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1、毕业设计（论文）专业班次姓名指导老师成都工业学院二 0 0 九年六月芯片封装失效分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系目录第一章引言 . 11.1 微电子封装的作用和意义. 11.2 封装失效分析的意义和现状. 21.2.1 封装失效分析的意义. 31.2.2 封装失效分析国内外发展现状. 4第二章微电子封装失效分析. 62.1 封装失效的概述. 62.1.1 失效的定量判据. 62.
2、1.2 失效的分类 . 72.1.3 封装失效分析的流程. 12 2.2 破坏性物理分析和显微分析方法. 13 2.2.1 破坏性物理分析. 13 2.2.2 常用的显微分析技术. 14 第三章封装互连 . 21 3.1 封装互连技术. 21 3.1.1 互连的作用和分类. 21 3.1.2 引线键合工艺. 22 3.2 Au线和 Al 线互连 . 24 3.2.1 Au线互连 . 24 3.2.2 Al线互连 . 25 3.3 Cu线互连 . 26 3.3.1 Cu线互连的发展. 26 3.3.2 Cu线互连 . 26 3.3.3 Cu互连的未来 . 30 第四章塑料封装材料 . 31 4.
3、1 塑封材料的概述. 31 4.1.1 塑封环氧树脂发展现状. 31 4.1.2 塑封环氧树脂的组成. 32 4.2 塑封料相关问题研究. 33 4.3 塑封材料的未来发展. 39 参考文献 . 44 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系摘要封装作为微电子产业的三大支柱之一，在微电子产业中的地位越来越重要。随着微电子产业不断的发展，轻型化，薄型化，小型化的微小间距封装成为发展需要。而封装
4、的相关失效成为制约封装向前发展的瓶颈。本文通过大量的调研文献，对封装失效分析的目的，内容和现状进行总结，并对封装失效分析的未来发展进行展望。本文的主题是对封装中最重要的两个方面引线键合和塑料封装材料产生的相关失效进行归纳总结。本文从封装在微电子产业中的作用出发，引出对封装的失效进行分析的重要性，并说明了国内外封装产业的差距。对失效的基础概念，失效的分类进行了阐述；总结了进行失效分析的相关流程和进行失效分析最基本的方法和仪器。对封装中最普遍的引线键合工艺和塑封工艺分别进行了分析。对比了传统的 Au 线，Al 线与 Cu 线键合工艺， 说明了 Cu 引线键合技术代替传统的键合技术成为主流键合工艺的
5、必然性；对Cu 引线键合技术中出现的相关失效问题和国内外的研究结果进行了分析归纳。对塑料封装材料的发展进行了说明，指出环氧树脂为主流塑料封装材料的原因；对环氧树脂的组成以及在使用环氧树脂过程中出现的相关失效进行了归纳，并总结了环氧树脂未来的发展方向。关键词 ：电子封装 , 失效分析 , 引线键合 , 铜线, 环氧树脂名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系Abstract Package a
6、s one of the three backbones in Microelectronics industry is more important than before in it. As the development of the Microelectronics industry, it requires thin, small, fine pitch package. But the correlative failures become the bottleneck of its development. This paper summarizes the purpose, t
