电子元器件技术发展与失效分析

刘建清

（株洲宏明日望电子科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

大数据时代的来临，使人们对信息的获取需求大幅增长，各种电子产品也相继进入百姓生活的方方面面，极大程度的便捷了人们的生活。与此同时，人们对电子产品的使用性能及质量也提出了更高的要求，为了使电子产品能够可靠使用，就需要采用失效分析手段来对电子产品出现失效的原因进行深入分析，了解失效性质，并利用各种具有针对性的预防方法，以此防止失效问题的发生，并进一步改善电子元器件的可靠性与使用性能。如何更好的开展电子元器件失效技术分析已经成为电子行业在发展过程中迫切需要解决的重要课题，各种信息化工具的出现与应用，也为电子元器件失效分析提供了可靠的技术支持，同时也进一步促进了电子元器件技术的发展。为此，以下便探讨电子元器件失效分析需要遵循的相关原则，了解其具体的操作流程，在此基础上分析其主要技术手段，阐述了电子元器件失效技术的发展现状。

1 电子元器件失效分析应遵循的原则及操作流程

1.1 原则

在对电子元器件失效原因进行分析时，必须要遵循相应的原则来进行操作，只有这样才能保证电子元器件的完好性。通常而言，在对电子元器件进行失效分析过程中，主要是采取以非破坏性为目的的检查手段。如果采用常规的非破坏性检查手段来对电子元器件进行失效分析时，无法判断其失效原因，便要采取进一步的操作，以此更加深入的探寻失效原因。对于电子元器件失效分析而言，其整个操作过程便是对失效信息进行获取的过程，可以说，获取失效信息是电子元器件失效分析中的核心所在[1]。为了确保电子元器件能够得到合理的失效分析，使失效原因被遗漏的概率能够最大限度的降低，就需要按照以下原则来进行操作：首先，需要严格按照先制定分析方案，然后执行方案这一根本原则来进行操作，也就是针对电子元器件的失效现象，先对具体的失效分析操作步骤、内容等进行明确，以此形成相应的分析方案，然后再根据制定的方案来开展后续操作，确保失效分析的操作步骤与内容能够与方案保持一致[2]。需要注意的是，应优先对电子元器件进行外检，然后方可对电子元器件进行通电检查。其次，在对电子元器件进行加电测试时，其电流操作应按照“先弱后强”的原则来执行，对电子元器件的失效原因需要先从其外观、形态来进行检查，然后再对电子元器件的内部构造进行检查。在检查分析时，最初需要保证电子元器件处于静止状态，然后再对电子元器件进行动态性的检查。再次，对电子元器件进行失效分析时需要按照“先宏观后微观”原则来进行操作，通常需要以普遍化角度来对电子元器件进行失效分析，查看电子元器件的失效原因是否是由普遍问题所引起的，如果不是，则需以特殊化角度来排查电子元器件的失效原因。最后，必须要对失效分析的开展顺序与主次对象进行确定，通常需要先结合电子元器件可能存在的主要问题来进行失效分析，在必要时还要对电子元器件进行破坏性检测，以此查明电子元器件的失效原因[3]。

1.2 程序

在对电子元器件失效原因进行分析时，其分析程序可按分为三类，一类是以非破坏性为目的的分析项目，一类为半破坏性的分析项目，最后一类则为破坏性的分析项目[4]。对于非破坏性的分析项目中，其项目程序依次为外观检查、模式确认、检漏、可动微粒检测、X 光照相、声学扫描以及模拟试验。而对于半破坏性的分析项目中，其项目程序则依次为可动微粒收集或者内部气氛检测、开封、不加电内部检查（光学· SEM · 微区成分）、加电内部检查(微探针·热像·光发射·电压衬度像·束感生电流像·电子束探针），需要注意的是，内部气氛检测和可动微粒收集是存在冲突的。对于破坏性的分析项目，其分析程序为内部检查和加电内部检查，包括去除钝化层、微探针、聚焦离子束、电子束探针等，然后进行剖切面分析，如聚焦离子束、光学、SEM、TEM。

