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半导体器件的技术分析与检测

发表时间：2020/12/28 来源：《基层建设》2020年第24期作者：袁雯

[导读] 摘要：电子元器件是电子产品最基本的组成部分，而半导体器件通常又是关键与核心器件；半导体器件失效数占电子元器件总失效数的一半以上。

        南昌市工业技术研究院 330000
        摘要：电子元器件是电子产品最基本的组成部分，而半导体器件通常又是关键与核心器件；半导体器件失效数占电子元器件总失效数的一半以上。本文统计分析了引起半导体器件失效的一些主要原因，并对半导体器件失效检测法进行了归类，阐明了失效分析在提高半导体器件和电子产品质量与可靠性方面所发挥的重要作用。
        关键词：半导体器件；失效分析；失效原因；检测方法
        引言
        随着微电子学的飞速发展和半导体器件的广泛应用，半导体器件的可靠性研究显得越来越重要。半导体器件失效分析是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式（失效模式），分析造成器件失效的物理和化学过程（失效机理），寻找器件失效的原因，制订纠正和改进措施.加强半导体器件的失效分析，提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的方法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。
        一、失效分析工作的重要性
        1.1失效分析是积累器件认证与质量监控要点的重要手段
        器件认证与来料质量监控是决定公司所选器件质量及可靠性水平的关键环节，通过失效分析，可以加深对器件特性、指标、可靠性的理解，逐步积累影响器件关键指标、特性的主要因素和工艺环节，及时了解物料批次性差异程度，从而为认证与来料控制提供科学的方法和线索，确保采购到可靠的器件。
        1.2失效分析是降低返修率
        提高产品可靠性的重要手段对于器件使用者来说，当选定一种器件之后，设计应用方案往往还存在许多涉及器件选择和使用的可靠性隐患。在产品开发、生产、试验、市场应用等不同阶段，这些潜在的器件问题会不断以器件失效的方式暴露出来。数据统计显示，器件失效占总返修的40％左右。通过开展失效分析，查找高失效器件失效的根本原因，并采取相应的改进措施，将对降低返修率具有重要意义。否则将会使许多可靠性隐患长期存在，造成极人的成本浪费，同时对产品品牌构成不利影响。
        1.3失效分析是可靠性工作的基础
        失效分析上作是针对问题隐患的分析改进，属于逆向被动的可靠性工作，而诸如可靠性指标分配、预计，开发阶段的失效模式及影响分析（DFMEA）、最坏情况分析（WCCA）、可靠性增长试验等工作则强调在开发过程中主动发现问题，属于正向可靠性工作。离开了失效分析工作，将无法积累公司实际的器件失效模式、失效率等基础性可靠性数据信息，使得可靠性指标分配、预计，DFMEA等缺乏针对性，一定程度上削弱r该类工作的实际作用，增加r该类工作推广的难度。最坏情况分析，对于评估一些关键、敏感电路的设计非常重要，而该项工作的开展必须依靠器件特性差异数据库，因此也离不开失效分析。电、热、机械应力是导致器件失效的主要原因，通过失效分析，可以积累不同器件对于不同应力的敏感程度，从而为降额设计提供科学的依据。
        二、半导体器件的失效原因
        1、使用引起的失效
        与使用有关的失效原因主要有：过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、使用线路设计不当、机械过应力、操作失误等。过电应力引起的烧毁失效，占使用中失效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、电装、调机、运行等各个阶段，其具体原因多种多样。常见的有多余物引起的桥接短路、烙铁头漏电、仪器或测试台接地不当等。静电损伤也属于电过应力损伤的一种，其特点是电压高（几百伏至几万伏）、能量小、瞬间电流大，但持续时间短。与一般电过应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电的过程中，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害很大。器件选型不当也是经常发现的使用问题引起失效的原因之一，主要是使用人员对器件参数、性能了解不全面，考虑不周，选用的器件在某些方面不能满足线路的要求。设计不当包括线路设计不当、结构设计不当、加工工艺设计不当这几类。机械过应力失效一般出现器件往试验台紧固时，板手力矩太大，造成管子外壳形变，芯片出现裂纹。即器件受到过大的机械应力后损伤引起的失效。操作失误也是器件经常出现的失效原因.
        2、器件固有缺陷引起的失效
        与器件固有缺陷有关的失效原因主要有表面、金属化、压焊丝键合、芯片键合、封装及体内缺陷等。表面问题引起的失效主要是芯片表面二氧化硅钝化层的缺陷、二氧化硅层内的正电荷及与二氧化硅界面陷阱电荷会影响到器件的许多性能。从可靠性方面考虑，对器件影响最大的是二氧化硅层内的可动正离子电荷，会使器件的击穿电压下降，漏电流增大，且随着加电的时间增加使器件性能逐渐劣化，这种缺陷的器件，用常规筛选方法不能剔除，对可靠性危害很大。芯片键合问题常见是芯片粘结的焊料太小，焊料氧化，烧结温度过低等引起的开路现象。

