1、微电子封装可靠性与失效分析蔡坚清华大学可靠性基础知识Reliability is possibility!可靠性的定义-名词解释n生产率生产率(Productivity)资源的利用效率，即产出与投入的比值。n质量质量(Quality)产品符合顾客规定要求的程度。(经久耐用)n可靠性可靠性（Reliability）产品在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力。“规定条件”：环境、负荷、工作方式、使用方法。环境：温度、湿度、气氛、粒子、机械运动 “规定时间”：贮存时间和使用时间，即寿命（实际上也是 “规定条件”）“完成规定功能”：顾客要求的“全部”功能。产品失去规定的功能失效失效 生产率生产率
2、质量质量 可靠性可靠性19701980s 1990s 2000s 可靠性和失效的数学定量描述可靠性和失效的数学定量描述 可靠度：可靠度：R R（t t）产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率：T T：产品寿命，：产品寿命，NN：产品总数，且足够大。：产品总数，且足够大。n n（t t）：从开始工作到）：从开始工作到t t时刻的累积失效数。时刻的累积失效数。NtnNtTPtR失效分布函数失效分布函数=累积失效概率：累积失效概率：F F（t t）产品在规定的时间产品在规定的时间t t以前累积失效的概率：以前累积失效的概率：110）（）（）（）
3、（）（）（tFtRNtntTPtF失效密度函数失效密度函数 f(t)f(t)理论上失效概率在时间上的分布。理论上失效概率在时间上的分布。tdttftRtFdttdRdttdFtf01）（）（）（）（）（）（f(t)、F(t)和R(t)的关系 失效率失效率(t)(t)Lambda(t)工作到某一时刻尚未失效的工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后，单位时，在该时刻后，单位时间内发生失效的概率间内发生失效的概率。失效率失效率函数失效率失效率函数 NN为产品的总数，且足够大；为产品的总数，且足够大；n(t)n(t)为为NN个产品从开始工作到个产品从开始工作到t t时刻的累积失效数。时刻的累积失效数
4、。ttnNtnttnNtnttnt）（）（）（）（）（）（失效分布函数失效分布函数 F F(t t)、失效密度函数、失效密度函数 f f(t t）与失效率）与失效率(t t）的关系：的关系：若若(t t)=)=常数常数,则则 R R(t t)=e)=e-,失效率愈低失效率愈低,可靠性愈高可靠性愈高 f f(t t)e e-,F F(t t)1-e 1-e .tdtttRtFtftRtft0exp1）（）（）（）（）（）（）（失效率单位为失效率单位为%/%/（10103 3小时），即小时），即 每工作每工作10001000小时后产品失效的百分数。小时后产品失效的百分数。非特（非特（FitFit）
5、：）：适用于半导体器件等高可靠性器件。适用于半导体器件等高可靠性器件。1 Fit=11 Fit=11010-9-9/h=1/h=11010-6-6/1000h/1000h典型的失效率曲线 产品的失效率随时间而变化的规律可用失效率曲线表示，有时形象地称为浴盆曲线。递减型 恒定型 递增型早期失效期：早期失效期：产品使用的早期，失效率较高且下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素所造成的。偶然失效期：偶然失效期：主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。耗损失效期：耗损失效期：失效率上
6、升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的。产品的寿命 产品寿命产品寿命：对不可修复的产品是对不可修复的产品是“产品失效前的工作时间产品失效前的工作时间或工作次数或工作次数”，或，或“无故障工作时间无故障工作时间”。产品寿命往往研究的是某一批或某一类产品的“总体寿命”。所以在数学上常用的是平均寿命、中位寿命、特征寿命（统计学概念）。平均寿命平均寿命 ：某批产品寿命的算术平均值。某批产品寿命的算术平均值。MTTF（Mean Time To FailureMean Time To Failure），失效前平均工），失效前平均工作时间作时间：对于不可修复产品，其失
