基于电子元件失效分析及技术发展分析

刘越

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000

失效分析是通过分析产品失效机理和元件，以获取改进建议，避免出现类似失效现象，确保产品 应用稳定可靠。电子元件失效分析时利用测试技术以及分析方法对元件失效过程进行明确，分别失效情况和原因，这一工作是保证元件可靠运行的重点。电子元件进行失效分析需要具备的知识包括测试和分析方法、失效机理等，并具备丰富的失效分析经验。而正确应用分析设备能够降低分析成本，提高成功率。

1 电子元件失效分析

1.1 感官判断

感官判断通过人体感官来判断故障，例如眼睛、手、鼻子、耳朵等对电子元件外形、温度和软硬度、味道、工作声音等进行观察判断。感官判断操作简单，成本低，但是需要工作人员本身经验丰富，同时，周边环境以及感官敏感度要优越，这样才能够保证判断相对准确[1]。

1.2 内部分析

内部分析分为X射线、红外线显微、声学扫描、残留气氛和密封性检查。其中，X射线检测法是通过X射线对不同材料穿透的成像灰度来检测封装中的缺陷，如分层、粘结空洞、焊点气泡等缺陷问题。红外光可将硅穿透，并被树脂铸模反射回来，红外显微镜能够对芯片金属连线以及键合情况进行检测。声学扫描是用不同声阻材料对超声波的反射程度不同，发现塑封元件中出现的裂缝、分层等缺陷。残留气体分析是对封装腔内腐蚀性气体与水汽进行检测，腔内水分会导致杂质离子加速运动，电子元件被腐蚀。

1.3 电源拉偏

该分析法通过降低或升高正常电源电压让元件处于异常工作状态中，进而暴露出电子元件故障部位，以确定电子元件故障。但是，该分析法一般应用在元件长时间工作导致的故障中，或是由于电压波动导致的故障中，但是，电源电压降低或升高会损坏电子元件，一旦操作不当，极易损坏电子元件[2]。

1.4 定位

芯片失效分析是利用缺陷隔离技术对失效点进行定位，之后，利用结构与成分分析对失效起因进行确定。在定位失效点时，需要开封定位器件，将芯片暴露出来，应用化学腐蚀或机械等方法来开封封装材料及其结构。必要时，可以剥离元件钝化层，将下层金属露出，钝化层去除一般使用反应离子刻蚀、化学腐蚀等方法。

采用电子束测试、热分析、机械探针等技术隔离缺陷点。但是，这些技术在其他失效分析中也可以应用，例如，电子束测试能够分析功能失效，也就是逻辑上出现的错误之处。再比如，热分析等可以应用在漏电流分析中。机械探针能够在钝化层芯片去除后对芯片内节点电压进行测量分析。电子束测试则可以将聚焦电子束发射到芯片表面，并通过二次电子新对节点电压进行测量，其属于非接触方式[3]。光发射显微法通过微光探测技术发现芯片由于表层出现缺陷而发生的微光，一般利用载流子和发射光子来经过高电区漏电流，金属连线出现漏点会导致红外光发射，等等都可以对失效点进行定位。

1.5 物理分析

物理分析是在芯片接受物理处理后，对其进行再观察并分析失效部位，明确失效原因，将相关信息反馈给产品设计生产环节中。物理缺陷一般为发生在芯片表面中的故障，将介质与金属连线去除后，需要利用光学显微镜等进行观察，或是进行FIB制样。若是失效区出现污点，需要组分分析，以确定失效原因。物理缺陷分析观察重点在于过电压电流出现的短路现象、铝金属断裂现象、芯片出现裂纹、静电损伤现象等等。

2 电子元件失效分析技术发展难点

电子元件发展过程中，集成电路具有一定代表性，基于集成电路技术的未来发展趋势，截止到2016年，微处理器芯片规格已经达到0.22μm，主频为28.8GHz，内部晶体管达到80亿个，当前分析技术与集成电路失效分析要求已经不相符。集成电路技术进步使得失效分析技术也需要随之发展。

2.1 系统级芯片

失效分析技术发展难点之一就是系统级芯片。科技的发展使得集成电路越发复杂，晶体管数量增多，互联层增加导致失效分析难度加大，在高延迟电路中，失效分析要求更高。而且，由于系统将芯片是高频运行，工作频率持续上升，难以再现故障。

2.2 新材料处理法

电路失效分析需要将介质层、金属化层逐层剥除。一般半导体材料、AI等材料的处理都有对应的方法，但是，如低K介质、高频期间等新材料在分析时需要在其中加入新技术。

2.3 失效定位和电测

失效定位失效范围和部位的确定，对于集成电路失效定位可以由电路整体逐渐到某一电路模块中，例如存储器等，之后在到电路节点，最后到通孔等。电路规模扩大、线宽缩小会导致该过程进行越发困难[4]。

2.4 缺陷特性和探测不可见

电子元件发缺陷分析中，除一些可观测到缺陷外，有些不可见缺陷会使集成电路失效，例如电荷迁移引发漏电现象等。有些尺寸小的晶体管会影响电荷漂移，介质越薄也会出现漏电现象。因此，在后续的发展中，对于不可见的缺陷进行分析探测也成为失效分析的一个主要难题[5]。

3 结语

对于电子元件运行而言，失效分析十分重要，其根据元件结构、特征以及工艺等情况来分析失效特征、模式和机理，并灵活运用失效分析流程及其相关技术。电子元件失效分析的重点在于隔离缺陷，对失效进行定位，物理分析失效情况，而随着集成电路的发展，失效分析越发困难，基于此，推出了一系列的失效分析技术，例如光学显微、机械探针等技术，还有一些电子束探针、光发射等新型技术，在其中的应用越发广泛，能够有效分析电子元件失效情况，确保集成电路稳定运行。