文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：趙先生

本文首先介紹了器件失效的定義、分類和失效機(jī)理的統(tǒng)計，然后詳細(xì)介紹了封裝失效分析的流程、方法及設(shè)備。

概述

失效性分析，簡單來說，就是通過測試與分析，探尋失效原因及內(nèi)在機(jī)理的過程。它與可靠性密切相關(guān)，二者相輔相成。當(dāng)前，半導(dǎo)體器件可靠性的研究主要涵蓋兩個層面：一是對可靠性水平進(jìn)行評估;二是探索提升可靠性的方法。失效性分析和研究為可靠性提供了有力依據(jù)，而可靠性研究則對解決失效問題、推動產(chǎn)品改進(jìn)與性能提升起到了關(guān)鍵作用。

失效機(jī)理可能源于超負(fù)荷機(jī)理(因負(fù)載超出器件強(qiáng)度極限而引發(fā)失效)，也可能是老化機(jī)理(在規(guī)定負(fù)載內(nèi)長期循環(huán)使用，致使器件累積損害進(jìn)而失效)，此外，熱、機(jī)械、電化學(xué)等其他因素也可能導(dǎo)致失效，不過最終大多表現(xiàn)為電氣失效。

器件失效的定義及分類

失效的定義為：任何致使器件或電路在正常運(yùn)行模式下出現(xiàn)故障的情形。在材料科學(xué)領(lǐng)域，其被定義為在持續(xù)應(yīng)力作用下，材料性能逐漸退化。器件失效一般可分為四大類：設(shè)計失效、工藝失效、封裝失效和測試失效。

設(shè)計失效是由于電路設(shè)計或所采用的工藝參數(shù)處于臨界狀態(tài)所致。要消除這類失效，可行的方法包括對最惡劣條件(如高溫、低電源電壓等)進(jìn)行篩選，重新設(shè)計電路，或者在更穩(wěn)定的工藝條件下制造該電路。

工藝失效是由芯片制造過程中的缺陷引發(fā)的。這些缺陷可能表現(xiàn)為氧化層中的針孔、掩膜上的灰塵斑點、金屬的劃痕、縫隙及短路，也可能是壓焊塊上的污染物或鈍化層存在問題。

封裝失效是在將原本完好的管芯裝入管殼的過程中產(chǎn)生的缺陷。這包括連線問題、管芯黏結(jié)不牢固或者管殼機(jī)械性能不佳等情況。

測試失效是由于測試操作不正確或保護(hù)余量不足造成的。

失效機(jī)理統(tǒng)計

失效分析是構(gòu)建可靠性的基石。在開展失效分析之前，我們必須弄清楚失效產(chǎn)生的原因、為何會產(chǎn)生，以及產(chǎn)生的現(xiàn)象和結(jié)果是什么。只有明確這些，才能為后續(xù)分析提供堅實依據(jù)，并提出切實可行的防止失效的方法。

表1：失效機(jī)理統(tǒng)計

從上表可以看出,與封裝和組裝密切關(guān)聯(lián)的失效共計19.3%

集成電路級別(IC)的失效機(jī)理統(tǒng)計

IC 級別的失效通常涉及多種失效機(jī)制，其中電遷移(EM)問題備受關(guān)注。電遷移(EM)引發(fā)的晶須問題極易導(dǎo)致事故，在衛(wèi)星等太空電子產(chǎn)品中，就多次出現(xiàn)因電遷移問題引發(fā)的故障，甚至是嚴(yán)重事故。電遷移過程中出現(xiàn)的問題并非孤立存在，常常伴隨著熱遷移、應(yīng)力遷移等。電遷移(EM)指的是導(dǎo)電金屬在通過高電流密度(10?A/cm2 以上)時，金屬離子順著電子運(yùn)動方向進(jìn)行遷移的擴(kuò)散現(xiàn)象，這是導(dǎo)致集成電路失效的一個重要機(jī)理。

