CN110196256B - 一种半导体器件的机械力失效分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：对失效器件分析手段，找到失效点，确定失效器件的失效形貌；将失效器件的失效形貌分三大类；对判定为第三类的失效器件做进一步分析；通过复现试验及应力分析，明确器件失效机理，分辨出碰撞力和板级应力失效；根据器件失效机理，针对性的提出碰撞力和板级应力失效的改善措施。

Description

一种半导体器件的机械力失效分析方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件机械力损伤的失效分析及方法，特别涉及一种区分碰撞力和板级应力导致器件失效的失效分析方法。
背景技术
半导体器件的失效通常是因为产生的应力超过了它们的最大额定值。机械应力、电气应力、热应力、化学应力、辐射应力及其他因素都会造成器件失效。在产品的制造、运输、使用等场景中，元器件极易遭受机械应力的作用而出现失效。其中，作用于器件的机械应力包括碰撞力和板级力。一般失效分析工作会对器件进行外观检查、X-ray透视、化学处理、金相切片等步骤分析，可明确器件受到机械力损伤，但区分器件的机械损伤属于碰撞力失效还是板级力失效，目前还没有较系统的失效分析方法指导，这直接影响机械力损伤失效场景的定位，不能提出针对性的改善措施。
当前，根据通用的半导体器件失效分析方法，一些器件的分析结果只能定性为机械力损伤，失效分析流程的进行遇到阻碍，直接导致不能根据具体失效情景提出针对性的改善措施。因此，制定一套区分碰撞力和板级应力的失效分析流程及方法成为机械力失效分析领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是：在机械力失效分析中，提供一种区分碰撞力和板级应力的失效分析方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对失效器件进行分析，找到失效点，确定失效器件的失效形貌；
步骤二：将失效器件的失效形貌分三大类：第一类为较明显的碰撞失效形貌，较明显的碰撞失效形貌是外观有撞击凹坑或者按压痕迹；第二类为较明显的板弯失效形貌，较明显的板弯失效形貌是焊点开裂或器件断裂；第三类为碰撞/板级应力不明确的失效形貌，若失效器件没有较明显的碰撞失效形貌或板弯失效形貌，或者分析人员不能分辨器件是撞击或板级失效，均可认为是不明确的失效形貌；
步骤三：对判定为第三类的失效器件做进一步分析，首先结合器件的背景调查，推测器件遭受机械力的来源，其次罗列产品可能面临的场景及每个场景可能作用于产品的机械力，场景包括碰撞场景、板弯场景；
步骤四：取一定数量的正常样品做撞击测试，模拟步骤三中的各碰撞场景，若原失效形貌得到复现，则可以明确器件失效为碰撞力失效；
步骤五：取一定数量的正常样品做板弯测试，模拟步骤三中的各板弯场景，若原失效形貌得到复现，则可以明确器件失效为板级应力失效；
步骤六：若复现试验失败，取正常的样品做应变排查，模拟步骤三中的各板弯场景，实测各场景下失效器件所在区域的应变A，若器件实测应变大于器件的失效阈值A0，则器件板级失效风险高，明确器件失效为板级应力失效；若器件实测应变小于器件的失效阈值A0，则器件板级失效风险低，可以明确器件失效为碰撞力失效；
步骤七：通过步骤四、步骤五及步骤六的复现试验及应力分析，明确器件失效机理，分辨出碰撞力和板级应力失效；
步骤八：根据器件失效机理，针对性的提出碰撞力和板级应力失效的改善措施。
优选地，步骤一中，所述分析手段包括外观检查、化学处理、X-ray透射、金相切片、成分分析。
优选地，步骤二中，所述碰撞失效形貌位于器件上半部；所述板弯失效形貌位于器件下半部。
优选地，步骤三中，所述场景包括生产、使用、运输、失效。
优选地，步骤四中，将碰撞力作用于正常样品直至失效，分析撞击试验的失效样品，若模拟场景下的样品失效形貌与原失效品形貌一致，则可以确定器件遭受的机械力为碰撞力。
优选地，步骤五中，将板级应力作用于正常样品直至失效，分析板弯试验的失效样品，若模拟场景下的样品失效形貌与原失效品形貌一致，则可以确定器件遭受的机械力为板级应力。
优选地，步骤六中，器件的失效阈值A0是衡量器件单体可靠性的指标，不同器件的失效阈值A0不同；器件的失效阈值A0越高说明器件的可靠性能越好，器件的失效阈值A0越低说明器件的可靠性能越差。
本发明首次给出了区分器件机械力失效的分析方法，首次将应变测试方法应用在器件失效分析方法中，并与复现试验结合，从形貌观察、应变排查、失效复现三个方面对比板级应力和碰撞力作用的差异，对器件机械力损伤的分析起着指导作用。
附图说明
图1为本发明的流程图，其中：
1.初步分析手段包括外观检查、X-RAY检查、化学处理、金相切片等；
2.撞击失效特征主要指失效品有明显的撞痕、凹坑等；
3.板弯失效特征主要指器件底部、焊点开裂等；
4.背景调查包括但不限于制造场景、运输场景、使用场景、失效场景的调查；
5.板级应变排查过程，A表示实测某一场景下器件的板弯应变，A0表示器件的失效阈值。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以电容器件机械力损伤为例，失效分析流程包括以下步骤：
首先，对排除电、热等非机械力因素作用的失效电容进行外观检查、X-RAY透视检查、金相切片等分析。观察电容外观，陶瓷表面有微裂纹，电容所在PCB板无严重变形。对失效电容进行切片，电容内部裂纹延伸至电容顶部，但裂纹形貌非典型板级裂纹，故裂纹产生原因需进一步确认。
失效机理的进一步确认，需要结合失效样品背景。调查得知，样品无严苛使用场景，使用过程中无跌落、撞击等非正常场景，但样品在生产阶段有返修记录，而失效电容恰好在螺钉孔附近，推测可能是返修过程中人工锁螺钉力过大造成板弯失效。
推测失效原因后，需要进行应变实测证实猜想。取正常的PCB板，将应变片贴在PCB板上失效电容所在的位置，测试人工锁螺钉过程中电容所在位置的应变值为1200ue，而失效电容本体所能承受的最大应变值(电容失效阈值)为800ue，实测应变值远大于失效阈值(1200ue>800ue)，由此可知，失效电容在人工锁螺钉操作中板级风险高，板级应力作用电容导致失效的可能性大。
同时，取10pcs正常PCB板，每块单板均进行人工锁螺钉的操作，测试电容功能，若电容功能正常，重复锁螺钉、测试电容功能的操作，直至测试电容失效，将锁螺钉试验失效电容进行切片，与原失效电容进行失效模式对比，发现锁螺钉试验失效电容的裂纹形貌/位置与原失效分析电容一样，即人工锁螺钉操作复现了原电容失效模式。
综合应变排查和复现试验的结果，得出电容失效原因是人工锁螺钉的压力过大导致螺钉孔周边电容板级应力超标。确定电容机械力失效为板级应力失效后，需要提出针对性的改善措施。改善措施1，降低人工锁螺钉压力；改善措施2，更改设计，调整失效电容与螺钉孔距离，使电容布局远离螺钉孔。

