無損檢測技術在電子元器件失效分析中的應用

徐海衛 曹江萍 杜文波 周銘堯

摘要

電子元器件的無損檢測可以在不破壞芯片使用性能的前提下，對芯片進行失效分析，是保證元器件質量的重要技術手段，本文介紹了紅外檢測、射線檢測、超聲檢測的原理以及在元器件失效分析中的應用，并給出了相關無損技術在元器件失效分析中的應用實例。

【關鍵詞】無損檢測 電子元器件 失效分析應用

1緒論

元器件的失效分析是指運用失效分析的技術手段與設備找出產品的失效點，判斷失效性質，找出失效原因，為生產線改進工藝、設計單位優化設計、使用單位正確使用芯片提供技術依據，元器件失效分析是保證元器件質量與壽命的重要手段。

利用無損檢測技術對電子元器件進行失效分析，不影響芯片芯片的使用功能及后續分析，而且分析過程快捷直觀，因而往往成為元器件失效分析的首選方案。常見的無損失效分析手段有紅外分析技術、射線檢測技術、超聲檢測技術，本文將對這些技術在電子元器件失效分析中的應用進行分析。

2紅外檢測技術電子元器件失效分析中的應用

紅外熱圖可以觀察、記錄和分析被測物體溫場分布，而元器件的失效往往伴隨著器件溫度場的變化，通過分析器件的溫度場的方式來對器件進行失效分析，而不對元器件本身造成損傷。

2.1紅外熱成像技術在功率器件故障分析中的應用

使用紅外熱像儀檢測芯片封裝表層的溫度，可以計算出內部的大致溫度。功率器件的短路失效點往往是率先達到溫度極大值的點，通過記錄并芯片表層溫場3D變化圖，并追蹤到最先達到溫度極大值的點為失效點，由于失效點的瞬態溫度會通過熱傳導的方式向四周散熱，一定時間后芯片表面溫度將變得均勻，應該通過高頻率錄拍的方式記錄芯片表面溫場的動態變化，如圖1所示。

PCB板上元件較多，如果有短路、擊穿、焊接不良等故障，電路板通電后，故障部位的溫度將會發生變化，通過記錄和分析PCB板的溫度變化可以定位故障點，如圖2所示。

2.2紅外熱成像技術在TVS（硅通孔熱分布）評估中的應用

TSV熱分布實驗裝置如圖3，由溫度控制器、銅板、溫度傳感器、熱像儀組成，將樣品用導熱材料粘接在銅板，用控溫儀將銅板控制在預定溫度后，用熱像儀記錄樣品表面溫度場變化，TSV熱分布圖見圖4。由于銅具有良好的導熱性，樣品表面溫度差僅決定于樣品材質，通過熱分布平面圖與熱分布3D圖可以清晰的分辨TSV區域與非TSV區域的溫度差，為評估TSV作用與失效提供準確數據。

2.3紅外技術在元器件失效點定位中的應用

元器件的失效點在通電狀態下往往會漏電并發出微弱的可見光及近紅外光，可通過偵測和定位微弱的發光，來定位元器件失效點，完成這種定位功能的儀器稱作EMMI（微光顯微鏡），EMMI能夠偵測漏電結、接觸毛刺、襯底損傷等信號，EMMI能夠透過硅襯底無損提供芯片缺陷信息，能快速有效地發現故障點。圖5是EMMI失效點定位的實例圖，左圖實際失效點，右圖為儀器定位的異常點。

3射線檢測技術在元器件失效分析中的應用

射線穿過某一物體時，在射線穿透方向上的物質密度不同，射線衰減不同，射線接收探測器接收到的穿透物體后的射線強度不同，將射線強度轉換成亮度或黑體不同的可見圖像，從而實現對物體的內部的無損檢查和測量。

3.1射線檢測在芯片封裝檢測中的應用

射線技術可以用來對芯片封裝無損分析，可以有效觀察芯片封裝內部的缺陷，分層的空氣對射線衰減不敏感，因而裂紋和虛焊是不易被射線觀察，現有的射線檢測設備己能夠對芯片結果進行納米級分辨率檢測。

3D分層掃描技術（CT）可以提供樣品二維切面或三維立圖，可清楚的展示被測芯片內部結構，提高識別、定位內部缺的能力。圖6為一功率器件的封裝缺陷檢測，可以看出芯片內部存在明顯的多孔。

3.2射線檢測PCB焊接質量檢查中的應用

射線檢測可以用來檢測PCB的BGA焊接及組裝，射線可以直接穿透芯片封裝內部，無損地檢查焊接點質量。用于PCB質量檢查的射線檢查儀除了具備能夠看清缺陷的分辨率外，還應該能夠提供傾斜視圖以提供更多的分析細節。圖7為- PCB射線檢查成像圖，可以通過各焊接點的形貌及內部分析來判斷焊接質量。

4超聲技術在元器件失效分析中的應用

超聲波在垂直于固體界面傳播過程中遇到聲阻抗不同的界面時會發生反射，尤其是在聲阻抗差別很大的兩界面幾乎全部反射，因而不同于射線，超聲波對于器件內部的空氣具有極高的敏感性。利用這一特性可以確定元器件焊接層、粘接層、填充層、涂鍍層、結合層的完整性，超聲波可以分層的展現樣品內部的一層一層的圖像。檢測元器件使用的超聲波頻率是高于MHz，因而不會攪動易碎的組件，同時高頻的聲波具有更好的分辨力。圖8是利用超聲波掃描顯微鏡對功率器件的掃描圖，通過成像檢測可以清楚地觀測到功率芯片與散熱銅板粘接的質量。

5結論

隨著集成電路產業的不斷發展，集成電路分析測試產業作為保證電子元器件質量與壽命的重要支撐產業將隨著快速發展，紅外檢測、射線檢測、超聲檢測能夠快捷直觀地對電子元器件進行失效分析，并且具有不破壞芯片使用功能的特點，能夠廣泛地應用于實驗室與元器件生產線的元器件失效分析。

參考文獻

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