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封装问题引起的失效常见的有：封装不好，管壳漏气，使水汽或腐蚀性物质进入管壳内部，引起压焊丝和金属化腐蚀；管壳存在缺陷，使管脚开路、短路失效；内涂料龟裂、拉断键合铝丝，造成器件开路或瞬时开路失效。体内缺陷引起失效常出现的是器件二次击穿耐量而造成器件烧毁失效。
        三、半导体器件失效检测法
        半导体器件失效的原因主要检测方法可以分为两类：一、破坏性的检测方法，主要是指打开器件的装备所进行的检测；二、非破坏性的原因检测方法，就是对器件不进行物理性的破坏下进行的检测。但是，这种非破坏性检测也可能会或多或少的对元器件检测造成一定的伤害，在性能数据上也会发生一些改变。因此进行失效检测必须做好相关准备事宜，按照操作流程进行操作。
        1.破坏性检验法
        1.1光学检测
        在实际工作中，由于半导体晶体元器件自身电路短路造成的晶体器件失效，这种原因造成的器件失效通过肉眼很难发现。所以需要我们采用光学的检测方法进行检测，已达到检查缺陷，找出原因并得到及时的修复。
        1.2电子显微镜检验
        从光学可见波长方面来说，电子显微镜的分辨率已经接近于光学显微镜分辨率的极限。目前能够聚焦X射线的显微镜还不能够实现放大两百倍以上。为了能准确的查找出半导体元器件上失效的电学不稳定因素，我们可以通过使用透射式电子显微镜来进行检测从而发现半导体器件中的问题。但这种检测技术通常是通过制作一种很薄的样片，来进行技术分析，最终找到器件失效的原因。直接后果是这种减薄处理很容易造成对被检测器件的破坏，因此在进行失效检测技术分析时因仅限于观察晶体缺陷，以减少的器件的伤害。
        1.3化学检测
        采用这种检测方法不仅能够检测半导体元器件的污染情况还能够具体地分析元器件材料，同时还能够通过染色方法观看其可见度的方式来检查针孔是否出现问题。例如，我们把染色的晶片经过漂洗，已经渗透到裂纹中的染料就会流出来，我们通常把这种裂纹区着色叫做染色法，主要是通过不同的裂纹区域会有不同的棕色，然后通过施加一定的电压，就非常容易看到一些形式的裂纹区。这主要是因为这些缺陷导致器件表面形成了很明显的差异，所以通过着色法就能够使其表现出不同深度的棕色。这种检测方法必须由专门的工作人员操作，所以限制了这种方法的应用和发展。
        2.非破坏性检测
        现代生活中，在绝大多数的电子产品中半导体器件是最重要的组成部分，产品质量的运行可靠性是生产厂家以及消费者共同的要求。以前那种十分复杂或者带有破坏性的检测方法就不能满足当前的需要。我们需要有更经济更快捷的检测方法。现在应用的是快速自动检测方法，这种方法基本上能满足生产线环节的测试工作。对于半导体晶体器件失效的检测，非破坏的检测中有许多种检测方法，并且实践中检测效果很好。主要非破坏性检测常见方法如下几种。
        2.1俄歇电子能谱分析
        这种分析方法主要是通过使用小于一千伏的低能电子束对靶材料进行不同能量的二次电子，通过能量分析这些二次电子能够获得一些能量的分布曲线，再通过这些曲线能够得出一系列的能谱，在能谱中能够直观的反映出某些元素的存在。同时能够根据峰值的强度测出不同元素的含量，这种检测数据主要来自被检测器件的表面原子层，进而分析出半导体表面的组成。这种分析方法是一种具有速度快、稳定性好的非破坏性检测方法。在进行元器件失效分析过程中，这种一起能够通过半导体元器件表面的状态分析出半导体器件失效的原因。此外，使用这种方法不仅能够对半导体元件做出精度的深度成分分析，还能够测试出器件损坏的原理。
        2.2激光扫描分析
        此中检测是现在最经常应用的检测方法，用于检测半导体器件的实际工作状况的。这种检测方法对半导体器件不会造成伤害，同时还能检测出集成电路的内部工作状态、以及半导体器件晶体管的直流增减变化情况、同时还能检测到器件的运行温度变化情况。能够实现对器件的检测，简而言之就是通过半导体器件芯片背面就能够对电路的工作情况进行检测，通过具体数据与图形分析出检测的结果。为了满足市场对集成电路的需求，制造出令人满意的集成电路产品是我们共同的目标。
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