电子元器件失效分析技术及方法

电子元器件失效分析技术及方法

黎宗敏

深圳电器公司 广东 深圳 518000

摘要：经过长期坚持不懈的努力，国内环境大变样，这对电子行业而言无疑是利好消息。随着电子行业的不断发展，电子元器件的升级换代速度越来越快，应用范围也越来越广。在享受电子元器件带来便利的同时，也要客观看待它的失效现象。电子元器件一旦失效，就会导致整个系统无法正常运行。越早分析出原因，损失就越小。因此，本文对电子元器件失效分析技术方法展开研究，以供广大电子人参考。

关键词：电子元器件；失效分析；技术方法

前言

市场经济的蓬勃发展为电子行业发展带来了生机与活力，同时也对电子元器件质量提出更高要求。只有质量过硬，电子元器件才能一直发挥作用。经过调查发现，电子元器件失效现象比较普遍，想要减少这种现象，需要做好失效分析工作。这并不是一件容易的事，能否高质量完成，关键要看广大电子人是否完全掌握分析技术及方法。很显然，目前还不满足要求。本文从两个方面进行讨论，希望能给大家一些启示。

一、电子元器件失效分析的过程及原则

（一）基本流程

电子元器件失效的主要有三种类型，第一种是功能丧失，第二种是物理参数发生漂移，第三种是电学特性突然改变，是短路、开路等故障引起的。不管是哪种情况，分析过程大致相同，即对失效样品的背景进行调查，检查外观的完整性，按要求测试电气特性，对失效模式进行验证，开封去层后开展破坏性物理分析工作，失效定位，从物理和化学两个角度去分析，确定失效机理，发现问题背后的原因，出具失效分析报告^[1]。

（二）应遵循的原则

不管做什么事，都要遵循一定原则，电子元器件失效分析也不例外。原则一，先制定分析方案，再采取相应行动。原则二，先对外观进行检查，再给电子元器件通电。原则三，在加电测试中，电压要由弱变强。原则四，先进性静态分析，再实时动态分析。原则五，先进行宏观分析，再进行微观分析。原则六，剖析问题时，要从简单到复杂。原则七，先关注主要零件，再检查辅助零件。原则八，无损检测在前，破损检查在后。只有严格遵守八项基本原则，才能避免引入新的失效因素，从而让真正原因浮出水面。

二、电子元器件失效分析的技术及方法

（一）失效现象确认

电子元器件分析中常用测试方法有电参数测试、功能测试、连接性测试。通过三项测试，便可确认失效现象。当然，要想获得预期效果，还要看操作是否得当。

电参数测试是“无损检测”家族的一员，其原理是给电子元器件施加电应力，看其性能是否达标，如果达标，说明其正常，如果不达标，说明其存在缺陷^[2]。在测试过程中，需要对电应力的大小进行有效控制，这样才不会加剧电子元器件的失效程度。

科技发展的脚步一刻不停歇，电子元器件的功能也会越来越复杂，这无疑增加了功能测试难度。想要提升测试结果的准确性，需要采用自动测试设备。往设备中输入相关参数，模拟出真实的应用环境，观察并记录电子元器件在此条件下的运行状况，对最终结果进行动态和静态分析，便能得到测试结论。

连接性测试包括待机电流测试和端口测试两部分。先来说说待机电流测试，给集成电路加电压，待机电流就会产生，判断电流的大小，确定后续分析方法。倘若说电流偏大，说明局部存在漏电，这时就要用光辐射显微镜进行失效定位。倘若说电流偏小，说明存在开路故障，排查故障点的方法有两个，一是X射线照相，二是显微镜检查，后者可在电子元器件开封状态下使用。一般来说，故障率较高的地方有内部电源、互连线、内引线。再来谈谈端口测试，静电放电保护电路常用在互补型金属氧化物半导体电路中，内含两个串联的二极管，而在互补型金属氧化物半导体电路中肩负输入任务的是MOS器件，这一器件的栅极具有绝缘特性，各个端口对地端的电流—电压特性和二极管的极其相似，所以可以根据电阻大小来定位失效端口。

