电子电器产品系统级失效解析

1外观检查

首先用肉眼检查失效样品与正常样品相应部位之间的差异，然后在光学显微镜下进一步观察。采用放大倍数为4~80倍的立体显微镜变换不同照明角度以获得最佳观察效果。根据情况也可采用放大倍数为50~2000倍的显微镜寻找和观察失效部位。若还需更进一步观察表面击穿、外来物、长须、沾污或迁移等，则需要用扫描电镜（SEM）。在目检中检查的项目有：灰尘。产品在较为恶劣的环境下工作，会导致金属、金属氧化物、灰尘等出现在元器件表面，这可能是造成元器件特性退化的原因之一。沾污。任何小的水迹、油迹、焊料痕迹或溅射的其他液体都会造成互连劣化或漏电。管脚变色。管脚表面的变色通常表明基体材料被氧化、硫化和有缺陷，预处理不完全或存在明显的缺陷。由压力引起的引线断裂。当铜-锌合金或许多其他以铜基为主的合金在外界压力或内部剩余压力的作用下，并处在氨、胺类、潮湿气体或高温环境中时，就会发生压力侵蚀现象。通过扫描电子显微镜观察断层的外形及边界特征，可以发现这种现象。机械引线损坏。机械引线损坏的模式取决于引线的外形、负载及所处的环境。主要的裂缝类型有：疲劳裂缝、振动裂缝、蠕变裂缝和其他裂缝。断裂表面或断层边缘表面有时会呈波浪图形，意味着机械疲劳，圆盘或锯齿状的图案则表明该处的应力集中。封装裂缝。封装裂缝会引起湿气进入元器件里面，密封包装中的玻璃裂缝容易被忽视，用渗入染料法可以检测出细小的裂缝。金属化迁移。采用SEM可以观察到这种现象，绝缘材料中或其表面的金属离子从阳极往负极迁移并堆积，最终造成两极间的短路。晶须。软金属表面上会形成直径约1.2μm、长约1.5μm的针状单晶结构（晶须），会引起引线间的短路。晶须的形成与温度、湿度、内部应力及空气有关。

2电测

电特性测试采用专用于评价设计的测试方案来详细评价样品的电特性，测试的结果可以用来确定失效模式，提高从失效环境中得到的失效机理估计的详细度和精确度，有利于选择正确的分析方案。直流特性测试通过波形记录仪、微微安培计和示波器等来评测样品的直流特性。大规模集成电路中，寄生二极管的存在使电流的漂移跟不上等效电路的变化，测试时还需要参考无缺陷产品。失效模拟测试经过电特性测试和直流特性测试两个步骤后仍检测不到缺陷，则需进行使用条件的失效模拟测试。应力试验分析电子元器件的失效通常与应力有关，包括温度、电压、电流、功率、湿度、机械振动、冲击、恒定加速度、热冲击和温度循环等。通过应力试验可以评估产品的失效应力分布，确定失效的应力范围，揭示产品在设计和工艺方面的缺陷、失效模式及相关失效机理。故障模拟分析电子电器本身由于表面沾污引起的参数漂移或间歇性短路、短路，在脱离工作状态后，往往又会逐渐恢复正常，这类失效必须进行有关环境应力下的模拟试验，使失效现象重现，确认失效现象的存在，对失效现象进行观察。模拟应用分析把问题元器件放在模拟失效条件环境中工作，测量元器件的壳温变化情况以及与元器件工作异常的关系，观察引起失效的电源电压、电流、输入信号和输出负载等的临界条件。全温度参数测试有些元器件参数对温度变化是很敏感的，系统设计时若忽略温度对其影响，在工作环境中，就有可能出现系统工作失常或故障。对元器件全温度参数测试，了解参数随温度的变化量是否满足系统要求。瞬时短路、断路的实验分析对塑封元器件采用温度循环、空封元器件采用机械振动检测瞬时短路、断路的失效现象。高温和高温电偏置实验对于漏电流大或不稳定、增益低的元器件，在电性能测试后，把元器件放入高温箱里，不加任何偏置条件，按规定的最高允许存储温度烘烤12h以上。烘烤结束后，让元器件在室温条件下稳定1h~2h，然后测试电性能。若烘烤后测试元器件特性正常，参数值在标准范围内，或有很大的好转，则可以推断元器件内部存在沾污。再通过高温电压偏置实验，给元器件加上偏置电压，在允许的最高温度下烘烤48h，烘烤结束后，把温度降至室温，关掉偏置电压，对元器件进行电性能测试，测试结果若漏电流大或增益低的现象重现，推断该失效现象由钝化层内沾污引起；若漏电流大或增益低的现象未重现，推断该失效现象由芯片钝化层表面沾污或封装内部沾污引起。

3内部分析

3.1非破坏性的内部分析

1）X射线检测X射线检测目的是检测封装内部的缺陷，如芯片的黏结空洞、内部多余物等其他结构上的缺陷。在进行X射线检测之前，必须考虑X射线可能给MOS元器件带来的损伤。2）声学扫描检测声学扫描检测目的是观察元器件内部各界面的黏结情况，尤其是对于观察塑封元器件的分层现象特别有效。3）残留气体分析对于芯片表面的污染造成的金属或陶瓷封装失效，根据GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》的相关方法步骤，对封腔内的残余气体进行定量分析，尤其是水汽和腐蚀性气体。4）失效点定位在芯片失效分析中，通过缺陷隔离技术进行失效点定位，通过结构分析和成分分析确定失效原因。缺陷点隔离可采用电子束测试、光发射分析、热分析和OBIC（光束感生电流）等技术。5）密封性检测采用氦原子示踪法检测封装里的气体细小泄露，采用氟碳化合物检测封装里的气体大量泄露。密封性检测可用于检测封装中的小裂纹、焊接材料的虚焊、焊接部位的针孔及密封封装中的缺陷等。6）物理分析根据IPC-TM-6502.1.1手动微切片法中相应的方法，对元器件一系列物理处理。根据GB/T19267.6-2008刑事技术微量物证的理化检验第6部分:扫描电子显微镜/X射线能谱法、ISO22309-2006微电子束分析.用能量散射光谱仪(EDS)进行定量分析，采用扫描电子显微镜/能谱分析仪观察分析其失效点。根据GJB548B-2005微电子器件实验方法和程序中相应程序对键合强度进行测试。7）杂质与合成物分析采用二次电子、二次X射线或二次离子等分析技术对元器件中的杂质与合成物分析。

3.2破坏性内部分析

1）开封必须了解样品的内部结构，必要时用同类品试开封，开封的作用为增强可视性和可测试性。不同的封装形式采用不同的开封方法，常见的开封方式有机械开封和化学开封两种。2）去除芯片钝化层采用等离子体刻蚀、反应离子刻蚀和化学腐蚀等方法对元器件钝化层进行剥离。分析中使用的专门仪器，应当按照相应仪器的检验规程或作业指导书进行；使用其他理化分析仪器，检验方法应当遵循相应仪器的国家或行业标准，如GB/T19627刑事技术微量物证的理化检验。

4结束语

该电子电器产品系统级失效分析方法适用于所有的电子电器产品系统级失效的分析，从而促进了电子电器产品系统级失效分析方法的统一性和规范化，促进电子电器行业的稳定发展。

作者：郑海鹏 林天辉 程 丹 杨晓云 刘从俭 汤小东 单位：华碧司法鉴定所 华碧司法鉴定所