超声扫描显微镜-三极管内部失效分析
（新编）三极管失效
三极管失效机理 (2009-08-13 16:00)分类：照明知识失效模式节能灯损坏、寿命短的主要原因是大功率开关三极管的失效。
通过对失效功率管的解剖分析，绝大多数失效管属发射结烧毁短路。
用显微镜观察解剖的失效管子时，可以见到在发射区焊位附近有明显的烧毁发黑斑点（参见图1）。
这是典型的烧毁现象。
三极管工作时，由于电流热效应，会消耗一定的功率，这就是耗散功率。
耗散功率主要由集电极耗散功率组成：PT≈VceIc即PT≈PCM 我们知道，三极管的工作电流受温度的影响很大。
PN结的正向电流与温度的关系为：I∝e－(Eg－qV)/kT 当三极管工作时，耗散功率转化为热，使集电结结温升高，集电结结电流进一步加大，会造成恶性循环使管子烧毁。
这种情况叫热击穿。
使管子不发生热击穿的最高工作温度定义为最高结温。
硅材料PN结的最高结温是： Tjm=6400/(10.45＋lnρ) 另一种情况，当管子未达到最高结温时，或者未超过最大耗散功率时，由于材料的缺陷和工艺的不均匀性，以及结构原因造成的发射区电流加紧效应，使得三极管的工作电流分布不均匀。
当电流分布集中在某一点时，该点的功耗增加，引起局部温度增高，温度的增高反过来又使得该处的电流进一步增大，从而形成“过热点”，其温度若超过金属电极与半导体的共熔点，造成三极管烧毁。
另一方面，局部的温升和大电流密度会引起局部的雪崩（击穿），此时的局部大电流能使管子烧通，使击穿电压急剧降低，电流上升，最后导致管子烧毁。
这种情况就是所谓的二次击穿。
三极管二次击穿的特性曲线如图2所示[1]。
二次击穿是功率管失效的重要原因。
为保证管子正常工作，提出了安全工作区SOA的概念。
SOA示意图如图3所示，它由集电极最大电流Icm线、击穿电压BVceo线、集电极最大耗散功率Pcm线和二次击穿功耗Psb线组成。
由于使用时工作电流和最大电压的设计都不会超过管子的额定值，因此，正常情况下，集电极耗散功率和二次击穿特性就是造成管子失效烧毁的主要因素。
三极管的损坏机理分析
三极管的损坏机理分析半导体三极管的损坏[摘要]三极管的损坏, 主要是指其PN结的损坏。
按照三极管工作状态的不同, 造成三极管损坏的具体情况是: 工作于正向偏置的PN 结, 一般为过流损坏, 不会发生击穿; 而工作于反向偏置的PN 结, 当反偏电压过高时, 将会使PN 结因过压而击穿。
[关键词]三极管; 击穿; 偏置NPN型三极管I CI E半导体三极管在工作时，电压过高、电流过大都会令其损坏。
在课堂上我们了解到，其实三极管被击穿还不至于到损坏，但其击穿后功率过大、温度过高会令三极管烧坏。
下面，我们将对每一种可能的情况进行探讨、浅析。
从半导体三极管的内部结构来看, 它相当于两个背靠背的PN 结(即发射结和集电结)。
这两个PN结, 对于PN P 型三极管来讲, 相当于两只负极在一起的二极管, 如图1 所示; 对于N PN 型三极管来讲, 相当于两只正极在一起的二极管, 如图2 所示。
SJTU图1PN P 型三相管图2N PN 型三相管而其实三极管的损坏，一般是由于二极管的PN结损坏构成的。
在不同的工作状态下, 发生损坏的情况与这两个PN 结的偏置情况有关。
总的来讲, 工作于正向偏置的PN 结, 当通过的电流过大时, 将会使它的功率损耗过大而烧坏, 但由于正向偏置的PN 结两端电压很低(锗PN 结约为0. 2V 左右, 硅PN结约为0. 7V 左右) , 故此时不会使PN 结发生击穿; 而工作于反向偏置的PN 结, 当反偏电压过高时, 将会使PN 结击穿, 如击穿后又未限制流过它的反向击穿电流, 将会使击穿成为永久性的、不可逆的击穿, 从而造成其彻底损坏。
在这里，我们先介绍一下三极管的各种参数:主要了解三极管的3个极限参数：Icm、BVceo、Pcm即可满足95%以上的使用需要。
1. Icm是集电极最大允许电流。
三极管工作时当它的集电极电流超过一定数值时，它的电流放大系数β将下降。
为此规定三极管的电流放大系数β变化不超过允许值时的集电极最大电流称为ICM。
失效分析项目
失效分析项目
项目参考标准检测目的
光学显微镜检测
观察样品外观，表面形状、芯片裂缝、沾污、划伤、
氧化层缺陷及金属层腐蚀等，测量尺寸及观察功能。
X-RAY检测观察焊线，装片，空洞等
*超声波扫描显微镜
检测
JEDEC J-STD-035-1999 用来检测界面分层，塑封体的空洞、芯片裂缝等JUNO测试机检测
二、三极管；数字晶体管；稳压管等半导体器件的电
性测试
*半导体特性图示仪
检测GB/T 13973-2012
确认失效模式和失效管脚定位，识别部分失效机理，
与失效管与与同批次好品曲线有任何差异需要引起
注意。