（二）样品制备与保存

电子元器件被多层布线紧紧包裹，以至于透明度比较低，给失效分析增加了阻碍。当务之急就是破除这层阻碍，采用剥层法，可实现这一目标。通常情况下，需要去掉两层，分别是钝化层、金属化层。

在去钝化层时，有三种技术可供选择。第一种，化学腐蚀技术。化学腐蚀还有另一个称呼，叫作湿法腐蚀。该方法的优点是条件很简单、对设备的要求不高，缺点是无法很好地控制腐蚀位置，在腐蚀钝化层的同时往往会对未钝化部分造成影响，最终导致失效分析结果失准，严重时样品会直接报废。如果确定使用这种方法，需要根据不同物质选取不同试剂。具体来说，去除二氧化硫钝化层时要用到氢氟酸和水，配方比例1比1。去除氮化硅钝化层时要用到85%的偏磷酸，并把腐蚀液的温度控制在160摄氏度。腐蚀硼磷硅玻璃时要用到三种试剂，分别是水、盐酸、氢氟酸，其中盐酸含量是其他两类物质的十倍。第二种，等离子腐蚀技术。等离子腐蚀属于一种干法腐蚀，腐蚀部位不同，所需材料也有所不同。譬如，芯片中含有二氧化硫、氮化硅、聚酰亚胺，去除它的钝化层需要用到三氟甲烷和氧气，这种组合气体不会对铝金属层产生影响。第三种，反应离子刻蚀技术。常用的方法有两个，一是溅射腐蚀，二是活性离子刻蚀。前者原理是把惰性气体放入反应室后，受到电场的作用，气体会不断轰击样品表面，使表面材料剥落。后者是一个综合产物，不仅汲取了溅射腐蚀技术的精髓，还融入了PIE技术的内容。毕竟是进化后的技术，无论是在腐蚀方向控制方面，还是在样品制作方面，都有不俗的表现。

去金属化层时使用最多的是湿法，铝腐蚀液的酸值要在16.1%至16.5%范围内，作业温度应保持55摄氏度。只有控制好条件，才能确保在腐蚀金属化层，不会对其他部位造成损伤。

（三）电性分析

电性分析的目的在于，定位缺陷位置^[3]。常用方法有缺陷定位、电路分析、可靠性测试，具体内容如下所示。

随着科技水平的提升，芯片的集成度越来越高。在众多单元中找到失效单元并非一件易事，当然，也并非无法完成，只需用好定位技术。不管是显微镜，还是激光束电阻异常侦测技术，都能为相关人员提供帮助。

在电路分析中要用到两方面知识，一是模拟电路基础知识，二是数字电路知识。模拟出日常工作环境，观察芯片电路的运行状况，逐个区域进行检查，不断缩小失效范围，最终锁定失效元器件。

当电子元器件出现功能失效现象时，要对电路的可行性进行测试，测试时需将这一功能模块隔离开。结果无非两种，一种是确定某个功能块失效，另一种是没有找到问题点，那么就要采取分段测试的方法，经过坚持不懈的努力，最终找到失效部位。

（四）物理分析

物理分析的本质是借助电子显微镜、透射电子显微镜、能量色散谱仪等设备，采用剥层、聚焦离子束等技术，获取微区形貌、内在结构、化学成分等信息，最终完成对电子元器件材料及工艺表征的综合分析。这种方法常用在半导体器件失效分析中，至于能否用于他处，要根据实际情况来定。

三、总结

在迎接新时代到来的同时，也要敢于直面问题。在电子领域，元器件失效问题一直没有得到有效解决。之所以出现这种情况，主要原因是分析手段不合理。既然找到症结，就要对症下药。首要任务就是，对失效分析的过程及原则有一个深刻具体的了解。科学认知形成后，就要快速且深入地学习技术方法。待学有所成，就要在实践中应用，不断提升修复效率。

参考文献

[1]吴俊.电子元器件可靠性试验[J].电子技术与软件工程,2020(23):89-90.

[2]张光强.失效电子元器件分析方法[J].数字通信世界,2021(01):120-121.

[3]柳思泉.浅谈电子元器件的失效机理[J].电力设备管理,2021(07):205-206.