7、he content and the development of packaging failure analysis from lots of researching papers, finally pointing out the future of it. This paper concludes and summarizes the failures resulting from wire bonding and plastic packaging material, which are two of the most important things in package. Fir
8、st, It concludes the basic concept and the category of package, and then how to do failure analysis. Destructive physical analysis and some microscope equipments used normally are showed. Wire bonding technics and encapsulation technics are analyzed separately. Contrasting the copper wire bonding an
9、d the conventional gold wire bonding or aluminum wire bonding, this paper points out the inevitability that the copper wire bonding becomes the mainstream wire bonding technics by replacing conventional ones. And then it summarizes the correlative failures and the study results about the new technol
10、ogy. After that, it says the history of encapsulation materials and the reasons why epoxy-molding compound is the mainstream. Then this paper explains the composition of the epoxy-molding compound and concludes the correlative failures about it. Lastly this paper points out the future direction of i
11、t. Keywords: electronicpackage, failure analysis, wire bonding, copper wire, epoxy-molding compound 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系1 第一章引言1.1 微电子封装的作用和意义微电子封装顾名思义就是用一种材料将微电子器件或集成电路芯片包封起来，以达到与外界隔离和保护的目的。微电子封装作
12、为微电子产业的最后一个环节，对微电子产业的发展起着重大的作用。由于传统的硅芯片存在易脆，对外界环境敏感和与 PCB 板的热失配严重等缺陷，导致了芯片不能直接使用，必须要经过封装加以保护后才能使用。 自 1947 年，巴丁，肖克莱等人发明了第一只晶体管，并同时开创了微电子封装的的历史。在微电子封装产业发展几十年过程中，封装的作用主要有以下几点： 电源分配：首先是接通电源，使芯片通电工作。由于微电子封装的不同部位所需的电源不同，将电源分配恰当，以减少电源的不必要的损耗，这使多层布线基板尤为重要。 信号分配：为了使信号延迟尽可能减小，在布线同时应尽可能使信号线与芯片的互连路径及通过封装的I/O 引出
13、的路径达到最短。 对于高频信号， 还应考虑到信号间串扰的问题。 散热通道：各种微电子封装都要考虑到芯片工作时如何将聚集的热量散发出的问题。不同的封装结构和材料结构有不同的散热效果，以保证系统在使用温度要求的范围内能正常工作。 机械支撑：微电子封装可以为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。 环境保护：微电子工艺中使用的很多材料，如硅，铝等，都对外界环境中的湿气，离子等比较敏感。特别在军用和航天环境中，芯片的使用环境更为恶劣。将进行密封或包封，能改善芯片的工作的环境，减少失效的出现。微电子封装在这几十年的发展过程中，其作用没有改变多少，但是封装的形式却不断的发生