封装级定位（TDR）检测TDR是通过测量反射波的电压幅度,从而计算出阻抗的变化; 同时,只要测量出反射点到发射点的时间值,就可计算出传输路径中阻抗变化点的位置。
主要用来失效点定位、阻抗测量、OS测试等等。
封装开封检测
LASER开封：用来减薄塑封体的厚度、保留管脚
手工开封：用湿法开帽暴露内部芯片、内引线和压区芯片探针台检测探针测试芯片，观察芯片的电参数或特性曲线
封装弹坑测试去除焊线及压区金属层，观察压区情况
封装截面分析检测-离子研磨系统对样品截取适当的观察面观察焊点结合情况，分层，void等
扫描式电子显微镜检测JY-T 010-1996
观察芯片表面金属引线的短路、开路、电迁移、氧化
层的针孔和受腐蚀的情况，还可用来观察硅片的层
错、位错及作为图形线条的尺寸测量等。
EDX确认样品表面成分。
芯片去层（RIE）检测主要用于解决芯片多层结构下层的可观察性和可测试性。
晶圆封装失效分析项目
失效分析项目
项目参考标准检测目的
光学显微镜检测
观察样品外观，表面形状、芯片裂缝、沾污、划伤、
氧化层缺陷及金属层腐蚀等，测量尺寸及观察功能。
X-RAY检测观察焊线，装片，空洞等
*超声波扫描显微镜
检测
JEDEC J-STD-035-1999 用来检测界面分层，塑封体的空洞、芯片裂缝等JUNO测试机检测
二、三极管；数字晶体管；稳压管等半导体器件的电
性测试
*半导体特性图示仪
检测GB/T 13973-2012
确认失效模式和失效管脚定位，识别部分失效机理，
与失效管与与同批次好品曲线有任何差异需要引起
注意。
封装级定位（TDR）检测TDR是通过测量反射波的电压幅度,从而计算出阻抗的变化; 同时,只要测量出反射点到发射点的时间值,就可计算出传输路径中阻抗变化点的位置。
主要用来失效点定位、阻抗测量、OS测试等等。
封装开封检测
LASER开封：用来减薄塑封体的厚度、保留管脚
手工开封：用湿法开帽暴露内部芯片、内引线和压区芯片探针台检测探针测试芯片，观察芯片的电参数或特性曲线
封装弹坑测试去除焊线及压区金属层，观察压区情况
封装截面分析检测-离子研磨系统对样品截取适当的观察面观察焊点结合情况，分层，void等
扫描式电子显微镜检测JY-T 010-1996
观察芯片表面金属引线的短路、开路、电迁移、氧化
层的针孔和受腐蚀的情况，还可用来观察硅片的层
错、位错及作为图形线条的尺寸测量等。
EDX确认样品表面成分。
芯片去层（RIE）检测主要用于解决芯片多层结构下层的可观察性和可测试性。
失效分析技术在开关电源质量鉴定中的应用
ＣＬ Ｃ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ： Ｔ Ｎ ８ ６
Ｄ ｏ ｃ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｄ ｅ ： Ｂ
Ａｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｉ Ｄ： １ ０ ｏ ３ — ０ １ ０ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ 一 Ｏ ０ １ ７ — １ ６
１背景技术
失效 分析常 借助 电学分析 及物性 分析 手段进 行失 效点定位查找及失效机理分析 。 针对集成 电路芯 片以及
对送检样 品 Ｐ Ｃ Ｂ Ａ组件进行外观检查 ， 未发现 电路
板及其元器件有击穿 、 破损等异常现象 。
一
片能输 出脉宽调制信 号（ Ｐ Ｍ 的电源管理芯片。 该文从 电学 分析角度和物性分析手段对 电源电路板
进行失效分 析 ， 分析发现元件 ｕ ２ 以及三极 管 Ｑ １ 电学功 能正常 ， 但 ｕ ２ 及Ｑ １内部芯 片与塑封料界 面
有分层现象 。
关键词 ： 开关电源 ； 脉宽调制信号 ； 分层
号； 物性分 析手 段 ， 常 用 的非破 坏性 的有 ｘ — ｒ ａ ｙ 透 视及
超声波扫描显微技术 。 破 坏性物理分析常用手段有化学 开封技术（ Ｄ ｅ — ｃ ａ ｐ ） ， 扫描 电子显微镜 内部 观察 ， 金相切 片
分析等手段 。本文借助 上述先进 的技术 手段 ， 逐步失 效 定位 ， 然后分析其失效 机理 。上述分析 手段可进行 电路 板级 和芯片级失效分析 ， 高效 、 实用地应用 于各类 电子 、 电气产品 的质量鉴定 。
Ｌ ｉ ｕ Ｃ ｏ ｎ ｇ － ｊ ｉ ａ ｎ （ Ｆ Ａ Ｌ Ａ Ｂ Ｊ ｕ ｄ ｉ ｃ ｉ ａ ｌ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ ２ １ ５ ０ ２ ４ ）
半导体器件键合失效模式及机理分析
