封装可靠性及失效分析知识讲解
半导体器件可靠性与失效分析微电子ppt
02
失效分析
失效定义与分类
失效定义
器件无法完成其预定功能或性能恶化到无法接受的程度。
失效分类
功能失效和结构失效，按性质可分为软失效和硬失效，按物理效应可分为可恢复失效和不可恢复失效 。
失效分析方法
外观检查
电气测试
X射线检测
切片分析
化学成分分析
通过肉眼观察器件外观 是否存在明显的缺陷或 损伤，如裂纹、变形、 烧伤等。
05
案例分析与讨论
典型失效案例分析
案例1
一个高可靠性MEMS压力传感器的失效分析 。
案例2
一个微电子电路中的热失效问题。
案例3
一个存储器芯片的突发性失效。
失效预防与可靠性提升措施
预防措施1
采用高可靠性设计和制造技术。
预防措施2
优化芯片封装和测试流程。
预防措施3
重视生产过程中的质量控制。
提升措施1
控制晶圆的几何形状、表 面平整度和化学组成，确 保晶圆具有一致性和可靠 性。
薄膜沉积环节
通过优化工艺参数和选用 合适的薄膜材料，提高薄 膜的质量和可靠性。
光刻环节
精确控制光刻胶的厚度、 光刻掩膜版的质量以及曝 光能量等参数，确保器件 的尺寸精度和可靠性。
刻蚀环节
通过选用合适的刻蚀气体 、功率等参数，确保刻蚀 的效果和可靠性。
通过测试器件的电压、 电流、电阻等电气参数 ，判断器件是否存在电 气故障。
利用X射线对器件内部进 行无损检测，发现微小 缺陷和内部结构问题。
通过将器件切割成薄片 进行观察和分析，了解 器件内部结构和材料的 组成及分布情况。
采用光谱分析、质谱分 析、能谱分析等方法， 检测器件中各元素的种 类、含量及分布情况。
封装失效分析1
第二单元 集成电路芯片封装可靠性知识—郭小伟（60学时）第一章、可靠性试验1．可靠性试验常用术语试验名称 英文简称 常用试验条件备注温度循环 TCT （T/C ） －65℃~150℃, dwell15min, 100cycles 试验设备采用气冷的方式，此温度设置为设备的极限温度 高压蒸煮 PCT 121℃，100RH., 2ATM,96hrs 此试验也称为高压蒸汽，英文也称为autoclave热冲击 TST （T/S ）－65℃~150℃, dwell15min, 50cycles 此试验原理与温度循环相同，但温度转换速率更快，所以比温度循环更严酷。
稳态湿热 THT85℃,85%RH.,168hrs 此试验有时是需要加偏置电压的，一般为Vcb=0.7~0.8BVcbo,此时试验为THBT 。
易焊性 solderability 235℃,2±0.5s此试验为槽焊法，试验后为10~40倍的显微镜下看管脚的上锡面积。
耐焊接热 SHT260℃,10±1s 模拟焊接过程对产品的影响。
电耐久 Burn inVce=0.7Bvceo,Ic=P/Vce,168hrs模拟产品的使用。
（条件主要针对三极管）高温反偏 HTRB 125℃,Vcb=0.7~0.8BVcbo,168hrs主要对产品的PN 结进行考核。
回流焊 IR reflowPeak temp.240℃（225℃）只针对SMD 产品进行考核，且最多只能做三次。
高温贮存 HTSL 150℃,168hrs产品的高温寿命考核。
超声波检测 SAT CSCAN,BSCAN,TSCAN检测产品的内部离层、气泡、裂缝。
但产品表面一定要平整。
2．可靠性试验条件和判断试验流程:F/T SAT1-4 1-5 F/T 1-6 1-72:T/S 3: T/C 4:PCT 5: THT 6:HSTL以客户为代表为例子:客户1：precondition TCT –55/125℃,5cycles for L1,l2,L3 Ac:Re=(0,1)T/S: –55/125℃,5min,100cycles sample size: 45 Ac:Re=(0,1)T/C: –55/125℃,10min,200cycles sample size: 45 Ac:Re=(0,1)PCT: 121℃/100%rh,15Psig,96hr sample size: 45 Ac:Re=(0,1)THT: 85℃/85%,168/500/1000hrs sample size: 45 Ac:Re=(0,1)客户2：precondition T/C –40/60℃,5cycles forL3 Ac:Re=(0,1)T/S: –55/125℃,5min,100cycles sample size: 45 Ac:Re=(0,1)T/C: –65/150℃,10min,500cycles sample size: 77Ac:Re=(0,1)PCT: 121℃/100%rh,15Psig,168hr sample size: 77 Ac:Re=(0,1)THT: 85℃/85%,1000hrs sample size: 77 Ac:Re=(0,1)HTSL: 150℃,1000hrs sample size:77 Ac:Re=(0,1)HAST: 130℃/85%rh,168hr sample size: 77 Ac:Re=(0,1)客户3：precondition T/C –40/60℃,5cycles forL3 Ac:Re=(0,1)T/S: –55/125℃,5min,50cycles sample size: 24 Ac:Re=(0,1)T/C: –65/150℃,15min,50cycles sample size: 24 Ac:Re=(0,1)PCT: 121℃/100%rh,15Psig,168hr sample size: 24 Ac:Re=(0,1)HTSL: 150℃,168hrs sample size:24 Ac:Re=(0,1)客户4：precondition T/C N/A ，L1 Ac:Re=(0,1)T/C: –65/150℃,15min,100/500cycles sample size: 45 Ac:Re=(0,1)PCT: 121℃/100%rh,15Psig,168/336hr sample size: 45 Ac:Re=(0,1)SOLDER DUNK: 245℃10SEC sample size: 45 Ac:Re=(0,1)客户5：QFP 做 precondition，DIP不做preconditionprecondition T/C N/A，L3 sample size：184 Ac:Re=(5,6)T/C: –65/150℃,15min,200/500cycles sample size: 45 Ac:Re=(0,1)PCT: 121℃/100%rh,15Psig,168hr sample size: 45 Ac:Re=(0,1)HTSL: 150℃,168/500/1000hrs sample size:45 Ac:Re=(0,1)SOLDER DUNK: 245℃5SEC sample size: 15 Ac:Re=(0,1)塑料密封等级塑料密封等级：在装配现场拆包后地面存放期标准试验条件LEVEL 1 在小于30C/85%相对湿度无期限 85C/85% 168小时LEVEL 2 在30C/60%条件下1年85C/60% 168小时LEVEL 3 在小于30C/60%条件下1周 30C/60% 192小时加速=60C/60% 40小时SAMPLE：50塑料密封等级试验步骤：1． DC和功能测试2．外观检查（在80倍以上显微镜下检查）3． SAT扫描4． BAKE 125C/24小时5．做LEVEL 相应条件的试验6．在15分钟后和4小时内做3次回流焊—注意温度曲线必须提供和符合JEDEC标准。
芯片封装中的失效机理与故障分析研究
芯片封装中的失效机理与故障分析研究芯片封装是集成电路制造过程中至关重要的一步，它将芯片保护起来，并与外部环境进行连接。
然而，封装过程中可能会出现各种失效和故障，这对芯片的性能和可靠性产生了负面影响。
为了提高芯片的可靠性和稳定性，科学家和工程师们一直在研究芯片封装中的失效机理和故障分析方法。
芯片封装失效机理主要包括三个方面：热失效、机械失效和化学失效。
其中，热失效是最常见的问题之一。
当芯片工作时，产生的热量会使芯片封装材料膨胀和收缩，这可能导致封装材料与芯片之间的粘合层剪切、脱离或者开裂。
此外，温度变化也会导致封装材料的劣化，使其电绝缘性能下降，从而引发故障。
机械失效主要是由于外部力导致封装材料的物理损坏。
芯片封装材料通常是脆性材料，如塑料、陶瓷等，容易在受力下发生裂纹和断裂。
例如，当芯片受到机械冲击或振动时，封装材料可能会剪切、断裂或者产生疲劳裂纹，从而导致芯片失效。
化学失效是由于封装材料与外部环境中的化学物质发生反应而导致的。