14、改变。在微电子发展初期，主要使用的THT 技术进行表面安装，芯片 采用 的封 装形 式主 要以 DIP(Double In-line Integration),SIP(Single In-line Integration)，PGA(Pin Gray Array)等针插式为主。现在，主要使用的SMT 技术进行表面安装，主要采用 QFP(Quad Flat Package),SOP(Small Outline Package), 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共
15、 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系2 BGA(Ball Gray Array)等封装形式。如图1-1 所示，是未来封装发展的趋势图。由图可以看出，随着微电子产业的发展，工艺线宽的减小，使芯片尺寸也不断变小；集成度的提高， 使单位面积芯片的发热量增加； I/O 口增加，要求使用微间距封装；CSP，MEMS，3D 等新型封装形式的出现，要求封装的越来越轻型化，薄型化，小型化；芯片工作频率的提高，要求互连具有更高的电性能和可靠性。这些都对封装提出了严格的要求。 Au 线要适应微间距焊接，但是其延展性的不足，导致其很难拉到细丝状；包封材料的吸湿性和翘曲等不足，
16、制约了CSP，WLP 等封装的发展。所以，相关的封装材料性能的不足，封装的相关失效都严重的制约了这些新型封装形式的发展，也使封装成为整个微电子产业发展的一个瓶颈。对这些封装材料的研究， 封装的相关失效进行分析， 可以从根本上解决封装发展的难题。1-6图 1-1 微电子封装的未来发展1.2 封装失效分析的意义和现状目前，电子尤其是微电子产业逐渐演变为设计，制造和封装三个相对独立的方面，电子信息产业的竞争从某种意义上来讲主要体现在微电子封装上，特别是大规模集成电路 (LSI)封装，已成为微电子产业的瓶颈。电子信息时代，无论是军事，航天所用的微电子器件，还是民用的微电子器件，性能都日益先进，结构都日
17、益复杂，使用环境也更多变和严格。这些都对器件的可靠性提出了很高的要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系3 然而，在器件运用的过程中，会发生不能工作或者不正常工作等失效问题，其中，部分问题就是由封装所导致的。无论是军用还是民用方面，这些失效中某些会带来一定的经济损失，而某些是无法估量的。因此对这些封装失效问题的研究和分析，找出根源，建立相应的预防措施，就显得尤为重要。1.2.1 封装失
18、效分析的意义电子元器件的失效是指产品不能正常的工作或者工作时的电学性能和物理参数不能达到预期的标准。它与器件的可靠性是一对相对的概念。产品的失效按不同的划分标准分可以分为很多种。虽然失效的种类很多，但是他们的共同之处就是影响器件的正常使用。特别是现阶段的集成电路产业中，一个器件就可能集成上百万，千万个晶体管，而一个微小的晶体管的失效就可以造成器件的损坏，更严重的是影响系统的正常工作。对于民用塑封集成电路来说，失效降低了器件的可靠性，从而可以导致成本的上升和市场竞争力的下降；对于可靠性要求严格的军用和航天集成电路来说，失效可以导致的导弹或者火箭轨迹误差，误爆等灾难，造成的经济上的损失更大。7,8
19、因此，对失效原因的查找，也就是失效分析，是必须进行的环节。现在集成电路产业中，一个器件从设计的流向市场，要经历工艺生产，硅片级测试，封装，老化测试等环节，而每个大环节中又包括许多的小环节；并且在整个流程中所涉及的学科范围很广泛，包括物理，化学，机械，自动化，材料等。9,10这些环节都是串行下去的，因此如果一个小环节出现问题，无论人为因素还是非人为因素都能导致这条生产线上的器件出现失效问题，这就无形中增加了器件的成本，从质量上和价格上降低产品的市场竞争力。例如有人估计90nm 器件的一套掩模成本可能超过130 万美元。因此器件缺陷造成的损失代价极为高昂。对器件的失效分析，就是为了找出哪一个环节出