7、效前工作或贮存的平均时间。MTBF（Mean Time Between FailuresMean Time Between Failures），平均无），平均无故障工作时间故障工作时间(对于可修复装置对于可修复装置)：对于可修复产品，为两次相邻失效间的平均工作时间，即平均无故障工作时间。中位寿命中位寿命 t t0.5 0.5：某批产品工作到刚好一半数量失效时的工作时间。某批产品工作到刚好一半数量失效时的工作时间。R(tR(t0.5 0.5)=F(t)=F(t0.5 0.5)=50%=50%t产品的寿命的数学表征 常用的失效分布 1）韦伯分布(Weibull distribution)2）正态分
8、布（Normal Distribution）3）指数分布（Exponential distribution）4）对数正态分布（Lognormal distribution）*指数分布，对数正态分布是韦伯分布的特殊情况。韦伯分布 分布函数：m为形状参数,为位置参数,t0为尺度参数。010tmtmettmtf0/1tmtetF）（）（mm通常在通常在1 1，77间取值，通过改变间取值，通过改变mm可以表示不同阶段的失效情况；可以表示不同阶段的失效情况；也可以作为许多其他分布的近似，如，可将形状参数设为合适的也可以作为许多其他分布的近似，如，可将形状参数设为合适的值近似正态、对数正态、指数（值近似正
9、态、对数正态、指数（m=1)m=1)等分布。等分布。正态分布（高斯分布、误差分布）：正态分布的标准差;：正态分布的平均值。22221tetfdtetFtt22221）（）（标准正态分布标准正态分布=0,=1的正态分布 可靠性试验方法可靠性试验简介为评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为：可靠性试验试验目的1.研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷改善设计 2.生产阶段为监控生产过程提供信息优化工艺 3.对定型产品进行可靠性鉴定或验收实现量产 4.暴露和分析产品在不同条件下的失效规律及失效模式和机理有针对性地加以改进以提高寿命 5.为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案为用户选用产品提供依据对
10、于不同的产品，考虑到不同的使用环境，可以选择不同的可靠性试验方法。手持电子产品的可靠性要求n动态机械可靠性q动态机械载荷n便携跌落危险n新功能（游戏、短信）键盘、按键的疲劳和弯曲n重量减轻紧凑包封机械保护n叠层封装封装体质量，总体尺寸n小型化互连尺度危险性（失效几率）q动态机械载荷下的可靠性非常重要n跌落、拉伸、剪切、弯曲、冲击和振动n焊点：q脆性断裂对应力集中更为敏感q影响因素：金属间化合物（IMC）、润湿性、nPCB:绝缘层/铜线裂开n封装:焊球、焊点大小可靠性试验加载方式n循环载荷q热机械q循环弯曲、震动n动态机械载荷q跌落、弯曲、剪切、拉伸、冲击n电化学q温度、湿度、电压加速试验方法n
11、 常规的加速载荷 -振动(Vibration)-温度(Temperature)-湿度(Humidity)-电压（Voltage）-杂质(Contaminations)不同加速试验方法会得到不同的结果环境可靠性测试方法n预处理(Pre-condition)n 温度循环 TC(Thermal Cycling)n压力锅试验PCT(Pressure Cooker Test)n温湿度和偏压测试THB (Temperature,Humidity&Bias Test)n高温贮存试验 HTS (High Temperature Storage Test)n高加速应力试验HAST (High Accelerat
12、ed Temperature/Humidity Stress Test)BGA的环境应力可靠性试验筛选项目 筛选项目 失效机理 1.温度循环（TC）40或55或65到85或125或150或175等两个极端温度之间循环、每10分钟转换一次，连续循环1000次。由热力应力引起的失效2.高温/高湿/偏压（THB）高温、高湿环境并施正偏压或反向偏压工作。通常为85/85%RH/额定偏置 铝引线或铝金属化层的腐蚀；模塑料中的离子性杂质的浸蚀。3.高温贮存寿命（HTS）高温环境下，施加偏压或不加偏压下工作。如125或150下1000h。高温失效机理；Al-Au互扩形成金属间化合物，或金属-Si互扩散。4.