化学物质可以是氧气、湿气、有机物等。
当芯片封装材料与这些化学物质接触时，可能会发生氧化、腐蚀、电化学反应等，进而引发芯片故障。
为了解决封装失效问题，故障分析是至关重要的环节。
故障分析旨在确定芯片失效的原因，从而采取相应措施进行修复或预防。
故障分析通常包括以下几个步骤：首先，需要收集失效芯片的相关信息。
这包括失效芯片的型号、使用条件、失效模式等。
通过分析这些信息，可以初步确定芯片失效的可能原因。
其次，进行物理分析。
物理分析是指通过观察芯片失效的外观、形态和结构，来确定失效的机理。
例如，通过显微镜观察失效芯片的微观形貌，可以确定是否存在裂纹、剥离等现象。
此外，还可以使用X射线、电子束等技术进行进一步的材料分析，以确定材料的性质和存在的异常问题。
接下来，进行电学分析。
电学分析是指通过测量失效芯片的电性能参数，来判断芯片的电路结构是否正常。
例如，使用万用表、示波器等设备对芯片进行电流、电压、功率等参数的测量，以了解失效芯片的电路状态。
封装可靠性及失效分析 ppt课件
封装可靠性及失效分析
• 电测技术
封装可靠性及失效分析
封装可靠性及失效分析
• 打开封装
封装可靠性及失效分析
封装可靠性及失效分析
• 失效定位技术
封装可靠性及失效分析
封装可靠性及失效分析
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
封装可靠性及失效分析
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封装可靠性及失效分析
封装可靠性及失效分析
• 微焦点X射线检测
封装可靠性及失效分析
• 激光温度响应方法
封装可靠性及失效分析
• 激光温度响应方法原理
封装可靠性及失效分析
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封装可靠性及失效分析
封装可靠性及失效分析
封装可靠性及失效分析
• 疲劳寿命与应力和应变的关系
封装可靠性及失效分析
• 应力应变洄滞曲线
封装可靠性及失效分析
ACF键合的剥离强度失效
封装可靠性及失效分析
ACF键合的剥离强度失效
封装可靠性及失效分析
扩散引起的失效-铝钉
封装可靠性及失效分析
• 铝钉的形成过程
封装可靠性及失效分析
• 扩散引起的失效-紫斑
影响芯片键合热疲劳寿命的因素
封装可靠性及失效分析
封装可靠性及失效分析
• 焊点形状对疲劳寿命的影响
封装可靠性及失效分析
• 焊点界面的金属间化合物
封装可靠性及失效分析
• 老化时间对接头强度的影响
封装可靠性及失效分析
• 由热失配导致的倒装失效
封装可靠性及失效分析
• 钎料合金的力学性能对寿命的影响
封装可靠性失效原因及其改善方案阐述
封装可靠性失效原因及其改善方案阐述长电科技（滁州）有限公司安徽省滁州市 239000 摘要：可靠性是产品质量的一个重要指标，就是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能的能力。
确切的讲，一个产品的使用寿命越接近设计寿命，代表可靠性越好。
1、产品的可靠性与规定的条件密切相关。
如产品使用的环境条件、负荷大小、使用方法等。
一般，温度越高、额定负载越大，产品的可靠性就越低。
2、产品的可靠性与规定的时间也有关系。
例如，一般大型桥梁、道路的设计寿命为50～100年。
3、产品的可靠性还与规定的功能有密切的关系。
例如，一个普通的晶体管有反向漏电流、放大倍数、反向击穿电压、特征频率等多项功能。
芯片封装质量直接影响整个器件和组件的性能,随着混合集成电路向着高性能、高密度以及小型化、低成本的方向发展，对芯片的封装技术和可靠性提出了更高的要求。
本文主要阐述了几种可靠性项目及其失效的机理以及封装导致的原因，以便封装生产中规避此类异常发生。
关键字可靠性；质量；可靠性项目；失效机理；封装导致的原因。
背景描述：电子器件是一个非常复杂的系统，其封装过程的缺陷和失效也是非常复杂的。
因此，研究封装缺陷和失效需要对封装过程有一个系统性的了解，这样才能从多个角度去分析缺陷产生的原因。
封装的失效机理可以分为两类：过应力和磨损。
过应力失效往往是瞬时的、灾难性的；磨损失效是长期的累积损坏，往往首先表示为性能退化，接着才是器件失效。