2 电子元器件失效分析手段研究

2.1 失效诊断

以宏观角度而言。对于电子元器件出现失效的表现，可以将其划分为三个类型，一种是连接性的失效，另一种是电子元器件功能的失效，最后一种则是电子元器件中的电参数出现失效。上述三种电子元器件失效的表现往往具有密切的内在联系，在对电子元器件进行不以破坏性为目的的检测分析时，需要根据标准规定来对电子元器件施加一定的电应力，以此获得检测结果[5]。这种无损式的检测，不会对电子元器件造成破坏，并且能够对电子元器件的构造缺陷进行准确判定。在对电子元器件进行失效分析时，需要根据质量要求来对电应力进行增加，在此过程中便可能会产生新的失效现象，进而造成电子元器件失效问题发生进一步恶化。科学技术的飞速发展，使越来越多的电子元器件在市场中得以不断涌现，与此同时，电子元器件的功能也变得更加丰富，其内部构造的复杂性也大幅增加，这在很大程度上提高了电子元器件功能测试的复杂性[6]。通常来说，对电子元器件进行功能测试时，需要采用自动测试设备ATE 来实现。也就是说，根据其既定功能来对电子元器件的应用条件进行模拟，以便于对电子元器件的运行程序进行科学的编写，确保电子元器件能够得到有效的自动测试，然后根据自动功能测试所得到的数据来总结出电子元器件出现失效问题的结论。在对电子元器件的连接性失效进行分析时，其测试工作是比较复杂的，在此过程中要利用端口与待机电流来进行测试，依据待机电流来对失效因素进行确定，而且这种测试还能为电子元器件程序的后续运行提供重要的数据支持[7]。

2.2 制备和保存样品

在对电子元器件内部构造中的芯片进行失效分析时，应对电子元器件所采用的封装材料所具有的特性进行全面了解和把握，然后对样品进行制备和保存，这样在具体操作过程中能够有一个坚实的基础。例如采用去钝化层技术时，可借助于低导电性和芯片的阻碍作用，以使电子元器件的芯片样品得到完好的制备与保存。在具体操作过程中虽然没有对去钝化层操作提出特殊的要求，不过去钝化层却非常容易造成芯片腐蚀，而且其腐蚀的范围及位置是难以控制的，这便极易导致芯片中的金属层未钝化部分及其内引线因受到腐蚀而降低失效分析准确性[8]。而通过等离子来对钝化层进行腐蚀的方法，虽然可避免腐蚀的不可控性，防止严重腐蚀问题的发生，但却容易出现新的失效问题。所以在具体操作时，必须要严格监控去钝化层的整个腐蚀过程，并根据腐蚀过程中钝化层的颜色变化情况，以此判断具体的腐蚀程度，明确其腐蚀速率。

2.3 电性分析

对电子元器件进行电性分析，能够更加快速的对电子元器件的失效点进行定位。在电性分析手段中，以OBIRCH 技术的应用最为广泛，该技术具有主动性特征，其通过激光束来感应电子元器件中的材料电阻率，并根据电阻率的实际变化情况来确定电子元器件内部构造中的失效点位置。对于电子元器件材料来说，由于其是由不同材料构成的，这些材料在通电后所产生的电阻率也是不同的，而当某一电路出现故障时，其电阻率势必会发生变化，正是依据这种电阻率的变化，可帮助分析人员快速确定电子元器件中的失效点。除了OBIRCH 技术以外，液晶热点检测技术也同样在电子元器件失效分析中发挥着很高的应用价值，该技术是利用液晶材料对不同温度的形态变化来确定失效点的，当温度较低时，其会以固态的形式呈现，而当温度较高时，液晶材料则会转变为液态，这使得液晶材料会从近晶相向着向列相进行转变，根据其所呈现出的光学特性变化，即可确定电子元器件中的失效点[9]。

3 电子元器件失效分析技术发展现状

在电子元器件失效分析技术中，其关键在于对失效点进行定位。不过，就目前来看，随着电子技术的发展，电子元器件的构造也变得日益复杂化，集成电路规模也不断扩大，而其线宽则变得越来越小，相应的也导致电子元器件的失效现象变得更加复杂且较为特殊，电子元器件的电性分析及失效定位难度也大幅提高，如果分析人员只是通过观察失效现象，是难以找到失效点的。因此在失效分析过程中，分析人员必须要对集成电路的整体情况进行全面把握，并锁定集成电路中的电路单元、存储器等相应的电路模块，以便于找到各个电路节点，在此基础上对接触、通孔与源进行确定，以此保证失效点的准确定位。除此之外，因电子元器件中集中电路构造的日益复杂化，也进一步增加了互连层数，这使得延迟较高的情况下，电子元器件中的电路有着极高的工作难度，这也使电路故障常常难以在第一时间发现，进而对电子元器件的失效分析结果准确性造成一定影响。在此背景下，系统级芯片也由此应运而生，其作为一种新型的技术手段，在失效分析中也正发挥着越来越重要的作用[10]。

4 结论

总而言之，在电子元器件失效分析中，必须要明确具体的分析思路与程序，掌握相应的失效分析技术手段，以确保失效分析的准确性和可靠性，这样才能使电子元器件的质量控制及运行得到有力的技术支持，从而使电子元器件的各项功能得以正常发挥。