应用总结电子元器件失效分析课件.ppt
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1、1,一、失效分析的意义 在电子元器件的研制阶段、失效分析可纠正设计和研制中的错误,缩短研制周期;在电子元器件的生产、测试和使用阶段,失效分析可找出电子元器件的失效原因和引起失效的责任方。 根据失效分析结果,元器件生产厂改进元器件的设计和生产工艺,元器件适用方改进电路板设计,改进元器件或整机的测试、试验条件及程序,甚至以此为根据更换不合格的元器件供货商。 因此失效分析对加快电子元器件的研制速度,提高元器件和整机的成品率和可靠性有重要意义。,电子元器件失效分析的意义,二、失效分析的主要内容-思路 2.1、明确分析对象 明确分析对象及失效发生的背景。在对委托方提交的失效样品进行具体的失效分析操作之前
2、,失效分析人员应该和委托方进行沟通,了解失效发生时的状况,确定在设计、生产、检测、储存、传送或使用哪个阶段发生的失效,如有可能要求委托方详细描述失效发生时的现象以及失效发生前后的操作过程。 2.2、确定失效模式 失效的表面现象或失效的表现形式就是失效模式。失效模式的确定通常采用两种方法,即电学测试和显微镜观察。 立体显微镜观察失效样品的外观标志是否完整,是否存在机械损伤,是否有腐蚀痕迹等; 金相显微镜和扫描电子显微镜等设备观察失效部位的形状、大小、位置、颜色,机械和物理特性等,准确的扫描失效特征模式。 电学测试判断其电参数是否与原始数据相符,分析失效现象可能与失效样品中的哪一部分有关。,失效分
3、析的主要内容,2.3、判断失效原因 失效可能由一系列的原因造成,如设计缺陷、材料质量问题、制造过程问题、运输或储藏条件不当、在操作时的过载等,而大多数的失效包括一系列串行发生的事件。 2.4、研究失效机理 在确定失效机理时,需要选用有关的分析、试验和观测设备对失效样品进行仔细分析,验证失效原因的判断是否属实,并且能把整个失效的顺序与原始的症状对照起来,有时需要用合格的同种元器件进行类似的破坏性试验,观察是否产生相似的失效现象,通过反复验证(模拟实验),确定真实的失效原因,以电子元器件失效机理的相关理论为指导,对失效模式、失效原因进行理论推理,并结合材料性质、有关设计和工艺的理论及经验,提出在可
4、能的失效条件下导致该失效模式产生的内在原因或具体物理化学过程,如有可能,更应以分子、原子学观点加以阐明或解释。,失效分析的主要内容,2.5、提出预防措施及设计改进方法 根据分析判断、提出消除产生失效的办法和建议,及时地反馈到设计、工艺、使用单位等各个方面,以便控制乃至完全消除失效的主要失效模式的出现。 这需要失效工程师与可靠性、工艺、设计和测试工程师一起协作,发挥团队力量,根据失效分析结果,提出防止产生失效的设想和建议,包括材料、工艺、电路设计、结构设计、筛选方法和条件、使用方法和条件、质量控制和管理等方面。,失效分析的主要内容,三、失效模式与失效机理 失效模式与失效机理的对应关系,失效模式与
5、失效机理,各相关失效机理的概念和定义简述如下: 3.1、过电应力EOS指元器件承受的电流、电压应力或功率超过其允许的最大范围。 过电应力的来源: (1)电浪涌损伤 瞬间 瞬时功率很大 电浪涌来源有,失效模式与失效机理,(2)操作失误造成的电损伤 2-1 双列直插式封装的集成电路当测试时不慎反插,往往就会造成电源和地两端插反,其结果是集成电路电源与地之间存在的PN结隔离二极管就会处于正偏(正常情况是反偏),出现近100毫安的正向电流,这种电过应力损伤随着通电时间的增长而更加严重。这种损伤如果不太严重,虽然电路功能正常,只表现出静态功耗增大,但这种受过损伤的电路,可靠性已严重下降,如果上机使用,就
