障。

本文對(duì)元器件失效分析方法進(jìn)行介紹，并采用合適的失效方法對(duì)模塊進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試分析，確認(rèn)失效問(wèn)題及后續(xù)糾正處理措施。

1 失效分析技術(shù)簡(jiǎn)介

元器件失效分析是針對(duì)在工程運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)故障或失效的元器件進(jìn)行的一種尋因檢查[4]。通過(guò)失效機(jī)理、失效原因分析而獲得產(chǎn)品改進(jìn)的建議，可避免類(lèi)似失效問(wèn)題的發(fā)生，提高產(chǎn)品可靠性。而失效分析是一種借助各種測(cè)試技術(shù)和分析方法確定元器件失效根本原因的技術(shù)。失效分析技術(shù)通常包括外觀(guān)檢查技術(shù)、電性能分析技術(shù)、顯微形貌技術(shù)、無(wú)損結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、開(kāi)封制樣技術(shù)、微區(qū)成分分析技術(shù)，以及失效復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)等[5]。失效分析的具體技術(shù)如下。

1.1 外部目檢

失效分析一般從外觀(guān)檢查開(kāi)始，主要對(duì)象包括失效元器件的外觀(guān)、失效周邊的微環(huán)境，以及開(kāi)封后內(nèi)部電路和外觀(guān)。其目的是發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致失效的直接證據(jù)。失效分析一般是無(wú)損的，主要通過(guò)顯微鏡檢查。

1.2 電參數(shù)測(cè)試

電參數(shù)測(cè)試包括電性能測(cè)試、直流測(cè)試和失效模擬測(cè)試[6]。如阻容感抗測(cè)試、端口測(cè)試等，通過(guò)測(cè)試分析元器件的參數(shù)變化情況，為失效定位或分析方向提供依據(jù)。

1.3 內(nèi)部分析

內(nèi)部分析包括X射線(xiàn)檢測(cè)、紅外線(xiàn)顯微分析和聲學(xué)掃描顯微分析、殘留氣氛分析、密封性檢查等[6]。內(nèi)部分析是失效分析的核心，可以觀(guān)察任意區(qū)域的微觀(guān)形貌和結(jié)構(gòu)，從而探測(cè)低密度封裝材料內(nèi)部或界面的結(jié)構(gòu)缺陷。

1.4 失效點(diǎn)定位

失效點(diǎn)定位時(shí)，器件必須開(kāi)封，使芯片暴露出來(lái)。對(duì)于不同的封裝材料與封裝結(jié)構(gòu)，可以采用機(jī)械或化學(xué)腐蝕的方法進(jìn)行開(kāi)封[6]。失效定位常用的方法為解剖制樣。解剖制樣技術(shù)是破壞性分析方法，主要用于制作元器件封裝的關(guān)鍵截面切片，以便觀(guān)察和分析元器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷和形貌。

1.5 確定失效機(jī)理

失效分析的最終目的是確定失效機(jī)理，找出元器件失效的真正原因。因此，必須從不同的角度、方法進(jìn)行分析，以便給出解釋元器件失效的合理原因，從而有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施[6]。

2 失效品詳細(xì)分析

2.1 樣品概述

`樣品包括：失效品3只，編號(hào)為NG1#～NG3#；良品2只，編號(hào)為OK1#～OK2#。

樣品失效信息：樣品經(jīng)過(guò)回流焊后失效，具體表現(xiàn)為樣品的輸出引腳與Common短路。

樣品引腳定義如圖1所示。

表1 樣品引腳定義

2.2 分析過(guò)程

電子元器件是組成電子產(chǎn)品的最小單元。只有把好元器件質(zhì)量關(guān)、從源頭上進(jìn)行質(zhì)量控制和篩檢，才能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能[7]。失效分析是元器件質(zhì)量工作的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)外部目檢可以觀(guān)察到基礎(chǔ)的缺陷。隨著電路集成化發(fā)展，不可見(jiàn)的缺陷越來(lái)越多，電參數(shù)測(cè)試、內(nèi)部分析、失效定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。常見(jiàn)的光學(xué)和掃描電子顯微、X光透射、開(kāi)封、機(jī)械探針和解剖制樣等失效分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用。以下對(duì)第1節(jié)的失效分析技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.2.1 外部目檢

為了檢查樣品在安裝、試驗(yàn)和使用過(guò)程中引起的損壞，使用體視顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行外部目檢。