13、压力锅试验（PCT）在高温高压饱和蒸气中贮存。一般为121，100%RH，2atm下168h.耐湿性能，Al的电解腐蚀。可靠性测试标准n环境应力试验环境应力试验 JESD22-A103-B High Temperature Storage LifeJESD22-A103-B High Temperature Storage Life高温储存寿命试验高温储存寿命试验 JESD22-A104-D Temperature CyclingJESD22-A104-D Temperature Cycling温度循环温度循环 JESD22-A106-A Test Method A106-A Thermal
14、ShockJESD22-A106-A Test Method A106-A Thermal Shock热冲击热冲击n电应力和电测试试验电应力和电测试试验 EIA/JESD78 IC Latch-Up TestEIA/JESD78 IC Latch-Up Test集成电路器件闩锁试验集成电路器件闩锁试验 JESD22-C101-A Field-Induced Charged-Device Model Test Method for JESD22-C101-A Field-Induced Charged-Device Model Test Method for Electrostatic-Disc
15、harge-Withstand Thresholds of Microelectronic Electrostatic-Discharge-Withstand Thresholds of Microelectronic ComponentsComponents微电子器件在电荷感应模型条件下的抗静电放电试验微电子器件在电荷感应模型条件下的抗静电放电试验n机械应力试验机械应力试验 EIA/JESD22-B116 Wire Bond Shear Test MethodEIA/JESD22-B116 Wire Bond Shear Test Method焊线邦定的剪切试验方法焊线邦定的剪切试验方法 J
16、ESD22-B117 BGA Ball Shear BGAJESD22-B117 BGA Ball Shear BGA焊球的剪切试验焊球的剪切试验 JESD22-B111 Board Level Drop Test Method of Components for JESD22-B111 Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic ProductsHandheld Electronic Productsn综合试验与测试综合试验与测试 JEDEC Standard No.22-A109 Test Metho
17、d A109 HermeticityJEDEC Standard No.22-A109 Test Method A109 Hermeticity密封性试验密封性试验 JEDEC（Joint Electron Devices Engineering Council）,电子元件工业联合会，作为一个全球性组织，JEDEC所制定的标准为全行业所接受和采纳。MIL-STD 美国军用标准，当今世界技术最先进、体系最完备的军用标准。温度循环曲线示意JESD22-A104DJESD22-A104D温度循环测试条件11级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；板级跌落试验设
18、备(Drop Tester)JESD22-B111JESD22-B111手机跌落手机跌落手机内存有可手机内存有可能经常承受能经常承受大大的冲击载荷的冲击载荷板级跌落试验条件JESD22-B1108级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；失效分析基础 技术名词：失效模式和失效机理失效模式和失效机理 失效模式：失效模式：是指失效的形式，如开路、短路、漏气等。是指失效的形式，如开路、短路、漏气等。失效机理：失效机理：是指造成器件失效的原因。是指造成器件失效的原因。机械失效：疲劳、过载机械失效：疲劳、过载 电化学失效：腐蚀、电迁移电化学失效：腐蚀、电迁移3400
19、种VLSI器件失效机理分类 失效机理集成电路失效百分比（%）电过应力和静电放电未分析清的金丝球焊在球焊点的失效不能确认的金丝球焊在楔焊点失效剪切应力，芯片表面腐蚀，芯片金属化/组装介质失效，聚合物-金属，金属-金属氧化层缺陷肉眼可见沾污金属短路、金属开路闩锁现象19.915.99.0a6.04.6a3.5a3.2a3.02.92.72.6a2.4 a注：与封装或组装密切关联的失效共计28.1%失效机理集成电路失效百分比（%）处理过程不当、与硅片制造有关管芯损伤、裂纹/划伤编程不当氧化层不稳定芯片设计扩散缺陷最后检测漏测接触失效键合失效，没有金保护层缺陷组装，其他多晶硅/硅化物外部沾污其他因素
20、2.42.4a2.01.91.71.51.41.21.2a0.90.9a0.80.7a5.3 失效机理过载(Overstress)磨损(Wear out)机械热电辐射-大弹性变形-屈服-断裂脆性，韧性-裂纹，爆裂(Popcorn)-弯曲-界面分开-热过载-接近Tg(玻璃化温度)-融化-蠕变断裂温度-电磁干扰损伤-EOS（电冲击）-静电放电(ESD)-介质击穿-二次击穿-单粒子反转-死锁 机械 电 化学-高低周疲劳-蠕变-磨损（磨粒磨损等）-金属迁移（电/离子迁移）-应力驱动扩散-表面充电-内部扩散 Kirkendall空洞-氢脆-腐蚀-解聚失效机理分类：失效机理分类：（1 1）过载和耗损两类：