20、现的问题并导致的失效。由于一块器件最终形成涉及到很多学科，因此失效分析也是各种学科综合运用的过程。失效分析是通过对失效器件进行各种测试和物理，化学等试验，确定器件的失效模式；失效模式确定的越具体和越准确，对失效原因诊断的准确性和改进措施制定的针对性就越有指导价值。通过失效分析，特别是对现场使用的失效器件的分析，可以发现生产和管理上存在的许多技术方面的问题。通过对这些问题的反馈，一方面为产品试验提供理论依据和试验分析手段，另外一方面为技术部门，制造部门，质量管理部门，维修部门提供及时的科学依据，使生产技术得到改进。11最终达到消除失效，提名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
21、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系4 高生产和封装工艺水平，提高材料质量，同时提高器件的可靠性，减少器件流向市场的缺陷和时间，提高产品的经济价值和市场竞争力的目的。良好的失效分析，不应该停留在“售后服务”的形式上，而应该贯穿于产品的开发，制造和销售的全过程。它除了找出已发生的失效的原因并提出改进措施外，还应该提出有可能出现的新的失效，并提出相应的预防措施，为可靠性设计与新产品的研发提供先决条件。10,12失效工作也应该是系统化全方面，建立失效
22、分析数据库，将发生过的和预测中的失效模式，失效机理以及改进措施集中起来，这样一旦遇到相关或者相似的失效，就可以缩短失效分析和问题解决得时间。13在集成电路产业化，特别是塑封商业化的今天，这一点时间就决定了产品的成本和市场竞争力。11失效是集成电路产业的必然结果。在随着集成度的不断提高和工艺线宽的不断缩小，而出现新的失效；随着封装过程中所用的材料和封装形式的更新，而发生新的变化；据统计，随着集成电路每发展六年，是小分析的难度就提高一个数量级。14因此，失效分析是在集成电路严峻并长期存在的问题。1.2.2 封装失效分析国内外发展现状失效分析，作为可靠性技术的重要组成部分，伴随集成电路的出现而已经存
23、在很多年了。失效分析研究于20 世纪 40 年代始于美国，由于当时美国军用雷达处于故障状态的时间高达84%，促使他们开展电子器件和电子设备的失效研究，并且制定了相关的失效管理，失效鉴定和可靠性设计等方面的标准。前苏联，德国，英国，韩国，日本等国家也相继开展了失效分析的研究工作。到现在，国外的失效分析技术已经很成熟。国内的失效分析起步较晚,与 20 世纪 50 年代开始于军事方面的研究需求 ,运用范围比较窄。于70 年代开始 ,我国的失效分析开始进入实践阶段 ,运用于航空航天领域的失效研究。80 年代我国的失效分析研究取得了长足的进步 ,进入民用集成电路 ,扩大了运用范围 ,并相继制定了一系列相
24、关的失效标准。8,15-17自封装在国内发展以来，我国素有“世界封装工厂”之称，但是纵观国内每年封装排名前十的企业中，大多是外资或者合资企业，真正的本土产业少。而从封装的产品的形式来看，多数是DIP 等分立器件的封装，而真正的BGA，CSP等大型集成电路的封装少；从产品的寿命和质量上看，比国外和国内的外资企业封装的产品要差；据调查法国的SGS-THOMSON 公司可靠器件生产线封装时，公司的水汽含量内控标准是30ppm，实测值是 2ppm；国内调查了 20 个为卫星提供半名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整
25、理 - - - - - - - 第 8 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系5 导体器件的国内可靠性厂， 有 1/3 的生产厂不做内部水汽含量控制，这些容易导致器件在使用过程失效。国内产业在失效分析力度的不够是造成这些的原因之一。国内的失效分析，就失效分析设备的硬件水平来说，大多数硬件属于比较老式的分析仪器，少数研究所采用了较先进的分析仪器，但是毕竟没有大规模的运用，这样就限制了国内整体的失效分析的水平，在未来的新的失效分析设备的开发上，国内也落后于国外，例如SEM,SAM 等这样常用的分析设备，基本上还是靠国外进口；在失效分析管理上来说，国外很早