半导体器件键合失效模式及机理分析范士海【摘要】This paper analyzed the effect of non-proper wire bonding process and packaging process on wire bonding failure by typical FA cases.Through detailed analysis of influential factors of wire bonding process parameter and environmental factors of packaging,and the summary of failure mode of wire bonding,the intrinsic failure mechanism of wire bonding caused by non-proper wire bonding process and packaging process is posed,and the using measures to control devices with defects are proposed,too.%本文通过对典型案例的介绍,分析了键合工艺不当,以及器件封装因素对器件键合失效造成的影响.通过对键合工艺参数以及封装环境因素影响的分析,以及对各种失效模式总结,阐述了键合工艺不当及封装不良,造成键合本质失效的机理;并提出了控制有缺陷器件装机使用的措施.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】9页(P54-61,65)【关键词】键合工艺;半导体器件;键合失效;本质失效【作者】范士海【作者单位】航天科工防御技术研究试验中心,北京 100854【正文语种】中文【中图分类】TN405.96引言半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接的重要作用。
集成电路器件的检测与失效分析
集成电路器件的检测与失效分析摘要:集成电路产业是现代电子信息产业的基础和核心。
随着全球信息化、网络化和数字经济的迅速发展，集成电路产业在国民经济中的地位越来越重要，已成为支撑中国发展的战略物资，是国家实力竞争的战略制高点。
它以无穷的变革创新和极强的渗透力，推动着信息产业的快速发展。
集成电路行业中上游的对外依赖度长期居高。
本文主要就集成电路器件的检测与失效进行了分析。
关键词：集成电路器件；检测；失效引言各行各业的发展已经离不开集成电路的支持，而时代也朝着信息化的方向发展，随着集成电路的不断创新，其稳定性也应当随之不断上升，因此加强对集成电路的检测具有重要意义，对其失效分析流程的掌握具有重要作用。
1集成电路检测的特点在检测集成电路的失效情况前，首先要了解集成电路的内部组成结构，基本电路的走向也需要工作人员有效掌握，包括引线引脚走向、引脚波形状态等等，同时也需要确定各项参数，防止引发各项引脚短路等情况。
在采用示波器测试波形或者带电测量集成电路时，要避免出现短路的情况，采取规范化的操作方式测量外围电路。
而在测试过程中则要保证各个焊点的牢固性，切记不可出现虚焊的情况。
而在焊接过程中所采取的方法，务必要科学准确，以此完成内热式烙铁。
完成焊接作业以后，要在相应的条件下才可通电测试，首先要保证焊接牢固且没有短路的情况，才可以通电。
在应用接地设备测试时必须要有无隔离变压器。
在具体测试集成电路过程中，工作人员并不了解设备的实际性质，如果不采取正确方式，电路很容易出现短路，导致其他器件受到影响。
而对于电烙铁，则需要采取绝缘操作法，切记不可带电完成操作，要确保电烙铁的绝缘性。
尤其是MOS电路焊接，工作人员一定要按照流程标准开展焊接作业。
如果集成电路出现损坏，也要结合具体情况给出结论。
这主要是由于集成电路在常态下处于耦合状态，如果各个电路发生改变，这种结果也会发生改变，但电路实际可能没受到影响。
同时也要关注电路的实际散热情况，掌握散热器的运行情况。
声学扫描显微镜在塑封器件失效分析中的应用
2020.16测试工具声学扫描显微镜在塑封器件失效分析中的应用陈美静，赵海龙，黄杰(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北石家庄，050000)摘要：为了适应高可靠性领域的要求，本文重点介绍了声学扫描显微镜的工作原理。
同时，用声学扫描检测技术对经历温循后失效的某型号塑封稳压器进行了无损失效分析,准确而高效地找到了失效部位和失效原因。