6、会给机器造成隐患。 2-2 T0-5型金属管壳封装的集成电路,电测试时容易出现管脚插错或管脚间相碰短路。这种意外情况有时也会导致集成电路内部某些元器件的电损伤。 2-3 电路调试时,不慎出现“试笔头”桥接短路管脚,这种短接有时会造成电损伤。 2-4 在电子设备中设置的“检测点”,如果位置设置不当又无保护电路时,维修时就可能将不正常的电压引入该端而损伤器件。,失效模式与失效机理,(3)多余金属物引起短路 管脚浸锡时在管脚根部残留的焊锡碴或者是印制板上留下的多余锡碴、导线头、细金属丝、金属屑等可动多余物,容易引起集成电路输出对电源或对地短路,这种短路引起的过大电流会损伤集成电路。,失效模式与失效机
7、理,(4)电烙铁或仪器设备漏电引起的电损伤 集成电路或晶体管的引出端与漏电的电烙铁、仪器或设备机壳相碰,或者在仪器设备上更换元器件以及修补焊点等,都会带来电损伤。最容易被损伤的集成电路有:带有MOS电容的集成电路、MOS电路、微波集成电路、STTL和LSTTL电路、单稳电路和振荡器、A/D和D/A电路、高精度运算放大器、LSI和VLSI电路。其中单稳电路和振荡器在调试时发生的这种电损伤很不容易发现,因为损伤的表现形式往往是表现为单稳电路的脉冲宽度发生漂移;振荡器的振荡频率发生漂移,调试人员往往把这种现象错误地认为是没有将电路调试好。 当更改定时元件R.C后,参数可以恢复正常,但这种“恢复正常”
8、的电路,工作一段时间后又会出现上述的参数漂移现象。,失效模式与失效机理,(5)CMOS电路发生可控硅效应(闩锁效应) CMOS电路的静态功耗极小,但可控硅效应被触发后功耗会变得很大(50200毫安),并导致电路发生烧毁失效。CMOS电路的硅芯片内部,在VDD与VSS之间有大量寄生可控硅存在,并且所有输出端和输入端都是它的触发端,在正常条件下工作,由于输入和输出电压满足下式要求:VDDVoutVss VDDVinVss。 所以正常工作条件下CMOS电路不会发生可控硅效应。但在某些特殊情况下,上述条件就会不满足,凡是出现以下情况之一,可控硅效应(闩锁)就可能发生,发生闩锁的CMOS电路如果无限流保
9、护就会被烧毁。,失效模式与失效机理,(6)CMOS电路振荡引起功率过荷 6-1 当CMOS电路的任何一个输入端发生浮空时,CMOS电路都会发生自激振荡。 6-2 CMOS电路输入缓慢变化的脉冲时容易引起振荡。输入缓慢变化的脉冲使输入端处于VDD/2的时间增长,导致输出端出现不稳定的时间增长,容易诱发CMOS电路发生振荡。振荡后电路功耗增大(高达200mA),发生电过应力损伤。 6-3 防止振荡的方法有: a.在任何意外情况下都不允许CMOS电路的任何一个输入端出现浮空状态; b.输入脉冲的上升和下降时间应有要求:普通CMOS电路的上升时间应小于10s,而计数器和移位寄器电路,5V时应小于5s,
10、10V时应小于1s,15V时应小于200ns; c.利用施密特触发器进行整形。,失效模式与失效机理,3.2、静电放电ESD处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移就是静电放电。这种静电电荷的转移方式有多种,如接触放电、空气放电。静电放电一般指静电的快速转移或泄放。,失效模式与失效机理,电子元器件由静电放电引发的失效可分为:突发性失效和潜在性失效两种模式。 突发性失效:是指元器件受到ESD损伤后,突然完全丧失其规定的功能,主要表现为开路,短路或参数严重漂移。 潜在性失效:是指静电放电能量较低,仅在元器件内部造成轻微损伤,上电后器件电参数仍能合格或略有变化,但器件的抗过电的能力已经明显削弱,再
11、受到工作应力后将进一步退化,使用寿命将明显缩短。,失效模式与失效机理,ESD失效的不同机理,过电压场致失效: 发生于MOS器件,包括含有MOS电容或钽电容的双极性电路和混合电路; 过电流热致失效:多发生于双极器件,包括输入用pn结二极管保护电路的MOS电路,肖特基二极管以及含有双极器件的混合器件 实际发生哪种失效,取决于静电放电回路的绝缘程度! 如果放电回路阻抗较低,绝缘性差,器件往往会因放电期间的强电流脉冲导致高温损伤,这属于过电流损伤; 相反,因阻抗高,绝缘性好,器件接受高电荷而产生高压,导致强电场损伤,属于过压损伤。,失效模式与失效机理,ESD 损伤图片,失效模式与失效机理,失效模式与失