26、就建立各种器件失效和可靠性的相关标准来对器件的可靠性进行严格的保证，并且对每次进行的失效分析和所获得的相关失效模式，失效原因等都进行系统化管理，建立了庞大的失效分析数据库，而国内同样也建立一些失效和可靠性的相关标准，但是在失效管理上没有达到国外的水平，系统化，网络化也只是处于发展初期；失效分析软件作为失效分析的一种主要的辅助工具，也代表了失效分析的发展水平；国外的失效分析起步比较早，现在发展到比较成熟的阶段，有很多软件开发公司，各种应力分析软件，可靠性预测软件等品种繁多；国内的这方面起步比较晚，主要是靠进口国外的失效分析软件，并进行了一些自主开发，如航天502所，708所，清华大学等都相继开发
27、了一些软件；在国外各种可靠性和失效的学术交流进行很活跃，例如国际可靠性物理会议及国际可靠性与可维修性会议每年进行一次；就国内来说，随着我国失效分析技术的发展，相关的国际会议在我国的陆续的进行，国内的学术交流也在逐渐的形成一个良好的氛围，但是仍然处于初步发展阶段。11, 17, 18-23在集成电路不断发展，电路的集成度的不断提高，工艺的线宽不断减小的今天，器件的缺陷会变得的更小，达到纳米的数量及；新的封装新式的出现，倒装片要求非破坏性和背部探伤的失效分析技术的发展与完善；新的工艺材料和封装材料的引入，会引入新的失效和缺陷；等等。24-26在未来发展的过程中，无论是失效根源的查找，还是失效的预防
28、，还是可靠性设计方面，要真正的发展我国的封装产业，并建立“世界封装厂” ，失效分析技术扮演的角色越来越重要。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系6 第二章微电子封装失效分析2.1 封装失效的概述电子信息技术是当今新技术革命的核心，其技术基础是电子元器件，其中大部分的是微电子器件。目前微电子产业已经相对独立为设计，制造，封装这三个方面。在这三方面中，封装占了大约25-35的比重，并且随着微
29、电子产业的发展，占的比重越来越大。在这些元器件流向市场，并到最终运用过程中，封装起着巨大的作用，输入输出互连，保护和散热都是这些作用中的一部分。封装用的材料众多，材料与材料之间的性能也各有差异，这些性能的失配将在使用过程中产生各种应力，并导致元器件的相关封装失效。在目前微电子产业中，元器件的失效至少有1/3 都是由封装引起的。随微电子产业的发展，元器件朝着高密度化，轻型化，小型化，薄型化的方向发展，封装中常见的一些失效使封装就成为这个发展的瓶颈。了解这些封装失效的原理和分类，对进行封装失效的研究，提高产品的可靠性是很有帮助的。2.1.1 失效的定量判据元器件在使用过程中具有可靠性，是指元器件在
30、规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。规定的条件，是指元器件在规定的时间内可能遇到的所有环境条件和工作状况等。规定功能，是指确定产品工作正常还是不正常的条件，判断产品好坏的依据。因此，电子元器件的失效，是指其在规定时间内和规定条件下不能正常的工作或者工作时的电学性能和物理参数不能达到预期的标准。事物好与坏的判别必须要有标准去衡量，同样判别电子元器件的失效与否是由失效的判别标准 -失效判据确定的。 失效判据是质量和可靠性的标准，有时也有成本的内涵。它应该是系统的可靠性设计方法，供需方，生产研发方及各检查部门统一的标准。所以电子元器件失效不仅指功能的完全丧失，而且指电学特性或物理参数降低
31、到不能满足规定的要求。总之，根据失效判据确定，当电子元器件达不到要求时就称之为失效。简言之，产品失去规定的功能称为失效。电子元器件失效的定量判据，由于生产研发方和使用方所处的角度不同就有不同的定量标准：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系7 (1)电子元器件失效不仅指功能的完全丧失，而且指电学特性或物理参数降低到不能满足规定的要求。 功能是否存在作判据， 无功能的是失效， 如短路和开路