关键词:塑封器件；声学扫描显微镜；失效分析Application of acoustic seanning microscope in failure analysis ofplastic packaging devicesChen Meijing,Zhao Hailong,Huang Jie(The13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,ShijiazhuangHebei,050000)Abstract订n order to meet the requirements of high reliability,this paper mainly introduces the working principle of acoustic scanning microscope.At the same time,the acoustic scanning technology was used to analyze the failure of a certain type of plastic sealed pressurizer after temperature cycling,and the failure location and failure reason were found accurately and efficiently.Keywords:plastic packaging device;acoustic scanning microscope;failure analysis0引言塑封器件(PEMs)是指用树脂类聚合物材料封装而成的半导体器件，具有成本低、重量轻、尺寸小以及机械坚固性好等优点。
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CHINA ELECTRONICS TECHNOLOGY GROUP CORPORATION 说明：本次扫描换能器选用 15MHz 和 30MHz
A 扫描-是探头接收到的示波器显示，是将探头 聚焦在器件上某一点所取的波形，它是 创建和解释图像的基础。
C 扫描-通过聚焦并收集一个样品上特定的一个平面 上的信息创建出来的，是对样品截面的扫描。
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无缺陷
正波形，无 缺陷
器件前 表面
上面左图 1 点 A 波形
上面左图 2 点 A 波形
相位反转， 存在缺陷
上面左图 3 点 A 波形
相位门
相位反转， 存在缺陷
上面左图 4 点 A 波形
上面右图 1 点 A 波形
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伪彩色
基板上表面波形 数据门
超声波由基板进入塑封体， 因此存在反转现象
前表面门
上图 1 点 A 波形
二、器件 BT139X
芯片上表面
上图 2 点 A 波形
分层缺陷
上图 3 点 A 波形
芯片上表面 C 扫描图像，图中可看到 明显的分层缺陷
相位扫描图像 红色和黄色表面存在分层缺陷
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一、器件 BTA208X
点胶边缘 ，非缺陷
芯片上表面 C 扫描图像，无明显缺陷
数据门
前表面门
伪彩色图像
正波形， 无缺陷
上图中 1 点（芯片上表面）A 波形
上图中 2 点 A 波形
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正常波形
上图 1 点 A 波形
正常波形
上图 2 A 波形
上图 4 点 A 波形
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引线框与塑封料的结合面
正波形，无缺陷
上图 1 点 A 波形
样品名称 样品数量 检测要求
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样品及测试信息
三极管
BTA208X
2个
BT139X
3个
内部分层、裂纹、夹杂、气泡等缺陷情况
BTA208X 器件照片
BT139X
设备生产商 测试地点
上面右图 2 点 A 波形
背面基板表面 C 扫描图像，不存在缺陷
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上图 1 点 A 波形
上图 2 点 A 波形
上图 3 点 A 波形
分层缺陷
芯片粘接面 C 扫描图像，粘接面良好， 颜色发亮区域存在明显的分层现象
相位扫描图像，将缺陷用颜色进行标注
分层缺陷
上图 2 点 A 波形
用相位扫描将缺陷位 置标注颜色
器件背面基板表面的 C 扫描图像
相位反 转，表面 存在分 层缺陷
相位扫描图像
正波形， 无缺陷
上图中 1 点 A 波形
上图中 2 点 A 波形
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芯片粘接面
上层的分层 造成的阴影
芯片粘接面 C 扫描图像，颜色变化 表明材质不均匀，并不存在分层缺陷