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电子元器件温度形变导致的失效机理

电子元器件温度形变导致的失效机理
来源:云汉芯城 时间:2018-11-08

电子元器件在各种电子产品中有广泛的应用。电子产品都有一定的使用寿命,这与电子元器件的寿命密切相关。电子元器件在使用的过程可能出现故障,即失去了原有的功能,从而使电子产品失效。电子产品的应用十分的广泛,是生产生活所不能缺少的重要部分,因此,研究电子元器件的失效原因,分析其失效机理,具有重要的意义。下面一起来看看云汉芯城小编针对此整理的资料。

1 失效现象特征

温度形变:塑封器件采用整体模塑封装结构,包括金属框架、芯片、芯片与基板的粘接材料、内引线以及塑模化合物。塑料、框架和硅芯片间的热膨胀系数不同,在受到持续的温度变化时,会导致封装体和芯片间发生温度形变,并能终导致疲劳或不同材料的截面产生裂缝。

温度形变失效的主要表现形式有:热膨胀系数不匹配造成的失效、对芯片的机械应力造成的失效、封装异物造成的失效等。

(1)热膨胀系数不匹配造成失效的主要特征有:介面合金共和物(IMC)空洞造成的漏电或功能性失效;芯片剥离造成的开路;金属离子迁移形成的晶圆表面的孔洞造成的开路、短路及漏电;封装开裂;引线折断造成的开路。

(2)对芯片的机械应力造成失效的特征有:粘结应力;接触不良;键合脱离;金属键合点损伤;芯片剥离;金属丝下垂、引线接碰;引线折断;封装开裂;晶圆裂纹等造成的漏电、开路及短路。

(3)封装异物造成失效的主要特征有:晶圆划痕;晶圆裂纹等造成的漏电、开路及短路。

2 失效机理特征

外界温度冲击或低温环境造成的塑封材料对芯片的应力是主要的失效机理。

2.1 热膨胀系数不匹配

调查待检样品的失效背景,包括使用环境、使用时间、材料选择、发生失效时的情况等,与热膨胀系数不匹配失效机理的特征进行比对,热膨胀系数不匹配失效机理的特征包括但不限于以下情况:a)元器件受到的外界环境温差变化大;b)样品失效应具有热膨胀系数不匹配的失效机理的综合特征;c)检材电性检测发现失效(开路、短路、漏电),或功能检测有失效;d)检材的外观检测可能发现封装分裂;e)检材的声扫检测可能出现分层;f)检材的X-RAY检测可能出现引线断裂;g)开封检查可能发现:介面合金共和物(IMC)空洞;芯片剥离;金属离子迁移形成的晶圆表面的孔洞;引线折断。

2.2 对芯片的机械应力

调查待检样品的失效背景,包括使用环境、使用时间、材料选择、发生失效时的情况等,与对芯片的机械应力失效机理的特征进行比对,对芯片的机械应力失效机理的特征包括但不限于以下情况:a)元器件受到的外界环境温差变化大;b)样品失效应具有对芯片的机械应力的失效机理的综合特征;c)检材电性检测发现失效(开路、短路、漏电),或功能检测有失效;d)检材的外观检测可能发现封装分裂,封装材料和芯片在温度变化时有滑移现象;e)检材的声扫检测可能出现分层;f)检材的X-RAY检测可能出现引线断裂、金属丝下垂、引线接碰;g)开封检测可能发现:晶圆表面有划痕;粘结应力;接触不良;键合脱离;金属键合点损伤;芯片剥离;金属丝下垂、引线接碰;引线折断;晶圆裂纹。

2.3 封装异物造成的失效

塑封料中加了石英砂填料等物质,以其尖锐的角尖接触芯片,在温度变化时塑封料的压力传递到芯片上,刺破钝化层和金属层造成开路或短路,也会造成IC中的元器件参数变化。

调查待检样品的失效背景,包括使用环境、使用时间、材料选择、发生失效时的情况等,与封装异物造成失效机理的特征进行比对,封装异物造成的失效机理的特征包括但不限于以下情况:a)元器件受到的外界环境温差变化大;b)样品失效应具有对芯片的机械应力的失效机理的综合特征;c)检材电性检测发现失效(开路、短路、漏电),或功能检测有失效;d)检材的外观检测可能发现封装分裂,封装材料和芯片在温度变化时有滑移现象;e)检材的声扫检测可能出现分层;f)检材的X-RAY检测可能出现引线断裂、金属丝下垂、引线接碰。

开封检测可能发现:晶圆表面有划痕;晶圆裂纹;封装材料中有较为尖锐的物质。

3 分析步骤

3.1 检验原则

(1)应综合了解检材背景、使用环境温湿度、使用时间长短、是否有过应力等,与失效现象特征作比较;(2)电学验证失效现象;(3)先做非破坏性试验,再做破坏性试验;(4)先做失效隔离定位,再做物理验证,并与良品比对;(5)模拟验证确认失效现象,此项适当时采用。

