電子元件失效分析

電子元件是電子設備和系統產品的最基本組成部分，其性能和可靠性對電子設備和系統的安全可靠運行至關重要。隨著電子信息產業的快速發展，以及對各行各業的快速滲透和融合，電子產品對電子元件性能和可靠性水平的要求也越來越高。此外，電子元件本身的性能日益先進、結構也日益復雜，應用日趨廣泛，使用環境也變得更加嚴苛，這些都對電子元件的可靠性提出了更高的要求。

電子元件的門類繁多，從普通的電阻、電容、電感通用元件、機電元件、光電器件、半導體分立器件、微波器件及組件、電真空器件，直到大規模集成電路等， 其中只要有一個電子元件失效，整個電子設備或系統就不能正常工作，甚至導致災難性的安全事故。而要確保每個電子元件的可靠性絕非易事，涉及到材料、工藝和應用的各個眾多復雜的環節。

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1、失效分析簡介

• 基本概念

失效分析是指利用電學、物理、化學等技術手段對失效品進行分析，探究和查明失效機理和失效原因。

由于電子元件研制涉及到設計、工藝和材料選擇等很多要素和復雜過程，其失效又與應用場景密切相關，不同的應用場景又涉及到包括電應力、機械、化學和氣候環境應力等各種導致失效的要素。因此，失效分析需要聲、光、電、熱、物理和化學等各種高技術手段的綜合運用，需要對產品和應用的了解，還需要有豐富的經驗能夠對各種證據之間的邏輯關系進行分析。

• 基本流程

失效分析的主要流程如下圖所示，其中失效模式驗證、確認失效機理，機理和原因驗證是失效分析的關鍵步驟。

圖2 失效分析流程圖

在失效分析的過程中要堅持“先無損，后破壞，由外及里，由易到難”的原則，以避免失效證據丟失或產生假證據。

• 價值和意義

失效分析是指利用電學、物理、化學等技術手段對失效品失效分析,目標是尋找失效的原因和機理，因此失效分析的價值不在于分析本身，而在于其目標的達成與否，以及根據失效原因和機理所做的改進所帶來的巨大價值和意義。此外，通過對失效分析獲得的失效機理和案例數據分析整理，形成專家系統，可以很好地指導設計、優化工藝、選擇材料、制定篩選方法、改良試驗方法和規范標準等，從而進行分析、探究和查明失效機理及失效原因。

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2、失效分析技****術簡介

• 外觀檢查技術

外觀檢查是失效分析的開始，一般都是無損的，主要是對失效電子元件或模塊的外部外觀、失效周邊的微環境，以及開封后內部電路和模塊的外觀的檢查，目的是發現失效的現場或區域，以及導致失效的線索和直接證據，具體包括機械損傷、腐蝕、污染氧化、熱電燒毀、密封與端子異常和標識等。傳統的檢查技術一般都是通過放大鏡或立體顯微鏡和金相顯微鏡目測或檢查，通?？梢詫崿F幾十到上千倍的放大倍數。

• 電性能分析技術

電性能分析技術是指在各種溫度條件和頻率條件下的阻容感抗測試、半導體和集成電路的端口測試等，測試分析電子元件參數變化、異常節點和端口，為失效定位或分析方向提供依據?？煞治龀鲞B接性失效、電參數失效和功能失效三種失效模式。其中，連接性失效多由靜電放電（ESD）和過點應力（EOS）引起；電參數失效主要表現形式有電參數值超出規定范圍或者參數不穩定，而對功能失效的分析主要用于集成電路。

圖3 芯片電性能分析示例

• 顯微形貌技術

現代顯微分析技術是失效分析最為核心的技術手段。主要是利用先進的掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）技術分析失效點或疑似失效部位的微觀結構和金相組織及其在應力條件下的演變、研究失效機理。如圖4所示，利用SEM對TSV進行失效分析，發現三個失效品分別出現空洞、裂紋、填充缺失缺陷。

圖4 利用掃描電子顯微鏡對TSV進行失效分析

• 無損結構分析技術

以X射線透視技術和聲學掃描顯微鏡（SAT）為代表的結構無損分析技術，用以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。它可以分析板級的大樣品，分辨率達到納米級，對于高密度封裝的電子元件內部結構缺陷分析定位是一種非常有力而方便的技術手段。如圖5所示，利用X射線對TSV進行掃描后經三維模型重建后發現，失效品存在明顯缺陷。

圖5 利用X射線對TSV進行失效分析

• 開封制樣技術

開封主要用于暴露封裝體內部芯片，以便于觀察芯片表面的形貌結構和進一步開展電測試。激光開封技術和先進的微波等離子體（MIP）開封技術很好地解決了復雜芯片封裝的開封制樣問題。

切片主要用于制作電子元件封裝的關鍵截面，便于觀察分析結構缺陷或互聯界面的結構形貌。先進的雙束聚焦離子束（FIB）利用高能離子束在可疑失效部位做微米級的切割修飾或制作切片，現已廣泛地應用于集成電路的失效分析制樣。以3D封裝里硅通孔TSV為例，圖6展示了FIB在失效分析中的作用。

圖6 利用雙束聚焦離子束對TSV進行失效分析

• 微區成分分析技術

由于污染氧化、腐蝕、遷移、工藝和環境導致的電子元件或芯片表面或微區產生化學成分的變化，而導致失效的案例比比皆是，因此微區成分的原位分析就非常重要。除了與掃描電子顯微鏡（SEM）配合使用的能譜分析（EDS）以外，還有很多高靈敏度的分析技術也達到了普遍的應用，包括光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）、二次離子質譜（SIMS）和傅立葉紅外光譜（FTIR）等。

• 其他物理分析技術

利用電子元件特別是芯片內部缺陷在工作或非工作狀態下產生光或熱效應的原理來進行失效定位的物理分析技術這些年來發展迅速。例如，利用激光束掃描芯片電路產生電阻變化的差異來進行失效定位的光束感生電阻變化；利用電子束掃描芯片表面產生的電壓襯度像來臨偵測開路或短路的失效部位；利用紅外探頭掃描工作狀態下樣品表面的熱輻射，并將其轉換成溫度分布的顯微紅外熱像技術，根據異常點的溫度變化來做失效定位，等等。

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3、失效分析發展趨勢

在5G、車載電子、消費電子和新基建等相關應用的帶動下，高可靠性電子元件和半導體市場將迎來爆發性的增長。一方面，為了提高芯片單位面積的處理能力，半導體芯片制程已進入5nm時代。另一方面，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等第三代半導體材料為代表的高功率半導體、激光雷達也越來越受到關注。此外，為了滿足高密度小型化產品需求，以SiP、SOP為代表的新型2.5D/3D封裝技術逐漸興起。這些先進制程、先進材料及先進封裝的采用和發展導致電子元件失效分析的難度大大增加，技術更加復雜和多樣化。失效分析在集成電路產業鏈中的重要性越來越大，越高端的芯片對失效分析技術的要求越高。