破坏性物理分析公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

破坏性物理分析破坏性物理分析(DPA)技术在元器技术在元器件生产加工过程中用于生产过程监控件生产加工过程中用于生产过程监控,尤尤其是关键工艺质量分析与监控其是关键工艺质量分析与监控,对提升元对提升元器件可靠性水平含有其它试验和检查手器件可靠性水平含有其它试验和检查手段无法替换作用。从元器件生产过程控段无法替换作用。从元器件生产过程控制角度制角度,详细讨论了详细讨论了 DP A 分析技术试验分析技术试验项目、试验办法项目、试验办法,并结合实例阐述了并结合实例阐述了 DPA 分析技术应用程序分析技术应用程序,达到了提升元器件生达到了提升元器件生产过程控制能力与提升产品可靠性目的。产过程控制能力与提升产品可靠性目的。8、破坏性物理分析破坏性物理分析(DPA)第1页第1页 伴随整机电子系统复杂程度与可靠性要求伴随整机电子系统复杂程度与可靠性要求 提提升升,对元器件可靠性要求也越来越高对元器件可靠性要求也越来越高,要求要求 元器件元器件可靠性水平达可靠性水平达(10-810-9)/h,而统计表明而统计表明,电子系电子系统故障由于电子元器件质量原因引起占统故障由于电子元器件质量原因引起占60%,电电子元器件质量问题主要包括子元器件质量问题主要包括:镀层起皮、锈蚀镀层起皮、锈蚀,玻玻璃绝缘子裂纹璃绝缘子裂纹,键合点缺点键合点缺点,键合键合 点脱键点脱键,键合尾键合尾丝太长丝太长,键合丝受损键合丝受损,铝受侵蚀铝受侵蚀,芯芯 片粘结空洞片粘结空洞,芯芯片缺点片缺点,芯片沾污芯片沾污,钝化层缺点钝化层缺点,芯片金属化缺点芯片金属化缺点,存在多出物存在多出物,激光调阻缺点激光调阻缺点,包封层裂纹包封层裂纹,引线虚引线虚焊焊,引线受损引线受损,焊点焊料不足和粘润不良焊点焊料不足和粘润不良,陶瓷裂陶瓷裂纹纹,导电胶电连接断路等等导电胶电连接断路等等,这些均能引起元器件这些均能引起元器件失效失效,而这些失效来自于元器件设计、制造缺点而这些失效来自于元器件设计、制造缺点,在一定外因作用下会引起系统质量问题。在一定外因作用下会引起系统质量问题。第2页第2页 这些质量问题已经严重影响了整机这些质量问题已经严重影响了整机系统可靠性水平系统可靠性水平,如何进一步提升元器件如何进一步提升元器件可靠性水平可靠性水平,如何进一步提升元器件可靠如何进一步提升元器件可靠性水平，仅仅依托老式筛选和试验验证性水平，仅仅依托老式筛选和试验验证手段已经不能满足整机系统需求手段已经不能满足整机系统需求,也无法也无法处理和确保生产出高处理和确保生产出高 可靠元器件可靠元器件,下面将下面将探讨通过探讨通过 DPA 分析技术分析技术 在电子元器件生在电子元器件生产过程中应用能够有效地指导设计产过程中应用能够有效地指导设计,改进改进工艺工艺,提升元器件可靠性水平。提升元器件可靠性水平。第3页第3页1DPA 分析技术试验项目与在分析技术试验项目与在元器件生产过程中作用元器件生产过程中作用 DPA(Destructive physical analysis)是指验证电子元器件设计、结构、材料、是指验证电子元器件设计、结构、材料、制造质量和工艺情况是否满足预订用途制造质量和工艺情况是否满足预订用途或相关规范要求或相关规范要求,以及是否满足器件要求以及是否满足器件要求可靠性和保障性可靠性和保障性,而对元器件样而对元器件样 品进行一品进行一系列寻找失效机理分析与试验过程系列寻找失效机理分析与试验过程,并拟并拟定失效是偶然还是批次性定失效是偶然还是批次性,然后依据结论然后依据结论采用更正办法。采用更正办法。第4页第4页8.