电子元器件失效分析技术

电子元器件失效分析技术

黄志焕   李亚哲

TCL环鑫半导体（天津）有限公司  300392

摘要：在当前市场竞争的刺激下，电子产品趋向小型化、智能化，市场对产品质量的要求越来越高。电子产品的质量和可靠性密不可分，可靠性研究对保证和提高电子产品的质量非常重要，因此对失效分析的要求也越来越高。产品失效分析的目的不仅仅是判断失效的性质和原因，更重要的是找到一种有效的方法来主动防止重复失效。电子元器件的失效分析要模式准确、原因清晰、机理明确、措施有效、模拟再现、外推。

关键词;电子元器件；技术发展；失效分析;

在科技时代下，电子技术得以被应用于各个领域，尤其是集成电路的应用范围更是不断扩大，集成电路能否可靠的运行，对电子产品的功能发挥有着至关重要的影响，而为了保证集成电路的运行可靠性，就必须要开展必要的电子元器件失效分析。

一、电子元器件失效分析原则与基本程序

1.电子元器件失效分析原则。电子元器件失效分析一般是基于非破坏性检查所开展的分析活动，具有逐层化特征。对于电子元器件来说，若失效根源无法通过非破坏性检查进行确定，则需要进一步探究失效根源。失效分析的整个过程是获得信息的关键环节，为保证电子元器件失效分析合理，降低失效原因遗漏概率，在失效分析过程中必须遵循相关原则：第一，遵循“先制订方案、后进行操作”的原则，在外检后才能进行通电检查；第二，在加电测试过程中，遵循电流“先弱后强”的原则，失效分析应先从外部开始，后进入内部，起初保持静态，之后不断转变为动态化；第三，失效分析应遵循“先宏观、后微观”的原则，要先从普遍化角度开展失效分析，之后再从特殊化角度展开分析。另外，还要明确失效分析的主次顺序，一般先对主要问题开展失效分析，必要情况下开展破坏性检测。

2.电子元器件失效分析基本程序。首先，要对失效现象加以确认，做好失效样品制备及保存工作；其次，在对电子元器件进行外部检查和电性分析之后，分析其内部结构并开展可靠性测试，必要时可开展电路评价，之后开封并剥层；最后，对失效点进行准确定位，通过物理分析确定电子元器件失效机理，进而针对失效机理采取有效的纠正措施。

二、电子元器件失效分析手段研究

1.失效诊断。以宏观角度而言。对于电子元器件出现失效的表现，可以将其划分为三个类型，一种是连接性的失效，另一种是电子元器件功能的失效，最后一种则是电子元器件中的电参数出现失效。上述三种电子元器件失效的表现往往具有密切的内在联系，在对电子元器件进行不以破坏性为目的的检测分析时，需要根据标准规定来对电子元器件施加一定的电应力，以此获得检测结果。这种无损式的检测，不会对电子元器件造成破坏，并且能够对电子元器件的构造缺陷进行准确判定。在对电子元器件进行失效分析时，需要根据质量要求来对电应力进行增加，在此过程中便可能会产生新的失效现象，进而造成电子元器件失效问题发生进一步恶化。科学技术的飞速发展，使越来越多的电子元器件在市场中得以不断涌现，与此同时，电子元器件的功能也变得更加丰富，其内部构造的复杂性也大幅增加，这在很大程度上提高了电子元器件功能测试的复杂性。通常来说，对电子元器件进行功能测试时，需要采用自动测试设备ATE来实现。也就是说，根据其既定功能来对电子元器件的应用条件进行模拟，以便于对电子元器件的运行程序进行科学的编写，确保电子元器件能够得到有效的自动测试，然后根据自动功能测试所得到的数据来总结出电子元器件出现失效问题的结论。在对电子元器件的连接性失效进行分析时，其测试工作是比较复杂的，在此过程中要利用端口与待机电流来进行测试，依据待机电流来对失效因素进行确定，而且这种测试还能为电子元器件程序的后续运行提供重要的数据支持。