Claims (7)

1.一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对失效器件进行分析，找到失效点，确定失效器件的失效形貌；
步骤二：将失效器件的失效形貌分三大类：第一类为较明显的碰撞失效形貌，较明显的碰撞失效形貌是外观有撞击凹坑或者按压痕迹；第二类为较明显的板弯失效形貌，较明显的板弯失效形貌是焊点开裂或器件断裂；第三类为碰撞/板级应力不明确的失效形貌，若失效器件没有较明显的碰撞失效形貌或板弯失效形貌，或者分析人员不能分辨器件是撞击或板级失效，均可认为是不明确的失效形貌；
步骤三：对判定为第三类的失效器件做进一步分析，首先结合器件的背景调查，推测器件遭受机械力的来源，其次罗列产品可能面临的场景及每个场景可能作用于产品的机械力，场景包括碰撞场景、板弯场景；
步骤四：取一定数量的正常样品做撞击测试，模拟步骤三中的各碰撞场景，若原失效形貌得到复现，则可以明确器件失效为碰撞力失效；
步骤五：取一定数量的正常样品做板弯测试，模拟步骤三中的各板弯场景，若原失效形貌得到复现，则可以明确器件失效为板级应力失效；
步骤六：若复现试验失败，取正常的样品做应变排查，模拟步骤三中的各板弯场景，实测各场景下失效器件所在区域的应变A，若器件实测应变大于器件的失效阈值A0，则器件板级失效风险高，明确器件失效为板级应力失效；若器件实测应变小于器件的失效阈值A0，则器件板级失效风险低，可以明确器件失效为碰撞力失效；
步骤七：通过步骤四、步骤五及步骤六的复现试验及应力分析，明确器件失效机理，分辨出碰撞力和板级应力失效；
步骤八：根据器件失效机理，针对性的提出碰撞力和板级应力失效的改善措施。
2.如权利要求1所述的一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，步骤一中，分析手段包括外观检查、化学处理、X-ray透射、金相切片、成分分析。
3.如权利要求1所述的一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，步骤二中，所述碰撞失效形貌位于器件上半部；所述板弯失效形貌位于器件下半部。
4.如权利要求1所述的一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，步骤三中，所述场景包括生产、使用、运输、失效。
5.如权利要求1所述的一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，步骤四中，将碰撞力作用于正常样品直至失效，分析撞击试验的失效样品，若模拟场景下的样品失效形貌与原失效品形貌一致，则可以确定器件遭受的机械力为碰撞力。
6.如权利要求1所述的一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，步骤五中，将板级应力作用于正常样品直至失效，分析板弯试验的失效样品，若模拟场景下的样品失效形貌与原失效品形貌一致，则可以确定器件遭受的机械力为板级应力。
7.如权利要求1所述的一种半导体器件的机械力失效分析方法，其特征在于，步骤六中，器件的失效阈值A0是衡量器件单体可靠性的指标，不同器件的失效阈值A0不同；器件的失效阈值A0越高说明器件的可靠性能越好，器件的失效阈值A0越低说明器件的可靠性能越差。
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