第5页第5页1.1 DPA分析技术基本试验项目分析技术基本试验项目l 电子元器件DPA试验项目通常包含以下内容:摄影、外部目检、射线检验、超声波检测、颗粒碰 撞噪声检测、密封检验、引出端强度、轴向引线抗拉 试验、内部水汽含量检测、物理检验、接触件检验、开封、内部目检、内部检验、结构检测、键合强度试 验、扫描电镜检验、芯片剪切强度、芯片粘接强度、显微洁净检验。共20 个试验内容,包含在13 个试验 项目内。依据所采取生产工艺与封装形式对不同 元器件种类应采取不同项目和程序。如颗粒碰撞 噪声检测、密封检验和内部水汽含量检测仅针对气 密性封装元器件,键合强度试验仅针对有内引线 键合元器件,超声波检测和芯片剪切强度仅针对 内部芯片采取烧结与粘结工艺元器件,引出端强度仅针对有外引线元器件等。第6页第6页1.2 DPA分析技术在光元件分析技术在光元件生产过程中作用生产过程中作用 DPA分析技术在微电子器件生产过程中试验分析办法和程序检测主要内容和作用如表1所表示。第7页第7页第8页第8页第9页第9页第10页第10页第11页第11页 DPA分析技术区别于筛选试验、质分析技术区别于筛选试验、质量一致性检查以及失效分析量一致性检查以及失效分析,即使即使DPA分分析技术试验项目与之相类似析技术试验项目与之相类似,但筛选试验、但筛选试验、质量一致性检查以及质量一致性检查以及 失效分析是事后检失效分析是事后检查手段。查手段。DPA 分析技术以发觉设计与生分析技术以发觉设计与生产加工过程缺点为目的产加工过程缺点为目的,无论是在生产加无论是在生产加工过程中还是在评价元器件质量水平方工过程中还是在评价元器件质量水平方面都可得到广泛应用面都可得到广泛应用,尤其是在生产加工尤其是在生产加工过程中过程中 应用应用,用于生产过程监控用于生产过程监控,尤其是尤其是关键工艺质量关键工艺质量 分析与监控分析与监控,对提升元器件对提升元器件可靠性水平含有其它可靠性水平含有其它 试验和检查手段无试验和检查手段无法替换作用。法替换作用。第12页第12页DPA 分析技术分析技术 主要应用于主要应用于:(1)可在元器件生产过程中进行利用可在元器件生产过程中进行利用;(2)通过通过 DPA 分析能够发觉潜在材料、工分析能够发觉潜在材料、工 艺等方面缺点艺等方面缺点,而这些缺点而这些缺点 往往普通筛选往往普通筛选试试 验、考核试验是无法发觉验、考核试验是无法发觉;(3)用于用于 器件失效原器件失效原 因分析因分析,从而发觉材从而发觉材 料、加工工艺中存在缺点料、加工工艺中存在缺点;(4)用于控制与产品设计、结构、装配等用于控制与产品设计、结构、装配等工艺工艺 相关失效模式。相关失效模式。第13页第13页2DPA 分析技术应用分析技术应用2.1 DP A分析技术应用程序分析技术应用程序 产品质量是设计、制造出来。通过产品质量是设计、制造出来。通过DPA分析技术利用分析技术利用,在实际操作中能够通在实际操作中能够通过过PDCA 循环循环 进行进行,从而达到不断改进、从而达到不断改进、提升元器件生产过程控提升元器件生产过程控 制能力制能力,提升产品提升产品质量目的。质量目的。第14页第14页 详细程序下列详细程序下列:(1)通过通过 DP A 分析技术分析技术,寻求设计和加工工艺寻求设计和加工工艺 中存在缺中存在缺点点;(2)进行机理分析进行机理分析,拟定与之相关工艺参数拟定与之相关工艺参数 与设计参数与设计参数,这样就将这样就将 DPA 分析出缺点表征为分析出缺点表征为 对相关工艺与设计控对相关工艺与设计控制要求制要求;(3)通过度析与研究通过度析与研究,进行工艺条件优化进行工艺条件优化,并并 进行验证试进行验证试验验;(4)工序能力分析工序能力分析,尽管采用了优化工艺与尽管采用了优化工艺与 设计设计,实际工实际工艺操作中工艺参数仍然会出现一定艺操作中工艺参数仍然会出现一定 分布分布,这时应采集足这时应采集足够工艺参数够工艺参数,进行工序能进行工序能 力分析力分析,以拟定实际满足规范以拟定实际满足规范要求能力要求能力;(5)为了确保能够连续、稳定生产出高可靠为了确保能够连续、稳定生产出高可靠 元器件元器件,通过通过DPA 分析技术利用分析技术利用,在以上工作基础上在以上工作基础上,进一步采用统进一步采用统计过程控制技术计过程控制技术(SPC),确保生产线处于统计受控状态。