防静电技术及失效分析

C2 125 ~ 249
C3 250 ~ 499
C4 500 ~ 999
C5 1000 ~ 1499
C6 1500 ~ 2999
C7 ≥ 3000
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封装的失效分析
1. 失效分析的目的 找出失效原因 制定改进措施 （从设计、制造和使用方面） 提高产品质量和成品率。
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失效分析程序： （1） 记录失效现象 （2） 鉴别失效模式 （3） 描述失效特征 （4） 假设失效机理 （5）证实：从正、反两面证实失效机
静电甚敏感器件 1级 0 ~ 1999
0级 0 ~249 1A 250 ~499 1B 500 ~999 1C 1000 ~1999
静电敏感器件
2级 2000 ~ 3999
静电中等敏感器件 3级 4000 ~ 15999
非静电敏感器件
≥ 16000
2级 2000 ~3999 3A 4000 ~7999 3B ≥ 8000
孔洞等很敏感。
快速：可作在线检测（对PQFP、 PBGA）等塑封器件; 可作分层和垂直断
面等多种分析
20
声学扫描显微镜之一 21
声学扫描显微镜之二
22
声扫描显微镜原理
23
24
4
25
26
27
28
3. X射线图像显示 非破坏性，透视内部结构完整性。 高放大倍数（可达2000≅），高分辨率 （2.0µm）。 对塑封器件和PCB最有效。
2
标准对电流波形 （电能量），引线端连
接方式，放电次数等试 验方法都有详细规定。
图1 HBM模型中测试器件ESD灵敏度的等效电路 这是一个较成熟的、最常用的模型。
3
（3） 人体模型（HBM）的有关标准 目前以人体模型来测试静电敏感器件的静电放电
灵敏度（ESDS）的标准有两种： 一是军标，美国是MIL-STD-883D，方法3015.7；
43
5. SEM 扫描电镜 高效大倍数图像显示及成分分析
45
BGA焊点裂纹局部放大
47
44
BGA焊点裂纹
46
芯片焊层疲劳裂纹
48
8
能谱仪成份分析
s-01
Nf =7000次，底盘镀镍层拉脱
49
Element kRation --ZAF-- Weight% -Atom%-
Ti
0.00047 0.7302
5
表3 各类微电子器件典型的静电放灵敏度范围
序号 1 2 3 4 5 6 7
类型 V MOS H MOS EPROM GaAsFET MOSFET JFET C MOS/N MOS
静电破坏电压（V） 30 ~ 1800 50 ~500 100 ~1500 100 ~ 300 100 ~200 140 ~700 250 ~ 4000
（3）MM ESDS电流波形（RL＝0Ω），（ESD-S5. 21994）
9
10
（4）MM ESDS电流波形（RL＝500Ω），（ESD-S5. 2-1994）
11
2、机器模型（MM）
模拟机器设备所带静电荷通过电子器件放电。模型核心内 容为200pF电容通过0Ω电阻对器件管脚放电。同样电压
下，放电电流比人体模型大。不是单峰衰减，而是多峰阻 尼振荡衰减。MM模型下元器件的ESD灵敏度分类见下
注：由于抗静电破坏技术的进展，器件抗ESD电压也在不断提高。
7
图2 HBM、MM、CDM三类模型静电放电灵敏（ESDS） 分类测试电流波形比较
（1）HBM ESDS电流波形（MIL-STD-883D 3015.7）
8
（2） CDM ESDS电流波形
Tr50 达到半高的上升时间 Td 半高波形宽度
Ip 峰值电流
表。 级别
静电敏感电压范围（V）
M1
< 100
M2
100 ~ 199
M3
200 ~ 399
M4
≥ 400
12
2
3、带电器件模型（CDM） 模拟器件本身所带静电荷，通过其管脚与地或比
其电位低的物体放电。这时器件内的抗静电保护电路 不起作用！器件对这种ESD的灵敏高，耐压低。这种 ESD模型的形式多，有4种：
0.0579
0.1935
Ni
0.02954 0.8572
3.0875
8.4252
Sn
0.17988 0.6859 23.4921 31.7098
Au
0.79011 0.9647 73.3625 59.6715
50
6. 带录相或数码相机的光学显微镜
国外功率晶体管横截面结构
51
52
7. 激光（云纹）干涉仪
中国是GJB 548A-96A，方法3015A。 另一个是国际抗静电学会的EOS/ESD-S5.1-1993。
两者的具体分类标准见表2。
4
表2 HBM模型下两种标准的静电灵敏器件的ESDS分
名称
类
军标MILSTD883 方法3015
EOS/ESD-S5.1
级别 静电敏感电压(V) 级别 静电敏感电压(V)
按电荷产生方式：磨擦起电——在外壳上，接触式 感应起电——在外壳或体内，非接触式
按安装方式有带插座和无插座两种。