樣品為塑封模塊，失效樣品表面覆蓋三防漆。去除三防漆后，樣品的廠(chǎng)家、型號(hào)等字符標(biāo)識(shí)清晰可見(jiàn)。所有失效樣品的引腳殘留焊料，外觀(guān)未見(jiàn)過(guò)電燒毀或機(jī)械損傷。

2.2.2 電學(xué)特性測(cè)試

為了確定失效樣品的失效特性、鑒別失效模式，使用晶體管圖示儀對(duì)樣品引腳間的I/V特性進(jìn)行測(cè)試。

結(jié)果顯示：NG1#和NG2#樣品的輸出端引腳PIN5(-V Output)和PIN4(Common)短路；NG3#樣品的輸出端引腳PIN7(+V Output)和PIN4(Common)短路。

2.2.3 X射線(xiàn)檢查

為了檢查樣品封裝內(nèi)的缺陷、損傷，利用X射線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行X射線(xiàn)檢查。

失效樣品內(nèi)部元器件未見(jiàn)破損，PIN4、PIN5和PIN7引腳之間可見(jiàn)異常陰影。

2.2.4 CT檢查

為了非破壞性地檢查失效樣品異常陰影的具體位置，利用三維X射線(xiàn)成像儀對(duì)NG2#樣品進(jìn)行CT檢查。

檢查結(jié)果顯示，NG2#樣品內(nèi)部異常陰影灰度與焊料灰度一致，異常陰影區(qū)域分布在模塊內(nèi)部器件的引腳之間。

2.2.5 內(nèi)部檢查

內(nèi)部檢查是為了檢查失效樣品內(nèi)部組裝、互聯(lián)結(jié)構(gòu)是否符合要求，以及是否存在與失效模式有關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕?，從而確定失效位置。

對(duì)NG2#樣品進(jìn)行研磨。研磨順序是從樣品的引腳側(cè)向內(nèi)部器件方向進(jìn)行。將研磨樣品進(jìn)行CT檢查，發(fā)現(xiàn)異常陰影位置：PIN4與PIN5引腳間的電容器下方塑封料存在空洞。該空洞斜向延伸，連接相鄰引腳。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)空洞內(nèi)存在顆粒狀金屬，金屬殘留處與CT檢查中發(fā)現(xiàn)的異常位置相同。對(duì)金屬顆粒進(jìn)行X射線(xiàn)能譜儀分析(energy dispersive spectrometer，EDS)，其主要金屬元素為鉛和錫。

從NG3#樣品的背面向內(nèi)部器件的方向進(jìn)行研磨，研磨到輸出端電容器下方的塑封料位置，發(fā)現(xiàn)在PIN4與PIN7引腳間的電容器下方的塑封料內(nèi)存在多處空洞?？斩磧?nèi)殘留顆粒狀金屬，形貌與NG2#樣品內(nèi)發(fā)現(xiàn)的金屬一致。

2.2.6 綜合分析

NG1#和NG2#樣品的輸出端引腳PIN5(-V Output)和PIN4(Common)短路，NG3#樣品的輸出引腳PIN7(+V Output)和PIN4(Common)短路，與實(shí)際開(kāi)封內(nèi)部觀(guān)察一致。

通過(guò)X射線(xiàn)檢查，在失效樣品輸出端引腳間發(fā)現(xiàn)異常陰影。制作金相切片，在引腳間的塑封料內(nèi)發(fā)現(xiàn)空洞?？斩丛谝_形成橋連。空洞內(nèi)部可見(jiàn)顆粒狀金屬殘留。金屬殘留處與異常陰影的位置相同。通過(guò)對(duì)EDS作成分分析，確認(rèn)殘留金屬的主要金屬元素成分為鉛和錫。鉛和錫為焊料的主要成分。

在進(jìn)行回流焊過(guò)程中，內(nèi)部焊料受高溫也會(huì)處于熔融狀態(tài)。由于引腳間的塑封料內(nèi)存在空洞，熔融態(tài)的焊料會(huì)填充到空洞中。樣品內(nèi)部的空洞連接了相鄰引腳，故熔融的焊料填充在空洞中，造成了引腳短路。

