电子元器件电应力失效分析
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【摘要】 为了对电应力失效现象进行深层次的认识和理解,本文对电应力失效的现象特征、失效机理、检测方法和分析结论进行了总结,总结出了电应力的失效分析结论共有三类5种情况。通过详细的分析对比,可以分析出电子器件电应力失效的根本原因及形成过程。
【关键词】 静电损伤过电应力电迁移失效机理失效分析
随着现代社会科技化程度的不断提高,电子器件的使用范围不断扩大,电子器件在我们的生活和工作中随处可见。由于电子器件应用范围的广泛,电子器件的失效现象也是多种多样,随处可见。电应力失效作为电子器件失效的重要方面,电气器件电应力失效的分析与研究,对电子器件的生产、使用和研发等具有深远的意义。
1 电应力的失效现象特征
(1)电应力失效是指由于使用了超出或违背了器件规范规定的电压和电流的电应力,造成封装器件的失效。电应力失效的主要表现形式有:ESD静电损伤、EOS过电损伤、电迁移。
(2)静电(ESD)损伤的主要特征有:晶格熔化或金属与硅共熔,使P-N结受损短路;氧化层汽化产生空洞使器件短路、开路;金属联线挥发造成器件之间短路、开路。
过电应力(EOS)失效的主要特征:在失效分析的实践中,过电应力损伤还经常指有明显可见熔蚀痕迹的损伤,特别是封装材料有碳化现象:一般表现为键合丝熔断,造成开路;芯片表面金属布线熔融蒸发,造成开路、短路或漏电;硅材料熔融蒸发键合丝的熔断可以发生在任何管脚上。
(3)电迁移主要失效特征:银离子爬升呈树枝状晶或絮状晶,造成晶圆短路或漏电;当元器件工作时,金属互联线的铝条内有一定强度的电流通过,在电流的作用下,金属离子沿导体移动,产生质量的传输,导致到体内某些部位产生空洞或晶须(小丘),造成开路或漏电。
2 失效机理特征
2.1 ESD
(1)ESD产生的模式:1)人体模式:静电放电的人体模式(Human Body Model),简称HBM。主要是人体静电放电对敏感电子器件产生的作用,导致封装器件的失效;2)机器模式:机器模式(Machine Model),简称MM。主要是导体带静电后对器件产生的作用,导致封装器件的失效。比如在自动装配线上的元器件遭受到带电金属物件对器件产生的静电放电,或者是带电的工具、测试夹具等对元器件的作用;3)带电器件模式:带电器件模式(Charged Device Model),简称CDM。主要用于描述带电器件发生的静电放电现象。
(2)调查待检样品的失效背景,包括使用环境、使用时间、材料选择、发生失效时的情况等,与ESD失效机理的特征进行比对,ESD失效机理的特征包括但不限于以下情况:(a)ESD应能符合ESD失效机理的综合特征;(b)检材的电性检测可能发现失效(包括短路、开路、漏电);(c)检材的功能检测发现失效;(d)检材的声扫检测可能出现分层;(e)检材的X-RAY检测可能出现引线断裂;(f)开封检测发现晶圆表面有电击穿现象:格熔化或金属与硅共熔、氧化层汽化产生空洞。
2.2 EOS
调查待检样品的失效背景,包括使用环境、使用时间、材料选择、发生失效时的情况等,与EOS失效机理的特征进行比对,EOS失效机理的特征包括但不限于以下情况:(1)EOS应能符合EOS失效机理的综合特征;(2)检材外观检测可能有过电焦黄现象;(3)检材的电性检测发现失效(包括短路、开路、漏电);(4)检材的功能检测发现失效;(5)检材的声扫检测可能出现分层;(6)检材的X-RAY检测可能出现引线断裂、焊料空洞、晶圆裂纹;(7)开封检测发现晶圆表面有过电熔痕现象:栅极开路、晶圆裂纹;芯片内部有烧结现象;晶圆表面有碳化现象;引线有熔断等现象。
2.3 电迁移
(1)电迁移通常是指在电场的作用下导电离子运动造成元件或电路失效的现象。分别为发生在相邻导体表面的如常见的银离子迁移和发生在金属导体内部的金属化电子迁移。