失效的负载类型又可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载等。
影响封装缺陷和失效的因素是多种多样的，材料成分和属性、封装设计、环境条件和工艺参数等都会有所影响。
封装缺陷主要包括引线变形、底座偏移、翘曲、芯片破裂、分层、空洞、不均匀封装、毛边、外来颗粒和不完全固化等。
随着应用的要求越来越高，对产品封装可靠性要求也越来越高。
我们要识别一些可靠性项目考核目的、失效机理以及可能导致的原因，以便在前期FMEA中定义，从设计、生产角度来提升质量。
封装可靠性——精选推荐
引线开路/短路、芯片/引线 腐蚀、芯片开裂、性能不良
引脚端
形状不当、损伤、引脚端强度不足
Байду номын сангаас
开路、接触不良
引脚端 封装上表面
氧化、生锈、表面处理液残留 （清洗不足）
标记模糊
开路、接触不良、端间漏电流
使用不当导致开裂
失效模式与机理 7
封装失效因素及其模式－使用条件
工作异常 参数性失效：模拟输出超出容许范围，比如I/O脚 可见失效：器件未打码、发生侵蚀、封装问题或者其
他缺陷
失效模式与机理
21
微电子器件的失效机理－芯片
失效模式与机理22
微电子器件的失效机理－PCB组装
23
相关因素 转换塑模、键合等
失效模式 开路、短路（键合引线）
封
模塑料
树脂基材、硬化剂、抗化学特性、 杂质、热膨胀、热导
装
设
计
封装形状 芯片与封装尺寸的关系、与包封部
（
与尺寸
分的尺寸容差
塑
封 ）
塑封条件 温度、时间、压力
功能失效、开路、短路 （键合引线）、腐蚀
外引脚丢失， 开路、短路、腐蚀
开路、短路（键合引线）、 引线移位
化 学： 腐蚀、应力侵蚀； 物 理： 扩散、分层、电迁移
失效模式与机理 2
失效分布和及其“浴盆式”曲线
早期失效：与材料/工艺缺
失效率λ(t)随时间分布－“浴盆”曲线
陷有关，用热老化筛除。
本征失效：应力作用下的 随机失效,包括腐蚀/杂质 扩散/晶体枝状生长/热电
早期 失效： 工艺 缺陷
迁移/循环疲劳等，减小此
微电子封装的失效及其可靠性
系统级封装的可靠性与失效分析技术研究
系统级封装的可靠性与失效分析技术研究一、概述随着微电子技术的快速发展，系统级封装（SiP，SysteminPackage）技术已经成为当今集成电路产业的重要发展方向。
SiP技术通过将多个具有不同功能或工艺的芯片及无源元件集成在一个封装体内，实现了系统功能的高度集成化和小型化，从而提高了产品的性能和可靠性。
随着封装密度的不断提高和工艺复杂性的增加，SiP技术的可靠性问题也日益凸显，失效分析技术的研究变得尤为重要。
系统级封装的可靠性主要受到封装材料、工艺、结构以及使用环境等多种因素的影响。
在封装材料方面，不同的材料具有不同的热膨胀系数、机械强度以及化学稳定性，这些差异可能导致封装体在温度变化、机械应力或化学腐蚀等条件下出现失效。
在工艺方面，封装过程中的焊接、封装胶填充等工艺环节可能引入缺陷，导致封装体的性能下降或失效。
封装体的结构设计和使用环境也是影响其可靠性的重要因素。
失效分析技术是研究和解决系统级封装可靠性问题的关键手段。
通过对失效封装体进行详细的物理和化学分析，可以确定失效的原因和机理，为改进封装工艺、优化结构设计以及提高产品可靠性提供重要依据。
目前，失效分析技术主要包括非破坏性分析和破坏性分析两大类。
非破坏性分析技术如射线检测、红外热成像等，可以在不破坏封装体的情况下检测其内部结构和性能。
而破坏性分析技术如开封、切片等，则需要通过破坏封装体来观察和分析其内部结构和失效模式。
本文旨在深入研究系统级封装的可靠性与失效分析技术，通过分析封装体的失效原因和机理，提出有效的可靠性提升方案和失效预防措施，为SiP技术的发展和应用提供有力支持。
1. 系统级封装技术的发展背景与现状随着信息技术的快速发展，电子产品正朝着小型化、集成化、高性能化的方向不断演进。
在这一背景下，系统级封装技术应运而生，成为推动电子产品发展的关键性技术之一。
系统级封装技术是指在单一封装结构内部，将多个裸芯片、元件或组件集成于一体，从而实现电子产品完整的系统或子系统功能。
12_封装可靠性与失效分析-课件
1.温度循环（TC） －40℃或－55℃或－65℃到＋
2. 高温 / 高湿 / 偏压 高温、高湿环境并施正偏压或反向 铝引线或铝金属化层的 偏压工作。通常为85℃/85%RH/ 腐蚀；模塑料中的离子 （THB）