2.制备和保存样品。在对电子元器件内部构造中的芯片进行失效分析时，应对电子元器件所采用的封装材料所具有的特性进行全面了解和把握，然后对样品进行制备和保存，这样在具体操作过程中能够有一个坚实的基础。例如采用去钝化层技术时，可借助于低导电性和芯片的阻碍作用，以使电子元器件的芯片样品得到完好的制备与保存。在具体操作过程中虽然没有对去钝化层操作提出特殊的要求，不过去钝化层却非常容易造成芯片腐蚀，而且其腐蚀的范围及位置是难以控制的，这便极易导致芯片中的金属层未钝化部分及其内引线因受到腐蚀而降低失效分析准确性。而通过等离子来对钝化层进行腐蚀的方法，虽然可避免腐蚀的不可控性，防止严重腐蚀问题的发生，但却容易出现新的失效问题。所以在具体操作时，必须要严格监控去钝化层的整个腐蚀过程，并根据腐蚀过程中钝化层的颜色变化情况，以此判断具体的腐蚀程度，明确其腐蚀速率。

3.电性分析。对电子元器件进行电性分析，能够更加快速的对电子元器件的失效点进行定位。在电性分析手段中，以OBIRCH技术的应用最为广泛，该技术具有主动性特征，其通过激光束来感应电子元器件中的材料电阻率，并根据电阻率的实际变化情况来确定电子元器件内部构造中的失效点位置。对于电子元器件材料来说，由于其是由不同材料构成的，这些材料在通电后所产生的电阻率也是不同的，而当某一电路出现故障时，其电阻率势必会发生变化，正是依据这种电阻率的变化，可帮助分析人员快速确定电子元器件中的失效点。除了OBIRCH技术以外，液晶热点检测技术也同样在电子元器件失效分析中发挥着很高的应用价值，该技术是利用液晶材料对不同温度的形态变化来确定失效点的，当温度较低时，其会以固态的形式呈现，而当温度较高时，液晶材料则会转变为液态，这使得液晶材料会从近晶相向着向列相进行转变，根据其所呈现出的光学特性变化，即可确定电子元器件中的失效点。

三、电子元器件失效分析技术发展现状

在电子元器件失效分析技术中，其关键在于对失效点进行定位。不过，就目前来看，随着电子技术的发展，电子元器件的构造也变得日益复杂化，集成电路规模也不断扩大，而其线宽则变得越来越小，相应的也导致电子元器件的失效现象变得更加复杂且较为特殊，电子元器件的电性分析及失效定位难度也大幅提高，如果分析人员只是通过观察失效现象，是难以找到失效点的。因此在失效分析过程中，分析人员必须要对集成电路的整体情况进行全面把握，并锁定集成电路中的电路单元、存储器等相应的电路模块，以便于找到各个电路节点，在此基础上对接触、通孔与源进行确定，以此保证失效点的准确定位。除此之外，因电子元器件中集中电路构造的日益复杂化，也进一步增加了互连层数，这使得延迟较高的情况下，电子元器件中的电路有着极高的工作难度，这也使电路故障常常难以在第一时间发现，进而对电子元器件的失效分析结果准确性造成一定影响。在此背景下，系统级芯片也由此应运而生，其作为一种新型的技术手段，在失效分析中也正发挥着越来越重要的作用。

总之，电子元器件失效分析对电子元器件失效机理、原因进行诊断的过程，失效分析精准化程度对分析思路和分析程序都存在特殊化要求。准确可靠的失效分析能够为电子元器件质量控制与运行提供技术支持，有助于电子元器件使用功能发挥最大效果。在实际操作过程中，需要掌握电子元器件失效分析的技术方法，全面提高电子元器件失效分析的科学性和有效性。

参考文献：

［1］刘萍.电子元器件失效分析探究.2021.

［2］张俊明.电子元器件失效分析技术及方法.2022.