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失效分析工作不僅在提高可靠性方面具有很好的效果,而且有很高的經(jīng)濟(jì)效益。雖然失效分析工作不出產(chǎn)品,但是通過失效分析和采取糾正措施可以顯著提高元器件的成品率和可靠性。器件一旦壞了，千萬不要敬而遠(yuǎn)之，而應(yīng)該如獲至寶。

開車的人都知道，哪里最能練出駕駛水平？高速公路不行，只有鬧市和不良路況才能提高水平。社會的發(fā)展就是一個發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程，出現(xiàn)問題不可怕，但頻繁出現(xiàn)同一類問題是非?？膳碌?。

減少因元器件失效導(dǎo)致系統(tǒng)試驗和現(xiàn)場使用期間的電子裝備故障。系統(tǒng)試驗和現(xiàn)場使用期間電子裝備發(fā)生故障的經(jīng)濟(jì)損失巨大,排除故障的維修費(fèi)用頗高,并且這種費(fèi)用隨著可靠性等級的提高而呈指數(shù)上升。

失效分析是通過對現(xiàn)場使用失效樣品、可靠性試驗失效樣品或篩選失效樣品的檢測與解剖分析，得出失效模式(形式)和失效機(jī)理并準(zhǔn)確判斷失效原因，為采取相應(yīng)的改進(jìn)措施迅速提高產(chǎn)品的可靠性提供科學(xué)依據(jù)。

失效分析和失效物理立足于微觀世界,從物理、化學(xué)的微觀結(jié)構(gòu)上對元器件進(jìn)行仔細(xì)觀察和分析研究,從外部影響和內(nèi)部原因兩方面探究元器件不可靠的因素,分析其工作條件、環(huán)境應(yīng)力和時間等因素相互作用對器件發(fā)生失效所產(chǎn)生的影響。在分析過程中，可以獲得元器件與相關(guān)因素和條件相互作用的豐富信息。因此,失效分析在可靠性設(shè)計、材料選擇、工藝制造和使用維護(hù)等方面都能為有關(guān)人員提供各種有用的科學(xué)依據(jù)。

失效分析基本概念

定義：對失效電子元器件進(jìn)行診斷過程。

1、進(jìn)行失效分析往往需要進(jìn)行電測量并采用先進(jìn)的物理、冶金及化學(xué)的分析手段。

2、失效分析的目的是確定失效模式和失效機(jī)理，提出糾正措施，防止這種失效模式和失效機(jī)理的重復(fù)出現(xiàn)。

3、失效模式是指觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。

4、失效機(jī)理是指失效的物理化學(xué)過程，如疲勞、腐蝕和過應(yīng)力等。

失效分析的一般程序?qū)﹄娮釉骷C(jī)理、原因的診斷過程叫失效分析。進(jìn)行失效分析往往需要進(jìn)行電測量并采用先進(jìn)的物理、冶金及化學(xué)的分析手段。失效分析的任務(wù)是確定失效模式和失效機(jī)理，提出糾正措施，防止這種失效模式和失效機(jī)理的重復(fù)出現(xiàn)。因此，失效分析的主要內(nèi)容包括:明確分析對象，確定失效模式，判斷失效原因，研究失效機(jī)理，提出預(yù)防措施(包括設(shè)計改進(jìn))。

1、明確分析對象及失效發(fā)生的背景，收集現(xiàn)場場數(shù)據(jù)

2、電測并確定失效模式

3、非破壞檢查，失效原因判斷

4、打開封裝

5、鏡驗

6、進(jìn)行失效定位。對失效部位進(jìn)行物理、化學(xué)分析，確定失效機(jī)理。

7、綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施。

1、明確分析對象及失效發(fā)生的背景，收集現(xiàn)場場數(shù)據(jù)：

失效分析首先是要明確分析對象及失效發(fā)生的背景。在對失效樣品進(jìn)行具體的失效分析操作之前，失效分析人員應(yīng)該與現(xiàn)場人員進(jìn)行溝通，了解失效發(fā)生時的狀況，確定在設(shè)計、生產(chǎn)、檢測、儲存、傳送或使用哪個階段發(fā)生的失效，如有可能，要求現(xiàn)場人員詳細(xì)描述失效發(fā)生時的現(xiàn)象以及失效發(fā)生前后的操作過程。對現(xiàn)場人員提交的樣品，需要查找產(chǎn)品手冊，通過外觀檢查、電學(xué)檢測以及顯微鏡光學(xué)觀察等手段確認(rèn)失效現(xiàn)象，在條件許可的情況下，盡可能地復(fù)現(xiàn)失效。另外經(jīng)常會出現(xiàn)一些本身是好的元器件，結(jié)果由于測試錯誤而誤判為失效，因此需要對提交的失效樣品進(jìn)行復(fù)驗，以明確分析對象確實失效，避免無效的工作。