21、）过载和耗损两类：过载失效过载失效：通常是瞬时的、突然发生的失效。耗（磨）损失效耗（磨）损失效：因磨损、老化、疲劳等长时间的损耗积 累，引起产品性能逐渐下降后失效。（2 2）根据诱发失效机理的应力类型可分为：）根据诱发失效机理的应力类型可分为：机械的、热学的、电学的、辐射的、化学的等。机械的、热学的、电学的、辐射的、化学的等。机械应力：机械应力：包括机械冲击、振动引起的惯性力和内应力，使材料和结构发生形变、蠕变、疲劳、脱层、断裂等。热应力：热应力：封装结构中各相邻材料膨胀系数CTE不匹配，在T和T作用下产生的局部应力。热应力会导致封装材料的尺寸变化和物理特征变化（尤其是塑料）。两种热应力：外部
22、环境热应力：器件制造时，器件贮存、使用时外部环境施予器件。内部热应力：器件使用、老炼时加电后器件发热引起的应力。电应力：不良电源供电引起电过载和电源通/断引起电热应力循环。输入电流、电压过载，输出电流过载；静电放电（ESD）损伤，造成过压击穿，过流或过功率烧毁。过压造成：绝缘击穿、栅氧击穿；过功耗损伤：铝条或引线丝烧毁、电迁移等。促进：电化学腐蚀，枝状结晶蔓生漏电、材料热退化。辐射应力：来自粒子和宇宙射线。粒子射线：来自封装的痕量 放射性元素铀、钍中；空间宇宙线 强的射线能使存储器的二进制状态逆转！不能正常工作或塑封料裂解。预防措施：管芯涂覆聚酰亚胺用以屏蔽，减小模塑料中填充剂的粒子含量。化学
23、应力：恶劣环境下引起的化学腐蚀、氧化、离子表面枝状结晶生长等。电应力和环境中的湿气能明显地增强化学应力。湿气渗透模塑料到达管芯或浸出和金属的反应物。塑料封装典型失效机理n芯片失效：q芯片破裂、芯片钝化层损伤、芯片金属化层腐蚀、芯片金属化层变形等。n引线键合失效：q键合丝弯曲、键合丝受损伤；键合丝焊盘凹陷，键合处焊盘腐蚀，键合丝断裂或脱落。n模塑包封失效：q包封料破裂，包封料疲劳裂纹。n引线框架失效：q引线框架被腐蚀，引线框架和芯片或模塑料脱离。n与用户相关的失效：q电过载，ESD（静电放电）损伤；q焊接点疲劳；爆米花现象等。芯片断裂包封料断裂 分层空洞绝缘层断裂金属化层变形 键合线断裂塑料封装
24、失效部位示意图封装失效分析程序与方法失效分析目的与程序n失效分析的目的q找出失效原因q制定改进措施（从设计、制造和使用方面）q提高产品质量和成品率。n失效分析程序（流程）q记录失效现象q鉴别失效模式q描述失效特征q 假设失效机理q证实：从正、反两面证实失效机理，失效可实现重复q针对失效机理提出改进措施，并考虑新措施中是否引入新的失效因素。常用的失效分析技术n无损分析技术 -电性能测试和外观检验 -声学扫描显微镜(SAM)非破坏性、可分层、点扫描、截面扫描、水平面扫描；-X光透射检查仪（X-ray）-Moire干涉仪：形变，warpage（翘曲）测量 -有限元分析：热、热力n有损分析技术 -开封
25、(Decapsulation/Decap)-红外热像仪：温度分布 -金相切片分析 -扫描电子显微镜（SEM）微区形貌 -俄歇谱（Auger）成分，成分深度分布 -傅利叶变换红外显微镜分析（FTIR：Fourier transform infrared microscopy）声学扫描显微镜n非破坏性的检测，对分层、裂纹、孔洞等很敏感（超声）。n快速：可作在线检测（对PQFP、PBGA等塑封器件）、可作分层和垂直断面等多种分析。n封装工厂必备的设备。ZAxisY-AxisStepX-Axis ScanFocusX光透射检查仪n非破坏性，透视内部结构完整性。q高放大倍数（可达2000X），高分辨率（
26、2.0m）；对塑封器件和PCB最有效。像增强管 像增强管 开封n去除IC封胶（EMC）,同时保持芯片功能的完整无损,保持 die,bond pads,bond wires乃至基板不受损伤,为下一步芯片失效分析做准备。n对塑料封装的开封，可采用机械和化学腐蚀的方法。机械开封因其对电连接的破坏性而受限制，因此，塑封器件的开封主要还是采用化学腐蚀的方法，又可分为化学干法腐蚀和化学湿法腐蚀两种。自动塑封开封设备 红外热像仪n可靠的非接触式测量工具，通过吸收目标物体的能量辐射生成红外图像和温度测量的仪器。n可测工作状态下的芯片热分布、最高结温、电流趋边效应。n可测量热阻、检测热斑、验证芯片粘接情况等。扫
27、描电镜与能谱分析n对于微观组织结构观测、冶金学的分析和讨论极为有价值。1.测量各种化合物红外光谱,可以实现强大的定性和定量分析，尤其可以实现微量样品的分析。2.2.焊点表面（有机）污染物分焊点表面（有机）污染物分析（分析腐蚀失效原因）析（分析腐蚀失效原因）3.3.可焊性不良的焊盘表面有机可焊性不良的焊盘表面有机污染物分析污染物分析（分析焊点开路或虚焊的深层（分析焊点开路或虚焊的深层次原因）次原因）金手指有机沾污傅利叶变换红外显微镜分析主要参考资料1.R.R.Tammula等编著，微电子封装手册，贾松良等译校，电子工业出版社，2001.8。2.张安康主编，半导体器件可靠性与失效分析，江苏科学技术出版社，1986。3.庄奕琪主编：微电子器件应用可靠性技术，电子工业出版社，1996。4.邓永孝：半导体器件失效分析，宇航出版社，1991年。