電遷移還會引發(fā)顯著的質(zhì)量輸送，使離子出現(xiàn)空位或累積，進(jìn)而在金屬互連線上形成空洞或小丘(也叫晶須)。金屬互連結(jié)構(gòu)上形成空洞會導(dǎo)致電路斷路或線路電阻增大，最終致使電路功能失效;而小丘(晶須)的形成則會造成相鄰互連短路，引發(fā)極為嚴(yán)重的可靠性問題。電遷移失效并非單一現(xiàn)象，在電遷移過程中，往往同時存在熱遷移、應(yīng)力遷移和化學(xué)遷移等過程。所以，電遷移失效實際上是多種遷移機(jī)理相互耦合共同作用的結(jié)果。圖1展示了形成的空洞和小丘現(xiàn)象，以及在高電流密度下一根短導(dǎo)線(如鋁線)中電遷移發(fā)生時的掃描電子顯微狀況，可以看到引線處形成的空洞。除電遷移外，還有其他失效機(jī)理，包括：

污染：來源包括生產(chǎn)過程(如指紋)或應(yīng)用環(huán)境(如腐蝕氣體等)。

電火花(靜電放電)：可能對電路造成損害。

機(jī)械沖擊和振動：涉及應(yīng)力、應(yīng)力強(qiáng)度、彈性力學(xué)條件各向異性等因素。

溫度相關(guān)因素：涵蓋恒溫、溫度范圍、溫度梯變、溫度循環(huán)頻繁出現(xiàn)以及溫度膨脹系數(shù)等。

濕度(潮濕或水汽)：可能影響電路性能。

壓力：會對溫度、對流等應(yīng)力產(chǎn)生影響。

輻射：可能干擾電路正常運(yùn)行。

塑封的失效機(jī)理

塑封失效機(jī)理的主要根源在于濕氣。在工業(yè)封裝領(lǐng)域，塑料封裝因其適配大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)、工藝簡便、生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。然而，塑料(環(huán)氧樹脂基)本質(zhì)上是有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，材料內(nèi)部呈現(xiàn)多孔性且具有親水性，這就使得其具備較高的吸濕性，并且不具備氣密性封裝的特性。

濕氣對器件的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.濕應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞：封裝中的聚合材料與復(fù)合材料吸濕后會發(fā)生膨脹，而金屬架和芯片卻不會產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，這就會產(chǎn)生濕應(yīng)力。材料吸濕后，力學(xué)性能下降，聚合物與芯片、金屬框架以及印刷電路板之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，可能引發(fā)層間裂開，最終致使器件失效。

2.膨脹應(yīng)力引發(fā)電學(xué)問題與結(jié)構(gòu)損傷：進(jìn)入封裝結(jié)構(gòu)的濕氣會致使塑料封裝膨脹。這種膨脹應(yīng)力會引發(fā)電學(xué)參數(shù)波動、裂紋以及分層等問題。主要原因在于，元件中的塑料會從空氣中吸收濕氣，若元件在空氣中暴露時間足夠長，濕氣就會滲透到元件結(jié)構(gòu)的微觀孔隙中。當(dāng)元件貼裝到 PCB 上且溫度上升至水的沸點時，濕氣開始蒸發(fā)，隨著溫度逐漸接近峰值，水蒸氣壓力不斷升高，一旦水蒸氣壓力超過層狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，就會導(dǎo)致分層現(xiàn)象發(fā)生。對于表面封裝器件(SMD)而言，在高溫焊接回流過程中，通常會經(jīng)歷 220 - 260℃的溫度處理。倘若封裝體殼充滿濕氣，那么在焊接時水汽會急劇膨脹，在封閉器件內(nèi)產(chǎn)生蒸汽壓力，極有可能出現(xiàn)所謂的 “爆米花” 式的結(jié)構(gòu)開裂，進(jìn)而導(dǎo)致器件失效(如圖2所示)。

圖2：爆米花效應(yīng)的產(chǎn)生過程

3.污染物引發(fā)電性能故障：由于塑料封裝器件并非氣密，它不僅會吸濕，還會讓環(huán)境中的污染物(如 Na?)侵入，尤其是產(chǎn)品中的塑料殘留物(例如清洗過程中殘留的氯離子等)，極易引發(fā)電腐蝕(如鋁金屬化層)和電遷移，這會對電性能產(chǎn)生影響，出現(xiàn)短路、開路等情況，最終導(dǎo)致封裝器件失效。