器件極限溫度承受能力是高壓線，超過后失效率劇增，使用中不允許超過。在極限溫度以內(nèi)，器件失效率與溫度仍然強(qiáng)相關(guān)，失效率隨著溫度升高而增加。

問題：是否存在一個安全溫度點，只要不超過這個溫度點，失效率與溫度關(guān)系就不密切？

答案：理論與實際表明，多數(shù)情況下不存在這樣的溫度點。器件的失效率始終與溫度相關(guān)，只是高于某個溫度點之后，失效率會急劇上升，出現(xiàn)拐點。

降額設(shè)計就是使元器件或產(chǎn)品工作時承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷虍a(chǎn)品規(guī)定的額定值，從而達(dá)到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。20世紀(jì)50年代，日本的色摩亮次發(fā)現(xiàn)，溫度降低10℃，元器件的失效率可降低一半以上。實踐證明，對元器件的某些參數(shù)適當(dāng)降額使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性。因電子產(chǎn)品的可靠性對其電應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，故而降額設(shè)計技術(shù)和熱設(shè)計技術(shù)對電子產(chǎn)品則顯得尤為重要。

一款流量計的電源前期設(shè)計，未采用降額設(shè)計，其調(diào)整管僅按計算其功耗為0.8W（在常溫20℃～25℃），選用額定功率為1W的晶體管。結(jié)果在調(diào)試時和在用戶使用中發(fā)生故障頻繁。分析其原因主要是該管額定功耗1W時的環(huán)境溫度為25℃，而實際工作時該管處于的環(huán)境溫度為60℃，此管此時實際最大功耗已達(dá)1W。經(jīng)可靠性工程師分析和建議，選用同參數(shù)2W的晶體管，這時降額系數(shù)S≌0.5。因而產(chǎn)品的故障很快得到解決。

2、電測并確定失效模式

失效的表面現(xiàn)象或失效的表現(xiàn)形式就是失效模式。失效模式的確定通常采用兩種方法，即電學(xué)測試和顯微鏡觀察。根據(jù)測試、觀察到的現(xiàn)象與效應(yīng)進(jìn)行初步分析，確定出現(xiàn)這些現(xiàn)象的可能原因,或者與失效樣品的哪一部分有關(guān)。同時通過立體顯微鏡檢查，觀察失效樣品的外觀標(biāo)志是否完整，是否存在機(jī)械損傷，是否有腐蝕痕跡等;通過電特性測試，判斷其電參數(shù)是否與原始數(shù)據(jù)相符，分析失效現(xiàn)象可能與失效樣品中的哪一部分有關(guān);利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等設(shè)備觀察失效部位的形狀、大小、位置、顏色，機(jī)械和物理結(jié)構(gòu)、物理特性等，準(zhǔn)確的描述失效特征模式。

失效模式可以定位到電(如直流特性、漏電)或物理(如裂紋、侵蝕)失效特征根據(jù)失效發(fā)生時的條件(如老化、靜電放電、環(huán)境)，結(jié)合先驗知識，區(qū)分失效位置，減少診斷失效機(jī)理要求的工作量。

電測失效可分為連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效。

連接性失效包括開路、短路以及電阻值變化。這類失效容易測試，現(xiàn)場失效多數(shù)由靜電放電（ESD）和過電應(yīng)力（EOS）引起。
電參數(shù)失效，需進(jìn)行較復(fù)雜的測量，主要表現(xiàn)形式有參數(shù)值超出規(guī)定范圍（超差）和參數(shù)不穩(wěn)定。

確認(rèn)功能失效，需對元器件輸入一個已知的激勵信號，測量輸出結(jié)果。如測得輸出狀態(tài)與預(yù)計狀態(tài)相同，則元器件功能正常，否則為失效,功能測試主要用于集成電路。

三種失效有一定的相關(guān)性,即一種失效可能引起其它種類的失效。功能失效和電參數(shù)失效的根源時?？蓺w結(jié)于連接性失效。在缺乏復(fù)雜功能測試設(shè)備和測試程序的情況下，有可能用簡單的連接性測試和參數(shù)測試方法進(jìn)行電測，結(jié)合物理失效分析技術(shù)的應(yīng)用仍然可獲得令人滿意的失效分析結(jié)果。