额定偏臵 性杂质的浸蚀。
3.高温贮存寿命 （HTS） 4.压力锅试验 （PCT）
高温环境下，施加偏压或不加偏压下工 高温失效机理； 作。 Al-Au互扩形成金属间化 如125℃或150℃下1000h。 合物，或金属-Si互扩散。
JEDEC（Joint Electron Devices Engineering Council ）,电子元件工业联合会，作 为一个全球性组织，JEDEC所制定的标准为全行业所接受和采纳。 MIL-STD 美国军用标准，当今世界技术最先进、体系最完备的军用标准 。
温度循环曲线示意
JESD22-A104D
a注：与封装或组装密切关联的失效共计28.1%
过载(Overstress) 大弹性变形 机械 - 屈服
失效机理
磨损(Wear out)
热
- 断裂—脆性，韧性 - 裂纹，爆裂(Popcorn) - 弯曲 - 界面分开 - 热过载 - 接近Tg(玻璃化温度)
- 融化 - 蠕变断裂温度
机械
- 高低周疲劳 - 蠕变 - 磨损（磨粒磨损 等） - 金属迁移 （电/离子迁移） - 应力驱动扩散 - 表面充电 - 内部扩散 Kirkendall空洞 - 氢脆 - 腐蚀 - 解聚
失效率＝失效率函数
n（t t） n（t） n（t） （t） [ N n（t） ]t [ N n（t） ]t
N为产品的总数，且足够大； n(t)为N个产品从开始工作到t时刻的累积失效数。
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1.1芯片键合
1.1芯片键合
• 焊点形状对疲劳寿命的影响
1.1芯片键合
• 焊点界面的金属间化合物
1.1芯片键合
• 老化时间对接头强度的影响
1.1芯片键合
• 由热失配导致的倒装失效
1.1芯片键合
• 钎料合金的力学性能对寿命的影响
1.1芯片键合
• 疲劳寿命与应力和应变的关系
1.1芯片键合
2.失效分析方法
• 失效定位技术
3.失效检测手段
3.失效检测手段
3.失效检测手段
3.失效检测手段
• 微焦点X射线检测
3.失效检测手段
• 激光温度响应方法
3.失效检测手段
• 激光温度响应方法原理
4.失效实际案例
4.失效实际案例
4.失效实际案例
4.失效实际案例
4.失效实际案例
• 扩散引起的失效-电位移
1.2封装互连缺陷
• 电位移引起的失效评估-防治措施
1.2封装互连缺陷
• 电位移导致的晶须短路
1.2封装互连缺陷
铜引线上镀锡层的Whisker生长机理
1.2封装互连缺陷
引线桥连缺陷
1.2封装互连缺陷
• 桥连发生的过程
1.2封装互连缺陷
• 桥连发生的过程解析
ห้องสมุดไป่ตู้ 1.2封装互连缺陷
封装可靠性及失效分析
封装可靠性及失效分析
1.不同封装步骤的失效方式 2.失效分析方法 3.失效检测手段 4.失效实际案例
1.不同封装步骤的失效方式
1.1芯片键合 1.2封装互连缺陷 1.3基板问题 1.4塑料电子器件的湿热失效
失效机理
扩散 化学失效 热失配和热疲劳
1.1芯片键合
影响芯片键合热疲劳寿命的因素
1.4塑料电子器件的湿热失效
失效机理：
1.4塑料电子器件的湿热失效
1.4塑料电子器件的湿热失效
1.4塑料电子器件的湿热失效
1.4塑料电子器件的湿热失效
2.失效分析方法
• 失效分析的一般程序
2.失效分析方法
• 收集现场失效数据
2.失效分析方法
• 电测技术
2.失效分析方法
• 打开封装
• 桥连过程的结果-能量变化
1.2封装互连缺陷
• 焊盘宽度的设计准则
1.2封装互连缺陷
• 墓碑缺陷
1.2封装互连缺陷
1.2封装互连缺陷
1.2封装互连缺陷
• 热膨胀系数不匹配导致的Whisker
1.2封装互连缺陷
1.3基板问题
1.3基板问题
1.3基板问题
1.3基板问题
1.4塑料电子器件的湿热失效
4.失效实际案例
4.失效实际案例
4.失效实际案例
• 应力应变洄滞曲线
1.1芯片键合
ACF键合的剥离强度失效
1.1芯片键合
ACF键合的剥离强度失效
1.2封装互连缺陷
扩散引起的失效-铝钉
1.2封装互连缺陷
• 铝钉的形成过程
1.2封装互连缺陷
• 扩散引起的失效-紫斑
1.2封装互连缺陷
• Au/Al和Cu/Al键合失效时间预测
1.2封装互连缺陷