表2：分層標(biāo)準(zhǔn)

失效分析的目的和流程

1.失效分析的目的

查明失效原因：通過各種手段和方法，深入探究導(dǎo)致產(chǎn)品或器件失效的具體因素，這是失效分析的基礎(chǔ)和關(guān)鍵出發(fā)點。

擬定改進(jìn)措施：基于找出的失效原因，針對性地制定切實可行的改進(jìn)策略，以避免類似失效情況再次發(fā)生。

提升產(chǎn)品質(zhì)量與成品率：借助對失效問題的解決和改進(jìn)措施的實施，從整體上提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平，同時增加產(chǎn)品的成品率，降低生產(chǎn)成本。

2.失效分析的流程

收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)：全面收集失效發(fā)生時的各種相關(guān)信息，包括失效產(chǎn)品的使用環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)、出現(xiàn)故障前后的表現(xiàn)等。

觀察和判斷：對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步觀察與判斷，初步確定失效的大致方向和可能涉及的因素。

非破壞性分析：采用不會對產(chǎn)品造成損壞的方式，運(yùn)用儀器、儀表等對試樣微觀組織的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和組成部分進(jìn)行分析，如外觀檢查、模式確認(rèn)、檢漏、X 光照相、模擬實驗等。

打開封裝：若非破壞性分析無法獲取足夠信息，需打開產(chǎn)品封裝，進(jìn)一步深入觀察內(nèi)部情況。

鏡檢：利用顯微鏡對打開封裝后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致檢查，觀察是否存在物理缺陷等。

驗證：對之前的分析和判斷進(jìn)行驗證，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

證實失效部位：明確確定失效發(fā)生的具體部位，并對其進(jìn)行物理、化學(xué)分析，最終提出改進(jìn)措施(如圖3所示)。

圖3：失效分析流程圖

失效分析的方法

1.非破壞性分析：利用儀器、儀表等，通過離子、電子、光子與試樣材料相互作用產(chǎn)生的信號，經(jīng)理論推斷來分析試樣微觀組織的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和組成部分，整個過程不會對產(chǎn)品造成損壞。常見的非破壞性分析方法有外觀檢查、模式確認(rèn)、檢漏、X 光照相、模擬實驗等。

2.半破壞性分析：介于非破壞性分析和破壞性分析之間。可采用微粒收集、內(nèi)部氣控制、開封、專用工具、研磨、濕法腐蝕、硫酸、干法腐蝕，以及在真空條件下等離子轟擊等手段。在芯片不加電情況下，可進(jìn)行內(nèi)部檢驗(光學(xué)、SEM);加電情況下，可使用微探針、光發(fā)射機(jī)、電子束探針等進(jìn)行內(nèi)部檢驗。

3.破壞性分析：在設(shè)法去除封裝材料后，洗凈、吹干試樣，根據(jù)分析項目對試樣進(jìn)行必要處理，然后通過分析失效機(jī)制來確定失效原因的正確性。例如加電情況下的內(nèi)部檢驗(去除鈍化層、微探針)，以及用剖切面分析(光學(xué))的方法來檢查。失效分析是事后檢查手段，不僅耗費(fèi)時間和精力，還有可能得不到有效結(jié)果。因此，在設(shè)計及制造過程中嚴(yán)格把控質(zhì)量，做到零缺陷，才是避免失效的最佳方式。

失效分析的設(shè)備和儀器

失效分析儀器的結(jié)構(gòu)通常按功能分為三部分：激發(fā)源(包括離子、電子、光子)、檢測器(通常入射粒子多為離子、電子、光子)、分析器(依據(jù)理論原理設(shè)計的分析儀器)。

1.掃描電子顯微鏡(SEM)

通過電子束在樣品上逐點掃描，引發(fā)二次電子發(fā)射，將這些二次電子等信息轉(zhuǎn)化為隨試樣表面形貌、材料等因素變化的放大信息圖像。與光學(xué)顯微鏡等相比，具有聚焦景深長、視野大、不破壞樣品、富有立體感、分辨率高(能觀察 10nm 以下的細(xì)節(jié))、放大倍數(shù)可在 10 萬 - 20 萬倍連續(xù)方便變化等優(yōu)點，是當(dāng)前極為有效的失效分析工具之一(如圖4所示)。

