无损检测技术在电子元器件失效分析中的应用

徐海卫 曹江萍 杜文波 周铭尧

摘要

电子元器件的无损检测可以在不破坏芯片使用性能的前提下，对芯片进行失效分析，是保证元器件质量的重要技术手段，本文介绍了红外检测、射线检测、超声检测的原理以及在元器件失效分析中的应用，并给出了相关无损技术在元器件失效分析中的应用实例。

【关键词】无损检测 电子元器件 失效分析应用

1绪论

元器件的失效分析是指运用失效分析的技术手段与设备找出产品的失效点，判断失效性质，找出失效原因，为生产线改进工艺、设计单位优化设计、使用单位正确使用芯片提供技术依据，元器件失效分析是保证元器件质量与寿命的重要手段。

利用无损检测技术对电子元器件进行失效分析，不影响芯片芯片的使用功能及后续分析，而且分析过程快捷直观，因而往往成为元器件失效分析的首选方案。常见的无损失效分析手段有红外分析技术、射线检测技术、超声检测技术，本文将对这些技术在电子元器件失效分析中的应用进行分析。

2红外检测技术电子元器件失效分析中的应用

红外热图可以观察、记录和分析被测物体温场分布，而元器件的失效往往伴随着器件温度场的变化，通过分析器件的温度场的方式来对器件进行失效分析，而不对元器件本身造成损伤。

2.1红外热成像技术在功率器件故障分析中的应用

使用红外热像仪检测芯片封装表层的温度，可以计算出内部的大致温度。功率器件的短路失效点往往是率先达到温度极大值的点，通过记录并芯片表层温场3D变化图，并追踪到最先达到温度极大值的点为失效点，由于失效点的瞬态温度会通过热传导的方式向四周散热，一定时间后芯片表面温度将变得均匀，应该通过高频率录拍的方式记录芯片表面温场的动态变化，如图1所示。

PCB板上元件较多，如果有短路、击穿、焊接不良等故障，电路板通电后，故障部位的温度将会发生变化，通过记录和分析PCB板的温度变化可以定位故障点，如图2所示。

2.2红外熱成像技术在TVS（硅通孔热分布）评估中的应用

TSV热分布实验装置如图3，由温度控制器、铜板、温度传感器、热像仪组成，将样品用导热材料粘接在铜板，用控温仪将铜板控制在预定温度后，用热像仪记录样品表面温度场变化，TSV热分布图见图4。由于铜具有良好的导热性，样品表面温度差仅决定于样品材质，通过热分布平面图与热分布3D图可以清晰的分辨TSV区域与非TSV区域的温度差，为评估TSV作用与失效提供准确数据。

2.3红外技术在元器件失效点定位中的应用

元器件的失效点在通电状态下往往会漏电并发出微弱的可见光及近红外光，可通过侦测和定位微弱的发光，来定位元器件失效点，完成这种定位功能的仪器称作EMMI（微光显微镜），EMMI能够侦测漏电结、接触毛刺、衬底损伤等信号，EMMI能够透过硅衬底无损提供芯片缺陷信息，能快速有效地发现故障点。图5是EMMI失效点定位的实例图，左图实际失效点，右图为仪器定位的异常点。

3射线检测技术在元器件失效分析中的应用

射线穿过某一物体时，在射线穿透方向上的物质密度不同，射线衰减不同，射线接收探测器接收到的穿透物体后的射线强度不同，将射线强度转换成亮度或黑体不同的可见图像，从而实现对物体的内部的无损检查和测量。

3.1射线检测在芯片封装检测中的应用

射线技术可以用来对芯片封装无损分析，可以有效观察芯片封装内部的缺陷，分层的空气对射线衰减不敏感，因而裂纹和虚焊是不易被射线观察，现有的射线检测设备己能够对芯片结果进行纳米级分辨率检测。

3D分层扫描技术（CT）可以提供样品二维切面或三维立图，可清楚的展示被测芯片内部结构，提高识别、定位内部缺的能力。图6为一功率器件的封装缺陷检测，可以看出芯片内部存在明显的多孔。

3.2射线检测PCB焊接质量检查中的应用

射线检测可以用来检测PCB的BGA焊接及组装，射线可以直接穿透芯片封装内部，无损地检查焊接点质量。用于PCB质量检查的射线检查仪除了具备能够看清缺陷的分辨率外，还应该能够提供倾斜视图以提供更多的分析细节。图7为- PCB射线检查成像图，可以通过各焊接点的形貌及内部分析来判断焊接质量。

4超声技术在元器件失效分析中的应用

超声波在垂直于固体界面传播过程中遇到声阻抗不同的界面时会发生反射，尤其是在声阻抗差别很大的两界面几乎全部反射，因而不同于射线，超声波对于器件内部的空气具有极高的敏感性。利用这一特性可以确定元器件焊接层、粘接层、填充层、涂镀层、结合层的完整性，超声波可以分层的展现样品内部的一层一层的图像。检测元器件使用的超声波频率是高于MHz，因而不会搅动易碎的组件，同时高频的声波具有更好的分辨力。图8是利用超声波扫描显微镜对功率器件的扫描图，通过成像检测可以清楚地观测到功率芯片与散热铜板粘接的质量。

5结论

随着集成电路产业的不断发展，集成电路分析测试产业作为保证电子元器件质量与寿命的重要支撑产业将随着快速发展，红外检测、射线检测、超声检测能够快捷直观地对电子元器件进行失效分析，并且具有不破坏芯片使用功能的特点，能够广泛地应用于实验室与元器件生产线的元器件失效分析。

参考文献

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