3、非破壞檢查

根據(jù)失效模式、失效元器件的材料性質(zhì)、制造工藝?yán)碚摵徒?jīng)驗，結(jié)合觀察到的相應(yīng)失效部位的形狀、大小、位置、顏色以及化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)、物理特性等因素，參照失效發(fā)生的階段、失效發(fā)生時的應(yīng)力條件和環(huán)境條件，提出可能的導(dǎo)致失效的原因。失效可能由一系列的原因造成，如設(shè)計缺陷、材料質(zhì)量問題、制造過程問題、運(yùn)輸或儲藏條件不當(dāng)、在操作時的過載等，而大多數(shù)的失效包括一系列串行發(fā)生的事件。對一個復(fù)雜的失效，需要根據(jù)失效元器件和失效模式列出所有可能導(dǎo)致失效的原因，確定正確的分析次序，并且指出哪里需要附加的數(shù)據(jù)來支撐某個潛在性因素。失效分析時根據(jù)不同的可能性，逐個分析，最終發(fā)現(xiàn)問題的根源。

X-Ray檢測，即為在不破壞芯片情況下，利用X射線透視元器件（多方向及角度可選），檢測元器件的封裝情況，如氣泡、邦定線異常，晶粒尺寸，支架方向等。

適用情境：檢查邦定有無異常、封裝有無缺陷、確認(rèn)晶粒尺寸及l(fā)ayout

優(yōu)勢：工期短，直觀易分析

劣勢：獲得信息有限

局限性：

1、相同批次的器件，不同封裝生產(chǎn)線的器件內(nèi)部形狀略微不同；

2、內(nèi)部線路損傷或缺陷很難檢查出來，必須通過功能測試及其他試驗獲得。

案例分析：

X-Ray 探傷----氣泡、邦定線

X-Ray 真?zhèn)舞b別----空包彈（圖中可見，未有晶粒）

“徒有其表”

下面這個才是貨真價實的

X-Ray用于產(chǎn)地分析（下圖中同品牌同型號的芯片）

X-Ray 用于失效分析（PCB探傷、分析）

（下面這個密密麻麻的圓點就是BGA的錫珠。下圖我們可以看出，這個芯片實際上是BGA二次封裝的）

4、打開封裝

開封方法有機(jī)械方法和化學(xué)方法兩種,按封裝材料來分類，微電子器件的封裝種類包括玻璃封裝(二極管)、金屬殼封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等。

機(jī)械開封

化學(xué)開封

5、顯微形貌像技術(shù)

光學(xué)顯微鏡分析技術(shù)

掃描電子顯微鏡的二次電子像技術(shù)

電壓效應(yīng)的失效定位技術(shù)

6、進(jìn)行失效定位。對失效部位進(jìn)行物理、化學(xué)分析，確定失效機(jī)理。

對于失效機(jī)理的研究是非常重要的，需要更多的技術(shù)支撐。在確定失效機(jī)理時，需要選用有關(guān)的分析、試驗和觀測設(shè)備對失效樣品進(jìn)行仔細(xì)分析,驗證失效原因的判斷是否屬實,并且能把整個失效的順序與原始的癥狀對照起來.有時需要用合格的同種元器件進(jìn)行類似的破壞性試驗，觀察是否產(chǎn)生相似的失效現(xiàn)象。通過反復(fù)驗證，確定真實的失效原因，以電子元器件失效機(jī)理的相關(guān)理論為指導(dǎo)，對失效模式、失效原因進(jìn)行理論推理，并結(jié)合材料性質(zhì)、有關(guān)設(shè)計和工藝的理論及經(jīng)驗，提出在可能的失效條件下導(dǎo)致該失效模式產(chǎn)生的內(nèi)在原因或具體物理化學(xué)過程，如有可能更應(yīng)以分子、原子學(xué)觀點加以闡明或解釋。

電應(yīng)力（EOD）損傷

靜電放電（ESD）損傷

封裝失效

引線鍵合失效

芯片粘接不良

金屬半導(dǎo)體接觸退化

鈉離子沾污失效

氧化層針孔失效

7、綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施。

根據(jù)分析判斷，提出消除產(chǎn)生失效的辦法和建議，及時地反饋到設(shè)計、工藝、使用單位等各個方面，以便控制乃至完全消除失效的主要失效模式的出現(xiàn)失效。這需要失效工程師與可靠性、工藝、設(shè)計和測試工程師一起協(xié)作，發(fā)揮團(tuán)隊力量，根據(jù)失效分析結(jié)果，提出防止產(chǎn)生失效的設(shè)想和建議，包括材料、工藝、電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、篩選方法和條件、使用方法和條件、質(zhì)量控制和管理等方面。

審核編輯 黃宇