确保生产线处于统计受控状态。第15页第15页 2.2 DPA分析技术应用实例分析技术应用实例 引线键合是发光二极管最基本工艺引线键合是发光二极管最基本工艺环节环节,伴随瓦级大功率发光二极管出现伴随瓦级大功率发光二极管出现,使得使得 LED产品开始进入照明市场。由于产品开始进入照明市场。由于高功率、大电流应用高功率、大电流应用,对引线键合工艺可对引线键合工艺可靠性提出了更高要求靠性提出了更高要求,数据表明有约数据表明有约30%故障是由于引线键合不良引起故障是由于引线键合不良引起,因因 此此,实实现引线键合高可靠也显得越来越主要现引线键合高可靠也显得越来越主要,引引 线键合质量直接决定了大功率线键合质量直接决定了大功率 LED 产品产品可靠可靠 性性,下列是利用下列是利用 DPA 分析技术在某分析技术在某型号大功率型号大功率 LED 产品上应用。产品上应用。第16页第16页l第一步,进行产品开发初始阶段质量状态分 析,发觉引线键合工 艺存在引线拉力不够高现 象,而且在大电流工作状态下有开路现象;l第二步,分析原因,发觉该型号产品键合工 艺设计引用了传统小功率产品Au-Al 键合工艺,从 机理上进行分析认为,Au-Al 键合系统在大电流下 工 作或者高 温条件 下会产 生各种 金属 间化合 物 3,如:Au-Al、Au 4-Al、Au 5-Al2、Au 2-Al(白斑)、Au-Al 2(紫斑)等,它们不但热膨胀系数不同,键合 点表现出较大内应力,而且电导率低,造成接触电阻变大,因而会产生大电流工作状态下开路现象;第17页第17页 第三步第三步,DPA分析验证分析验证,对未出现故障产对未出现故障产品品 进行开帽分析进行开帽分析,图图1是产品键合点扫描是产品键合点扫描电镜图电镜图,发觉在键合接触面出现了衍发觉在键合接触面出现了衍 生物生物质质,分析成份是分析成份是 Au-Al化合物化合物,验证了机理验证了机理分析结论分析结论,图图2是是Au-Al 键合化合物产生键合化合物产生示意图示意图,进一步进行引线拉进一步进行引线拉 力试验力试验,发觉发觉引线拉力仅为引线拉力仅为 0.9 g,已经严重偏离已经严重偏离 了正了正常水平常水平,并且引线直接从键合点脱落并且引线直接从键合点脱落,因因而而 能够得到结论能够得到结论:Au-Al 键合工艺设计键合工艺设计不能满足新型大功率不能满足新型大功率 LED 实际使用要求实际使用要求,已经严重影响了器件可靠性已经严重影响了器件可靠性,需要更改工需要更改工艺设计艺设计;第18页第18页第19页第19页l第四步第四步,研究其它键合工艺研究其它键合工艺,更改工艺设计。设更改工艺设计。设 计计中采用了高可靠中采用了高可靠 Au-Au 键合系统键合系统,以工艺能以工艺能 力指力指数为表征量数为表征量,得到早期工艺能力指数得到早期工艺能力指数C PK 值仅为值仅为0.5。为了提升工艺能力。为了提升工艺能力,提升提升CPK,以键合力作为键以键合力作为键合工艺优化正交试验参考指标合工艺优化正交试验参考指标,分析影响键合力分析影响键合力主要工艺原因是主要工艺原因是:键合加热温度键合加热温度,劈刀压力劈刀压力,超声超声功率。在此基础上进行试验设计功率。