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表4 CDM的种类和CDM中元器件的ESDS分类
接触式：带插座（CS） 无插座（CN）
非接触式：带插座（NS） 无插座（NN）
级别
静电敏感电压范围 （V）
C1 0 ~ 124
C2 125 ~ 249
6
1
序号 8 9 10 11 12 13 14 15
类型 线性电路（运放） 肖特基二极管 ECL SAW SCR SL-TTL/S-TTL TTL/DTL/H-TTL 厚膜电阻
静电破坏电压（V） 180 ~ 2500 300 ~ 3000 500 ~ 1500 150 ~ 500 680 ~1500 300 ~ 2500 380 ~ 7000 300 ~ 3000
18
3
常用失效分析技术 常用的分析方法有电性能测试、结构分析、(表面
形貌、内部结构）、热分析、（热阻、热分布、热-力 分析、加速应力试验、理论计算和模拟）等。
1. 电性能测试：直流参数 交流参数 ESD试验：人体带电模型 机器带电模型 器件带电模型
寻找失效模式
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2. 声学扫描显微镜（ASM)
是非破坏性的检测、对分层、裂纹、
理，失效可实现重复； （6） 采取改进措施，新措施中是否
隐含新的失效因素。
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常用的失效分析技术
（1） 电性能测试和外观检验；
（2） X光透射检查仪； （3） 超声显微镜；非破坏性、可分层、A-SCAN 点扫描 、B-SCAN、截面扫描、C-SCAN、水平面 扫描； （4） 红外热像仪：温度分布，（需开盖！或封 盖前检查）； （5） 扫描电子显微镜（SEM）微区形貌； （6） 俄歇谱（Auger）；成分，成分深度分 布； （7） 莫尔干涉仪：形变和受应力情况； （8） 有限元分析 ： 热、热力
C3 250 ~ 499
C4 500 ~ 999
C5 1000 ~ 1499
C6 1500 ~ 2999
C7 ≥ 3000
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表4 CDM的种类和CDM中元器件的ESDS分类
接触式：带插座（CS） 无插座（CN）
非接触式：带插座（NS） 无插座（NN）
级别
静电敏感电压范围 （V）
C1 0 ~ 124
F14
无氧铜基板上（1/2）的等效应力分析
59
（1/2）
58
10
8. 有限元分析
管座
芯片 芯片 焊层
53
54
9
(剖面）
ϖT= 18.3℃
粘接层纵向温度
18.3 下降率 50
=
0.366
℃/
µm
55
56
底面温度梯度
ΔT Δx
=
75.2 − 60.5 0.7
≈
21 ℃/
mm
75.2 − 61.6 ≈ 27 ℃/ mm 0.5
57
应力集中于密封窗框的焊接区，上大下小，边上大中心小（宽焊接框，无槽，宽外沿）。 可伐/无氧铜结构中的关于X1对称面上的Mises应力等值图（单位MPa）
接触式——摩擦起电模型 非接触式——电场感应模型（FIM） ESD S5.3-1995 带插座模型 ESD DS5-3.1-1996 无插座模型 JESD 22-C101 场感应CDM微电子器件耐压测试方式
1
2、人体模型（HBM） （1）人体是最主要的静电源。 HBM模型主要是模拟人体所带静电对微电子器 件 ESD而可能产生的损伤。 （2）模型的核心是将人体用100pF电容和1.5kΩ 电阻的RC放电回路来模拟。
四、电子元器件ESD灵敏度测试分类的三个模型及有关标准
静电放电灵敏度（ESDS）是指会导致元器件失效 的静电放电电平。 1、三个模型及有关标准 （1）人体模型（HBM），MIL-STD-883D，
（GJB548A）方法3015.7
EOS/ESD-S5.1-1993 （2）机器模型（MM），ESD-S5.2-1996 （3）带电器件模型（CDM），
29
305Biblioteka 仪器外形之一基本技术
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检测结果举例
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键合引线和压焊块
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34
35
36
6
设备外形之一
4. 红外热像仪（Infra Scope） 可测工作状态下的芯片热分布，最高结 温，电流趋边效应。测量热阻，检测热 斑，验证管芯粘接情况等。 需开帽检测。
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达林顿管芯发热情况