3 失效品控制方法

由2.2節(jié)分析可知：失效樣品由于其本身引腳間存在的質(zhì)量問(wèn)題，焊料會(huì)填充到空洞中，造成相鄰引腳短路，最終使元器件失效。通過(guò)失效機(jī)理分析查明，本次失效原因是元器件固有質(zhì)量問(wèn)題。后期將針對(duì)性地加強(qiáng)物料采購(gòu)篩選、回流焊接后測(cè)試過(guò)程的監(jiān)控，并及時(shí)針對(duì)問(wèn)題向生產(chǎn)廠(chǎng)家提出質(zhì)量改進(jìn)要求[8]，通過(guò)建立相應(yīng)的檢驗(yàn)方案、采取優(yōu)化措施等方式，避免問(wèn)題再次發(fā)生。具體措施如下。

3.1 優(yōu)化來(lái)料檢驗(yàn)方案

目前，來(lái)料檢驗(yàn)方案采用的是放寬政策，即使用統(tǒng)一的抽樣檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)——計(jì)數(shù)抽樣檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)抽樣的個(gè)數(shù)或缺陷的個(gè)數(shù)，僅計(jì)算單位產(chǎn)品中的不合格數(shù)，以此作為檢驗(yàn)抽樣依據(jù)。這種方案過(guò)于僵化。而核級(jí)產(chǎn)品屬于安全級(jí)(1E級(jí))電氣設(shè)備，質(zhì)保等級(jí)一級(jí)，應(yīng)采用加嚴(yán)型方案。具體方案為：當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量正常時(shí)，采用計(jì)數(shù)抽樣檢驗(yàn)；當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量下降或過(guò)程不穩(wěn)時(shí)，采用加嚴(yán)型方案，即批量全檢方案，以保護(hù)使用方的利益[9]。

對(duì)來(lái)料檢驗(yàn)過(guò)程實(shí)行全面的數(shù)據(jù)化管理，對(duì)所有質(zhì)量異常數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄反饋。根據(jù)前期項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，電源芯片屬于制造過(guò)程及后續(xù)測(cè)試過(guò)程中易損壞的元器件，因此來(lái)料檢驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電源芯片類(lèi)型的產(chǎn)品應(yīng)采取加嚴(yán)型方案。發(fā)現(xiàn)異常模塊后，應(yīng)及時(shí)與供應(yīng)商進(jìn)行交流，反饋其質(zhì)量檢驗(yàn)異常數(shù)據(jù)，提示其進(jìn)行改進(jìn)。供應(yīng)商對(duì)供貨元器件進(jìn)行系列排查，在采購(gòu)元器件過(guò)程中把好質(zhì)量關(guān)，使后續(xù)出現(xiàn)的產(chǎn)品異常顯著減少。

3.2 增加產(chǎn)品功能測(cè)試

針對(duì)核級(jí)產(chǎn)品采用功能測(cè)試方法。該測(cè)試可對(duì)印刷電路板(printed circuit board，PCB)所有硬件接口、通信、精度進(jìn)行綜合性測(cè)試。功能測(cè)試比回流焊接過(guò)程測(cè)試覆蓋面更廣，更易發(fā)現(xiàn)隱藏問(wèn)題。考慮核級(jí)產(chǎn)品的安全性要求高，該功能測(cè)試為全檢測(cè)試，不采用抽檢等其他形式。

功能測(cè)試是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品異常的關(guān)鍵性測(cè)試。增加該測(cè)試，可有效減少不良品往后流轉(zhuǎn)的可能性。

3.3 建立故障報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)

電子產(chǎn)品及其所用元器件的可靠性分析、評(píng)價(jià)和改進(jìn)都離不開(kāi)故障信息。建立故障報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)的目的是保證故障信息的正確性和完整性，并及時(shí)利用故障信息對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、改進(jìn)，以提高電子產(chǎn)品的可靠性[10]。

生產(chǎn)、檢驗(yàn)環(huán)節(jié)采用糾正措施系統(tǒng)，可及時(shí)分析故障原因，從而確認(rèn)問(wèn)題源頭。經(jīng)過(guò)層層把控，失效樣品數(shù)量斷崖式減少。在之后的其他項(xiàng)目及批次中，該問(wèn)題不再出現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立供應(yīng)商采購(gòu)體系、規(guī)范采買(mǎi)渠道、嚴(yán)把器件質(zhì)量關(guān)、監(jiān)控各個(gè)測(cè)試過(guò)程、縮緊不合格的器件流通途徑、建立故障糾正措施系統(tǒng)等多種方式，有效地解決了核級(jí)產(chǎn)品在制造過(guò)程中出現(xiàn)的元器件失效問(wèn)題。