32、。有功能，但电特性或物理参数降低到不能满足规定的要求，也是失效。电学特性参数超出或达不到元器件产品手册的电学特性参数指标要求，就判为失效。电子元器件的物理参数：如各种尺寸(材料，涂镀层，粘结，键合，装配，机械损伤，缺陷)；各种污染 (多余物，水汽和封装内气体，金属间化合物)；力学参数(剪切强度，引线拉力，应力，疲劳)；等等。当元器件的物理参数达不到各种标准规定指标的要求时，就判为失效。 (2) 对用户的特殊订单，如对某些电学特性或物理参数有加严标准或指标时，按生产和用户双方或几方事先协商确定的定量数值作判据。 (3)电子元器件失效的定量判据的另外一个方面就是使用方。在国家军用标准GJB/Z 3
33、5-93元器件降额准则和GJB 4041-2000航天用电子元器件质量控制要求规定的降额量，当电子元器件的降额参数值在规定的降额等级中，超出降额参数值则判为失效。使用方依据的是寿命终止设计极限。寿命终止设计极限是元器件在设计环境中和使用期内，其电学参数预期变化。参数的变化一般以超过规定的最小值或最大值的百分比表示，电路设计时应考虑在系统寿命期内，允许这些变化。2.1.2 失效的分类1. 失效的不同分类按不同的划分标准，电子元器件的实效分类也有很多。按失效的场合划分：现场失效和试验失效。按失效的性质划分有： 致命失效与非致命失效； 完全( 严重) 失效与局部 (轻度)失效。按失效的性能变化划分：
34、突发失效漂移性(渐变) 稳定失效与间歇失效。按失效率浴盆曲线划分有：早期失效，偶然失效与耗损失效。按失效发生的起因阶段划分有：制造( 工艺 )失效，设计失效，误用失效及系统性失效。按失效的起源划分有：自然失效与人为失效。按失效的关联划分有：关联失效与非关联(独立)失效，首次失效与二次失效。下面介绍在电子元器件的失效物理与失效分析中，常用的失效类型。(1). 从失效率浴盆曲线区分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 48 页 - - - - - - - - -
35、成都工业学院电气与电子工程系8 在大量电子元器件的使用及试验中，获得了大量失效率(t)(元器件在 t 时刻尚未失效，在 t 时刻后的单位时间内发生失效的概率) 和时间的关系曲线， 因其形状像浴盆故得名为浴盆曲线。如图2-1 所示，就是浴盆曲线的图片。早期失效是浴盆曲线的盆边， 失效率较高， 早期失效的失效因素较简单， 有一定的普遍性。不同批次，不同晶体，不同工艺的元器件其早期失效的延续时间，失效比例是不同的。严格的工艺操作和工序检验， 可以减少这个阶段的失效。 给予适当的应力，进行合理的筛选，可使元器件在正式使用时早把早期失效的元器件剔除掉，使元器件的失效率达到或接近偶然失效的较高可靠性水平。
36、这也是元器件生产厂及使用方进行例行筛选试验的目的。显然试验时间过长，施加应力过大，又会损坏元器件的平均寿命 ( 元器件失效的平均时间 )。浴盆曲线的盆底平坦段是偶然失效阶段。此阶段失效率低且变化不大，近似为常数，是元器件较好的使用期。偶然失效时电子元器件中多种不很严格的偶然失效因素发生的失效。耗损失效时电子元器件由于老化，磨损，损耗，疲劳等带有一定全局性的原因造成的失效。 此时元器件进入严重的损伤期， 失效率随时间的延续而明显上升。(2). 失效按性质及性质变化区分 致命失效致命失效是指电子元器件完全丧失规定功能而无法恢复的一类失效。例如: 膜电容器或 MOS 电容器的瞬时电击穿，导致极间形成
37、短路，使电容器完全丧失功图 2-1 浴盆曲线能且不能恢复。 漂移性失效名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系9 元器件的一个或某些基本参数发生漂移，退化性变化超过规定值，以致不能完成规定功能的失效，如电阻器的阻值变化超过允许范围，半导体器件反向漏电流超差，连接器或开关等接插件的接触不良，在规模集成电路中MOSFET 的阀值电压退化等。 间竭失效元器件在使用或试验过程中呈现出时好时坏的一类
38、失效。如：元器件的封壳内混有导电性的多与无颗粒及表面的沾污会引起瞬时的段，断路。元器件的接点虚焊也会引起间竭失效。(3). 失效的起源和失效的场合 人为失效属于人为的使用，操作所引起的元器件失效，其中使用失效时在元器件使用时由于超过其规定能承受的应力所引起的失效。而误操作失效是由于错误或不小心操作而发生的失效。例如，使用时加在器件上的正负电极接错属于无操作，由此引起失效为误操作失效，也就是人为失效。又如，加在元器件上电负荷超过规定引起失效属误用失效，也属于人为失效。 现场失效元器件在现场使用或工作时发生的失效。 试验失效元器件在施加一定应力条件的试验时引起的失效。(4). 失效的关联性在失效分