12、效机理,失效模式与失效机理,3.3、辐射损伤在自然和人造辐射环境中,各种带电或不带电的高能粒子(如质子、电子、中子)以及各种高能射线(如射线、射线等)对集成电路造成的损伤。3.4、氧化层电荷集成电路中存在的与氧化层有关的电荷,包括固定氧化层电荷、可动电荷、界面陷阱电荷和氧化层陷阱电荷。3.5、热载流子HC指其能量比费米能级大几个kT以上的载流子,这些载流子与晶格不处于热平衡状态,当其能量达到或超过Si-SiO界面势垒时便会注入到氧化层中,产生界面态,氧化层陷阱或被陷阱所俘获,使氧化层电荷增加或波动不稳,这就是热载流子效应。3.6、栅氧击穿在MOS器件及其集成电路中,栅极下面存在一薄层SiO ,
13、此即通称的栅氧(化层)栅氧的漏电与栅氧质量关系极大,漏电增加到一定程度即构成击穿,导致器件失效。,失效模式与失效机理,3.7、与时间有关的介质击穿(TDDB)指施加的电场低于栅氧的本征击穿场强,并未引起本征击穿,但经历一定时间后仍发生击穿的现象,这是由于施加应力过程中,氧化层内产生并集聚了缺陷(陷阱)的原因。3.8、电迁移(EM)当器件工作时,金属互连线的铝条内有一定电流通过,金属离子会沿导体产生质量的运输,其结果会使导体的某些部位出现空洞或晶须(小丘),这即电迁移现象。3.9、应力迁移(SM)铝条经过温度循环或高温处理,由于应力的作用也会发生铝条开路断裂的失效。这时空洞多发生在晶粒边界处,这
14、种现象叫应力迁移,以与通电后铝条产生电迁移的失效区别。铝条愈细,应力迁移失效愈严重。,失效模式与失效机理,3.10、键合失效一般是指金丝和铝条互连之间的键合失效。由于金-铝之间的化学势的不同,经长期使用或200以上高温储存后,会产生多种金属间化合物,如紫斑、白斑等。结果使铝层变薄,粘附性下降,造成半断线状态,接触电阻增加,最后导致开路失效。在300高温下还会产生空洞,即柯肯德尔效应,这种效应是在高温下金向铝中迅速扩散并形成化合物,在键合点四周出现环形空洞,使铝膜部分或全部脱离,形成高阻或开路。3.11、PN结穿钉一般指在长期电应力或突发的强电流的作用下,在PN结处于局部铝-硅熔融生成合金钉,穿
15、透PN结,造成PN结短路的现象。3.12、腐蚀失效许多集成电路是用树脂包封的,然而水汽可以穿过树脂体和引脚-树脂界面达到铝互连处,由水汽带入的外部杂质或从树脂中溶解的杂质与金属铝作用,使铝互连线发生化学腐蚀或电化学腐蚀。,失效模式与失效机理,四、失效分析程序 失效分析的原则是先进行非破坏性分析,后进行破坏性分析;先外部分析,后内部(解剖分析);先调查了解与失效有关的情况(线路、应力条件、失效现象等),后分析失效元器件。失效分析通用流程图如下:,失效分析程序,4.1、失效环境调查围绕失效必须详细了解如下信息:(1)批次认可。产品数据、存货量和储存条件。(2)发现失效的地点和时间。工艺过程、外场使
16、用情况及失效日期。(3)产品记录。产品在制造和装配工艺过程中的工艺条件、交货日期、条件和可接受的检查结果,装配条件和相同失效发生的有关记录等。(4)工作条件。电路条件、热/机械应力、噪声环境(室内/室外、温度、湿度、大气压),失效发生前的操作。(5)失效详情。失效类型(特性退化、完全失效或间歇性失效),失效比例和批次情况等,失效现象(无功能、参数变坏、开短路)。,失效分析程序,4.2、失效样品保护 对于由于机械损伤和环境腐蚀引起的失效结果,必须对元器件进行拍照保存其原始形貌。为了避免进一步失效,样品在传递和存放过程中必须特别小心以保证避免环境(温度、湿度)应力、电和机械对应力元器件的进一步损伤
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