圖4：掃描電子顯微鏡成像示意圖

2. 電子微探針 (EMP)

電子微探針運(yùn)用聚焦的細(xì)電子束充當(dāng) X 射線的激發(fā)源頭，將其精準(zhǔn)投射至待分析樣品的表面，其穿透深度大概維持在 1 - 3μm。當(dāng)電子束與樣品相互碰撞時，會促使樣品微小區(qū)域內(nèi)的元素激發(fā)出專屬的特征 X 射線譜。研究人員通過細(xì)致剖析這些特征 X 射線的波長與強(qiáng)度，就能精準(zhǔn)判斷出樣品的具體成分以及各成分的含量比例。在實際應(yīng)用中，電子微探針常被用于檢測硅材料內(nèi)部的缺陷、PN 結(jié)區(qū)域重金屬雜質(zhì)的沉淀狀況、半導(dǎo)體材料微區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)分布，還有擴(kuò)散層剖面的雜質(zhì)情況等，通過這些分析來明確潛在的失效模式，參考圖 5。

圖5：電子微探針示意圖

3. 離子微探針 (IMP)

離子微探針采用電子束對試樣進(jìn)行轟擊，使試樣產(chǎn)生二次離子。隨后，依據(jù)二次離子的荷質(zhì)比差異，對它們進(jìn)行分離操作，進(jìn)而成功解析出試樣的化學(xué)組成成分。該儀器的取樣深度極為有限，通常僅有 5 - 20 個原子層。基于這一獨(dú)特性質(zhì)，離子微探針能夠用于測定材料表面的污染程度、表面吸附物質(zhì)的種類，還能對氧化層、擴(kuò)散薄層、涂層等材料表面特性展開深入分析，具體可參照圖 6。

圖6：離子微探針示意圖

4.俄歇電子能譜儀 (AES)

俄歇電子能譜儀的運(yùn)作原理是利用能量在 1000eV 以下的低能電子束，對被分析的靶材料實施轟擊。靶材料受到轟擊后，會釋放出具有不同能量級別的二次電子。利用能量分析器對這些二次電子的能量進(jìn)行精確分析，測定其能量分布狀態(tài)，最終獲取一系列的能譜圖，其中部分波峰就代表著俄歇電子峰。如同光譜分析原理，依據(jù)俄歇電子峰的特征，能夠確定特定元素是否存在，再通過峰的強(qiáng)度數(shù)值，可計算出該元素在樣品中的含量。俄歇電子由于能量較低，只有在試樣表面極薄的 1 - 10? 區(qū)域產(chǎn)生的電子，才有機(jī)會逃離試片并被儀器檢測到，所以它主要應(yīng)用于材料表面分析領(lǐng)域，特別是針對試片表面的污染檢測。借助該儀器，還能夠?qū)Σ牧媳砻娴慕M分構(gòu)成、表面生長過程、合金接觸的質(zhì)量狀況、鍵合質(zhì)量優(yōu)劣，以及其他與表面相關(guān)的物理化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行研究分析，其有效分析深度可達(dá) 10μm 左右的表面層，具體可參考圖 7。

圖7：俄歇電子能譜儀示意圖

5.紅外熱分析

一旦器件接通電源，芯片就會因電能轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生一定的溫度，并向外輻射出紅外線。紅外熱分析技術(shù)借助紅外顯微鏡、紅外掃描顯微鏡等專業(yè)設(shè)備，搭配相應(yīng)的紅外接收系統(tǒng)，能夠?qū)⑿酒蠝囟犬惓Ｉ叩臒狳c清晰地展現(xiàn)出來。通過對這些熱點的觀察與分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)器件在設(shè)計層面的不合理之處，以及材料和工藝過程中潛藏的缺陷，比如反偏 PN 結(jié)上的發(fā)光點、針孔瑕疵、尖端擴(kuò)散異常，還有鋁膜臺階處的局部過熱現(xiàn)象等，參考圖8。

圖8：紅外顯微鏡示意圖