39、析时，区别非关联失效和关联失效是很重要的。在分析失效的成因及元器件在可靠性的改进措施中，必须将这两类失效区分开来。 非关联失效或独立失效它们是按失效是否与系统中其他器件的影响有关而区分的。非关联( 独立) 失效是元器件失效是元器件失效，由其本身原因造成，和系统中其他元器件，部件等的影响无关。例如：电容器在规定的工作条件和时间内因电解质的烧化引起电解老化失效。 关联失效或从属失效元器件的失效是其他部件先失效而引起的一种连带失效。例如，电容器本身工作没有失效，但因电路中其他部分的失效，如稳压部分失效，引起加在电容器上的两端电压大大超过其额定值以致产生击穿失效。这种电容器失效是关联失效名师资料总结
40、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系10 或称从属失效。2. 环境应力与封装失效随着信息技术革命的到来，人类社会经历了农业，工业社会后进入了信息社会。由于电子产品的广泛使用( 已遍及人类可以直接活动到或间接活动到的所有领域) ，产品中的电子元器件一旦制造出来，从筛选，库存，运输到使用，维修的每时每刻都会受到各种应力的作用，致使元器件的物理，化学，机械和电学性能不断的发生变化。元器件承受的环境应力可以
41、分为如下几个方面： 气候环境应力：温度范围，湿度，气压范围，酸雨，盐雾，尘埃，日照及其他腐蚀性气体环境。 机械环境应力：振动 ( 包括变频振动 )，冲击，碰撞，离心加速度等。 生物及化学环境应力 : 昆虫，霉菌等，酸性及碱性环境，如：工业大气环境，二氧化硫，化学溶剂侵蚀等。 电应力：电压，电流，功率，静电感应，浪涌电平，电磁场，电热效应等。 辐射应力：电磁辐射，中子，质子，射线，高能电子， 粒子等。实际上，作用于元器件上的应力不是单一的，是多种应力的综合效应。例如，器件的二次击穿失效模式其机理认识不同，有的人认为是电应力，有的人认为是热电应力。又如，由静电放电使存储集成电路失效，在冬天和夏天就
42、有差别，这是静电应力与气候环境的湿度应力同时作用的结果。环境条件的综合应力对可靠性的影响是很明显的。实际使用环境中的失效率(每小时元器件的失效数 ) 比实验室较单纯条件中的失效率有大幅度提高。若将实验室环境的失效率规定为1，在室内归一化失效率接近于10，飞机的归一化失效率约为几十，而导弹的归一化失效率约为几百。各种环境应力影响电子元器件的失效特征和原因。这将是电子元器件失效物理和失效分析的研究内容。提出电子元器件失效物理和失效分布的研究内容，提出电子元器件对环境应力的耐力，使时代技术进步的要求， 也是电子元器件设计，制造，管理，检测等各类从事人员的使命。3. 材料的结构与封装失效电子元器件由各
43、种材料构成，其性能各异，在不同的环境及工作条件下，它们的失效情况及时间的关系千差万别。因此，有必要了解材料的结构性质，应力名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系11 与失效之间的关系。(1) 材料结构的敏感性自然界中大多数的固态物质是晶体，有些是单晶体，而多数是多晶体。另有一类固体物质既无一定外形，也无确定的熔点，称为非晶态物质或无定形物质。反映固体材料物质的参数，在结构上大致有钝感和敏
44、感之分。凡宏观物质上不受内部结构的微小差异所影响的性质叫做结构钝感性。如：比重，弹性系数，比热，热膨胀系数等。 凡具有易受内部结构的微观变化(杂质，晶格缺陷，裂纹等 )所影响的性质的叫做结构敏感性。如：屈服强度，塑性形变，断裂，电导率等。结构敏感性是导致失效，退化发生的主要因素，失效是由结构上最薄弱的环节引起的。元器件材料的退化总是先从微观结构开始的，而性能测量数据却是代表整体的，不能把握微观的变化状态。因此，为了预防致命失效的突然发生，对于元器件材料的特性值，要从失效物理角度加以充分研究，以便选择出那些对退化敏感的，能预测失效的参数。此外，还要努力寻求新的观测手段。(2) 晶体结构与性能分子