3.2 失效点电学定位

综合运用电性测量分析检验方法对检材进行失效点定位。

电性能分析方法包括:元器件的功能、参数、引线间特性和结特性的测试。

电学定位失效点:用伏安特性曲线仪、探针台等电性能测量仪器对样品的失效部位进行分段隔离定位,找出导致样品电性能异常的物理失效点。

根据电路原理图分析分别列出可能导致失效的多个失效点,对目标失效电路进行伏安特性测量,发现目标失效电路的电流电压曲线(I-V Curve)呈现过X轴的直线或电阻值无穷大则可能为开路(高阻)失效所致,若发现目标失效电路的电流电压曲线(I-U Curve)呈现过原点的跨第三象限的直线、电阻值为零或大大低于原有阻值则可能为短路或漏电失效所致。由此种方法找到失效位置点。

对良品与不良品失效位置进行伏安特性测量,若发现良品同一位置伏安特性为正常的设定值,可以确认出现的原因为失效点间电路异常(断路、短路、漏电)所致。

(1)根据检材的特性及失效现象,分段隔离失效部位,综合查证检材的电学失效点。(2)如有标准样本的,通过检材与标准样本的电学特性的比较检验,综合评断检材与标准样本电学特性的异同。(3)有些失效现象与环境条件有关,因此要根据分析对象的实际情况可选择温度循环、振动或冲击、湿热等试验,再现和观察失效现象。(4)失效点应先用无损的方式进行定位,运用前述的电性测量分析检验方法对检材进行失效点定位。

3.3 失效点电学验证

选用适当的检验方法,对失效点进行电学验证。可测量失效点部位检材与标准样品的电流电压曲线情况,进行对比分析。

3.4 失效点物理验证

(1)据3.3检测的电性失效点,运用无损检测手法,对失效点进行无损检测,具体检验方法包括光学显微镜分析、透射射线分析和超声波扫描分析等。

(2)用湿法开封,使芯片显露出来,用金相显微镜或扫描电镜观察晶圆,引线,重点观察失效点位置。

3.5 特征物证综合分析

应根据同一性原理对所发现的物证特征进行对比分析、综合验证。

(1)检材的物证特征与第1.1节的失效现象特征和第2.1节的失效机理特征应有较多的符合度,且以下物证必须具有,则判断失效现象与热膨胀系数不匹配失效原因具有确定性因果关系;a)检材失效具有明显的温度冲击现象;b)若进行标准样品的温湿度环境验证实验,试验后样品具有和检材样品同样的失效现象。

(2)检材的物证特征与第1.2节的失效现象特征和第2.2节的失效机理特征应有较多的符合度,且以下物证必须具有,则判断失效现象与对芯片的机械应力失效原因具有确定性因果关系;a)检材失效芯片具有明显的机械应力现象;b)若进行标准样品的温湿度环境验证实验,试验后样品具有和检材样品同样的失效现象。

(3)检材的物证特征与第1.3节的失效现象特征和第2.3节的失效机理特征应有较多的符合度,且以下物证必须具有,则判断失效现象与腐蚀失效原因具有确定性因果关系。a)检材失效封装材料具有尖锐物;b)若进行标准样品的环境验证实验,试验后样品具有和检材样品同样的失效现象。

4 鉴定结论

根据检材的综合物证特征,电子封装产品失效与温度形变具有相关性的鉴定结论有三类5种情况,失效现象与失效机理特征具有因果关系,与失效机理特征不具有因果关系,无法判断是否具有因果关系。

4.1 具有因果关系

(1)检材的物证特征与第1.1节的失效现象特征和第2.1节的失效机理特征应有较多的符合度,则鉴定结论为电子封装产品的温度形变造成失效与材料的热膨胀系数不匹配的失效机理特征具有因果关系。

(2)检材的物证特征与第1.2节的失效现象特征和第2.2节的失效机理特征应有较多的符合度,则鉴定结论为电子封装产品的温度形变造成失效与温度对芯片的机械应力的失效机理特征具有因果关系。

(3)检材的物证特征与第1.3节的失效现象特征和第2.3节的失效机理特征应有较多的符合度,则鉴定结论为电子封装产品的温度形变造成失效与封装材料异物的失效机理特征具有因果关系。

4.2 不具有因果关系

若具备1节中所述失效现象物证特征,而与2.1,2.2,2.3节中的任意一项物证特征存在不符合的情况,则鉴定结论为电子封装产品失效与电应力失效机理特征没有因果关系。

4.3 无法判断是否具有因果关系

若模拟试验未能重现1节中所述失效现象物证特征,则鉴定结论为无法判断电子封装产品失效与电应力失效机理特征是否具有因果关系。

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