(2)调查待检样品的失效背景,包括使用环境、使用时间、材料选择、发生失效时的情况等,与电迁移失效机理的特征进行比对,电迁移失效机理的特征包括但不限于以下情况:1)电迁移应能符合电迁移失效机理的综合特征,检材曾在高温高湿等环境下使用后再出现失效;2)检材是在使用一段时间(数月)以后才逐步出现较高的失效率;3)待检样品的失效现象在干燥环境下可能会出现暂时消失的情况,在湿热情况下可能又会重新出现;4)检材的电性检测发现失效(包括短路、开路、漏电);5)检材的功能检测发现失效;6)检材的X-RAY检测可能出现引线断裂;7)开封检测发现晶圆表面有腐蚀痕迹:晶圆表面或引线有空洞;晶圆表面有树枝状晶,晶圆表面有腐蚀痕迹。
3 分析步骤
3.1 检验原则
(1)应综合了解检材背景、使用环境温湿度、使用时间长短、是否有过应力等,与失效现象特征作比较;(2)电学验证失效现象;(3)先做非破坏性试验,再做破坏性试验;(4)先做失效隔离定位,再做物理验证,并与良品比对;(5)模拟验证确认失效现象,此项适当时采用。
3.2 失效点电学定位
综合运用电性测量分析检验方法对检材进行失效点定位。
电性能分析方法包括:元器件的功能、参数、引线间特性和结特性的测试。
电学定位失效点:用伏安特性曲线仪、探针台等电性能测量仪器对样品的失效部位进行分段隔离定位,找出导致样品电性能异常的物理失效点。
根据电路原理图分析分别列出可能导致失效的多个失效点,对目标失效电路进行伏安特性测量,发现目标失效电路的电流电压曲线(I-V Curve)呈现过X轴的直线或电阻值无穷大则可能为开路(高阻)失效所致,若发现目标失效电路的电流电压曲线(I-U Curve)呈现过原点的跨第一第三象限的直线、电阻值为零或大大低于原有阻值则可能为短路或漏电失效所致。由此种方法找到失效位置点。
对良品与不良品失效位置进行伏安特性测量,若发现良品同一位置伏安特性为正常的设定值,可以确认出现的原因为失效点间电路异常(断路、短路、漏电)所致。
(1)根据检材的特性及失效现象,分段隔离失效部位,综合查证检材的电学失效点。
(2)如有标准样本的,通过检材与标准样本的电学特性的比较检验,综合评断检材与标准样本电学特性的异同。
(3)有些失效现象与环境条件有关,因此要根据分析对象的实际情况可选择温度循环、振动或冲击、湿热等试验,再现和观察失效现象。
(4)失效点应先用无损的方式进行定位,运用前述的电性测量分析检验方法对检材进行失效点定位。
3.3 失效点电学验证
选用适当的检验方法,对失效点进行电学验证。可测量失效点部位检材与标准样品的电流电压曲线情况,进行对比分析。
3.4 失效点物理验证
(1)据3.3检测的电性失效点,运用无损检测手法,对失效点进行无损检测,具体检验方法包括光学显微镜分析、透射射线分析和超声波扫描分析。1)光学显微镜分析。光学显微镜(Optical Microscope)视觉检测,查看整体情况,观察有无严重的机械物理损伤缺陷,例如器件封装开裂,塑封不完整,基板断裂,引脚破损、脱落,锡球脱落、虚焊、明显异常等均能导致开路或高阻失效;器件封装开裂,塑封不完整,基板断裂,引脚异样、引脚间桥接,锡球异样、锡球间桥接、基板铜引脚树枝状晶、明显异常等均能导致短路或漏电失效。2)透射射线分析。利用透射射线的原理,检查目标器件封装内部线路连接情况,例如金线或铜线焊点脱落,没有金线或铜线焊接等缺陷均能导致开路或高阻失效;金线或铜线焊点错位或其下垂形变等缺陷均能导致短路或漏电失效。同时也要检查印制线路基板(PCB)内部的明显缺陷,例如铜布线断裂,通孔铜线断裂等均能导致开路或高阻失效;铜布线间桥接,通孔铜线错位等均能导致短路或漏电失效。3)超声波扫描分析。对X-Ray检测的互补,运用超声波扫描检查目标器件封装内部是否存在严重缺陷,可选择不同的工作模式:A-SCAN、B-SCAN、C-SAM、T-SAM和TAMI-SCAN等。如严重分层开裂致使焊点脱离,严重空洞或气泡,芯片开裂,芯片碎裂等均能导致开路或高阻失效。严重分层开裂致使金线变形短路,严重空洞或气泡致使短路,芯片开裂,芯片碎裂等均能导致短路或漏电失效。如果通过无损失效分析方法发现机械物理损伤缺陷,并且能够证明损伤或缺陷是导致开路(高阻)或者短路、漏电的直接而且唯一原因,那么找到失效点。