45、或晶体所以能稳定存在，是因为原子间有相互作用。这种作用有主次之分，当相邻的两个或多个原子之间存在着主要的和强烈的相互作用时，则它们之间就形成了化学键。化学键的强弱用键能表示。键能越高，则化学键越强，分子越稳定。化学键键的键型与键能是决定物质性质的关键因素。分子与分子间还存在着一种较弱的相互作用，通常叫作分子间作用或范德华力。气体分子凝聚成液体和固体主要靠这种作用力。分子间作用力的大小也不同程度地影响着物质的物理化学性质，特别是决定着物质的熔点，沸点，溶解度等性质。(3) 晶体缺陷在实际晶体中，或多或少存在某些偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的许多性能有着及其重要的影响，与晶体的
46、凝固，扩散等过程有很大的关系。特别是对塑性形变，强度和断裂等起决定性作用。现实的材料是非平衡的有缺陷的结构，而晶体缺陷又不是静止，稳定地存在着的，它们可以随条件的变化而产生，发展，运动并相互作用，有时会合并或消失。晶体缺陷按几何形状可分为点缺陷，线缺陷 (位错) ，面缺陷(如堆叠层错等 ) 。这些缺陷对材料的性能产生重大的影响，可以通过显微镜直接观察到这些缺陷，以便进行有效的分析。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 48 页 - - - - - - - -
47、- 成都工业学院电气与电子工程系12 (4) 材料的形变与破坏材料往往要经受拉伸，弯曲，扭转，压缩等作用。在自然界中，有极易破坏的脆性物质，如石膏；也有像橡胶那样拉伸度大，直至断裂前仍处在弹性范围内的物质；还有如金属类物质，它们遵循虎克定律，有弹性区域，一旦超过此区，再进行拉伸，就会导致断裂。在应力不变的情况下，材料往往会随时间逐步缓慢地形变，这样的形变叫作蠕变。这类形变，随应力，温度的增加达到破坏的程度越快。它们之间的关系服从阿列里乌斯反应速度公式。蠕变，有一次蠕变，二次蠕变和三次蠕变。这些不同阶段的蠕变是加工的硬化和软化两者相互平衡的结果。在一次蠕变中，硬化的比率增多，软化的比率减少；而在
48、二次( 常态) 蠕变中这两者大致相同。对于三次蠕变，由于晶粒交界处有裂缝，材料形状呈蜂腰状等缘故，促使软化速率增加，伸长率增大，以致最终发生断裂。若对材料施加循环变化的机械应力，便会发生因疲劳而导致的断裂。即使循环变化应力比起静载荷的断裂应力来得小，且还在弹性极限之内，也往往会使材料破坏。影响疲劳寿命的因素除材料组分外，还有试样的形状，表面处理，加工条件等。疲劳损害本质上塑性形变的结果。另外，不单是机械应力，热循环应力同样也会引起疲劳损害。断裂，作为一个结构敏感的物理量，其发生的形式因固体的内部或外部状态，载荷，环境，经历等而有所不同。若按应力施加方式分类，则有象拉伸一类的静断裂；由循环应力引
49、起的疲劳断裂；由冲击应力引起的冲击断裂，以及由长时间加固定应力而产生的蠕变断裂等。此外，还有不是因塑性形变引起的，而是由裂纹近似于音速急剧扩展所致的脆性断裂，以及在塑性形变相当大之后，由于塑性形变的能量促使裂纹渐渐扩展而成的黏性断裂，即延展性断裂，还有经历一定时间后发生的滞后断裂。如在水分多的地方放置着施加外力的金属，在端头钩形部分便产生应力集中，氧原子集中，进而脆变损坏。滞后的时间是度量的依据。由于强度是结构敏感量，因而断裂亦与空间，时间有关。假如认为裂纹是由微小缺陷发展而成， 那么，对应于这样的发展过程， 断裂则可用最弱环 ( 最大缺陷 )模型，反应论模型或泊松分布等寿命分布来描述。2.1
50、.3 封装失效分析的流程为了提高微电子产品的可靠性，就应研究生产封装失效的原因。通过失效模式的确定，深入分析失效的机理，讨论并提出防止失效的方法。所以失效分析的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 48 页 - - - - - - - - - 成都工业学院电气与电子工程系13 一般路程： 数据的收集与分析。 在完成现场失效数据收集报告和使用者报告后，从失效元器件所处的产品的使用环境，工作条件，及它与产品中其他组件的功能联系，较准确的判断失效根源所在。 失效现象