在此基础上进行试验设计,并取得试验结果并取得试验结果,试验情况见表试验情况见表 2。l对以上数据进行数据分析对以上数据进行数据分析,得到最大拉力工得到最大拉力工 艺条艺条件组合是件组合是 1 20、3 5 g、200 mW;l第五步第五步,对优化工艺条件进行对优化工艺条件进行CPK 统计统计,得到得到 通过通过优化后优化后 C PK=1.5。l以上以上 DPA 分析技术利用分析技术利用,使得新型大功率使得新型大功率LED 产产品存在可靠性问题得到了有效处理。品存在可靠性问题得到了有效处理。第20页第20页第21页第21页第22页第22页第23页第23页第24页第24页第25页第25页第26页第26页第27页第27页第28页第28页第29页第29页第30页第30页微波器件声学扫描图片，空洞面积超出微波器件声学扫描图片，空洞面积超出50%。第31页第31页DPA典型分析图例典型分析图例 l单个空隙贯穿芯片整个长度或宽度，并超出整单个空隙贯穿芯片整个长度或宽度，并超出整个预定接触面积个预定接触面积10%。第32页第32页lIC声学扫描图片声学扫描图片,空洞面积超出空洞面积超出50%第33页第33页 9.失效分析实例失效分析实例 9.1 漏电流过大漏电流过大 某厂生产某厂生产CMOS 4011电路，在电路，在l 000小时小时例行试验中发觉例行试验中发觉IDD漏电流过大。漏电流过大。初步认为初步认为IDD大原由于栅氧化层中存在过多大原由于栅氧化层中存在过多可动电荷所致，后经多方分析，确认为是可动电荷所致，后经多方分析，确认为是F+玷玷污所致。污所致。9.2 管内水汽管内水汽 某型号整机，在例行试验常温测试中出现某型号整机，在例行试验常温测试中出现异常情况异常情况(电参数不稳定电参数不稳定)，最后拟定是所使用，最后拟定是所使用高精度运算放大器高精度运算放大器XFC-78失效。器件拆下后失效。器件拆下后测试，结果是测试，结果是Uos超标且发生漂移。超标且发生漂移。第34页第34页分析过程下列：分析过程下列：气密性检查。气密性检查。电参数测试。电参数测试。清洗电路外管脚根部。清洗电路外管脚根部。电参数随温度改变试验。电参数随温度改变试验。验证试验。验证试验。模拟对比试验。模拟对比试验。分析结果阐明水汽是引起电路分析结果阐明水汽是引起电路XFC一一78参参数漂移失效原因。数漂移失效原因。第35页第35页 9.3 钝化层过薄钝化层过薄 某厂生产三端稳压器某厂生产三端稳压器CW7805，塑封后测试，塑封后测试发觉功效失效百分比很高，乃进行失效分析。发觉功效失效百分比很高，乃进行失效分析。从对比试验能够看出，从对比试验能够看出，CW7805原始芯片表原始芯片表面钝化层质量不好，太薄且表面有裂纹。面钝化层质量不好，太薄且表面有裂纹。芯片塑封时条件比较苛刻，由于材料间热芯片塑封时条件比较苛刻，由于材料间热膨胀系数不匹配，在芯片表面产生很强应力，而膨胀系数不匹配，在芯片表面产生很强应力，而钝化层质量又不好，造成钝化层开裂，并引起铝钝化层质量又不好，造成钝化层开裂，并引起铝条弯曲平移。局部区域有也许出现断裂，引起电条弯曲平移。局部区域有也许出现断裂，引起电路功效失效。路功效失效。第36页第36页 9.4氧化层缺点氧化层缺点 原始失效情况：运算放大器原始失效情况：运算放大器F011在某设备在某设备上工作数分钟后，其输出信号不正常，关机后上工作数分钟后，其输出信号不正常，关机后稍待半晌再开机，电路又恢复正常工作。稍待半晌再开机，电路又恢复正常工作。对此进行失效分析：对此进行失效分析：原始失效情况验证。原始失效情况验证。功效、参数测试。功效、参数测试。模拟试验。模拟试验。电路气密性检查电路气密性检查 管脚间特性测试管脚间特性测试 解剖分析。解剖分析。第37页第37页