本文重要介绍半导体器件的失效分析及可靠性测试，分述如下：
失效分析概述
封装缺陷与失效
加速失效的因素
可靠性测试
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失效分析概述
失效分析实质是对器件的电特性失效采取分析手段，明确不良原因和机理，并提出预防措施和建议。
失效分析的手段
无损检查：利用射线穿透（如X-ray、3DCT）或超声扫描（如C-Scan、T-scan）等方法，不改变器件原始封装状态。
有损检查：（本文不作讲解）。
失效分析的重要性
为解决方案提供实验论据；为提高产品可靠性提供科学依据；从微观结构探索器件不可靠因素及其影响因素（如工作条件、环境应力和时间）。
常见失效表现
半导体器件常见的失效模式：开路、短路、无功能、特性退化(劣化)、重测合格和结构不好。
常见的失效现象：烧毁、漏气、腐蚀或断腿、环氧树脂裂纹、芯片黏结不良等。
失效现象的复杂性：一些失效现象不是孤立的，可能是多种因素综合作用的结果，需要系统分析。
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封装缺陷与失效
封装缺陷与失效的研究方法论
封装失效机理：过应力和磨损失效。
影响因素：材料、设计、环境、工艺等。
确定方法：试验、模拟仿真、物理模型法、数值参数法、试差法（但效率低、花费高）。
引发失效的负载类型
机械载荷：物理冲击、振动、应力、惯性力等，可能导致形变、断裂、分层、疲劳裂缝等。
热载荷：高温、预加热、成型工艺等，可能导致尺寸变化、CTE失配、局部应力、燃烧等。
电载荷：电冲击、电压不稳、电流波动、静电放电等，可能导致介质击穿、电压表面击穿、热损耗、电解腐蚀等。
化学载荷：腐蚀、氧化、离子表面树枝状结晶生长等，湿气是主要问题，可导致性能退化、失效等。
交互作用：不同类型载荷可能同时在塑封器件上产生交互作用，如CTE失配引起的机械失效、应力辅助腐蚀等。失效机理的综合影响不一定等于个体影响的总和。
封装体失效的分类
分层：
定义：塑封料在黏结界面处与相邻材料分离。
原因：水汽、湿气、温度及共同作用，水汽诱导分层主要由高温下水汽压力导致。
影响因素：无铅焊料回流温度高、吸湿膨胀系数、封装工艺不良等。
后果：为水汽扩散提供路径，是树脂裂缝的源头。
气相诱导裂缝（爆米花现象）：
定义：封装体内水汽通过裂缝逃逸时产生的爆裂现象。
易发器件：大而薄的塑封形式、芯片底座面积与器件面积比大、芯片底座面积与最小塑封料厚度比大的器件。
伴随问题：键合球断裂、硅凹坑等。
减少方法：高温烘烤去除湿气，安全湿气含量约为1100×10-6。
脆性断裂：
发生材料：低屈服强度和非弹性材料（如硅芯片）。
原因：过应力作用，起源于微小缺陷（如空洞、夹杂物）。
韧性断裂：
发生材料：塑封材料，取决于环境和材料因素（温度、聚合树脂的黏塑特性、填充载荷）。
疲劳断裂：
定义：塑封材料在周期性应力作用下因累积疲劳而发生的断裂。
产生载荷：湿、热、机械或综合载荷。
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加速失效的因素
主要加速因子
潮气：加速分层、裂缝和腐蚀失效。影响塑封料特性，如玻璃化转变温度、弹性模量和体积电阻率。
温度：利用温度等级评估对封装失效的影响，与玻璃化转变温度、热膨胀系数及热-机械应力相关。改变封装材料属性、湿气扩散系数和金属间扩散。
污染物和溶剂性环境：提供失效萌生和扩展的场所。污染源包括大气污染物、湿气、助焊剂残留等。湿气和污染物扩散至金属部位引起腐蚀。
残余应力：芯片黏结产生单向应力，大小取决于芯片黏结层特性。模塑成型时产生较大应力。
自然环境应力：塑封料可能发生降解，如聚合键断裂。高温、密闭环境、紫外线和臭氧加速降解。
制造和组装载荷：高温、低温、温度变化、操作载荷等可能导致封装失效。爆米花现象是典型例子。
综合载荷和应力条件：在制造、组装或操作过程中，失效加速因子常同时存在，进一步加速失效。常用于加速试验设计，以筛选缺陷部件和鉴别易失效封装器件。
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可靠性测试
半导体器件在完成封装后，为了全面评估其长期稳定性和质量，必须进行一系列可靠性测试。这些测试旨在模拟器件在实际工作环境中可能遇到的各种极端条件，以确保其能在规定的时间内和规定的条件下，无故障地完成规定的功能。
常见的可靠性测试项目包括：
高温存储寿命测试（HTSL）：在150℃的储存箱中不通电存储，分别在168h、500h、1000h后进行通电测试，并与常温下的特性值进行比较。
高温反偏测试（HTRB/GB）：在150℃、80%湿度的条件下，对功率器件的基极或门极加载反偏电压，持续一段时间后读取电特性值。
高温工作寿命测试（HTOL）：在125℃的储存箱内，对器件施加规范内的最高和正常工作电压，持续一段时间后读取电特性值。
高温、高湿度电测（THBT）：在85℃、85%湿度的条件下，施加最小工作电压，持续一段时间后读取电特性值。
温度循环试验：在-65℃至150℃或-55℃至150℃的温度范围内进行循环，读取特定循环次数后的电特性值。
压力锅试验（PCT）：将测试元器件封装体放入121℃的水容器中施加压力，持续一段时间后读取电特性值。
高温加速应力试验（HAST）：在130℃、85%湿度的条件下，施加压力和反偏电压，持续一段时间后读取电特性值。该测试条件严苛，常用于快速检验产品可靠性。
在半导体器件封装的可靠性测试中，除了上述提到的几种常见测试项目外，还有一些其他测试方法和考虑因素，它们对于全面评估器件的长期稳定性和可靠性同样重要。
晶须生长测试（Whisker Growth Test）
目的：评估封装体引脚电镀层金属须的生长情况，以防止因晶须导致的短路或断路故障。
测试条件：通常将器件置于高温高湿环境中（如烘箱），持续数月至一年，以加速晶须的生长过程。
应用：特别适用于引脚间距小或电流密度大的功率器件。
离子迁移测试（Ionic Migration Test）
目的：评估在电场作用下，封装体内离子迁移导致的电性能变化或失效。
测试条件：施加一定的电压和湿度条件，观察电特性随时间的变化。
应用：适用于含有易迁移离子的封装材料或结构。
气密性测试（Hermeticity Test）
目的：评估封装体的气密性能，以防止外部湿气、污染物等侵入导致失效。
测试方法：采用氦质谱检漏仪等方法检测封装体内的漏气情况。
应用：特别适用于对气密性要求高的封装结构，如气密封装。
热机械应力测试（Thermomechanical Stress Test）
目的：评估封装体在热机械应力作用下的变形、开裂等失效情况。
测试条件：施加一定的温度变化和机械应力，观察封装体的响应。
应用：适用于评估封装体的热机械稳定性和可靠性。
综上，可靠性测试是半导体器件封装过程中不可或缺的一环，它对于确保器件的长期稳定性和质量至关重要。通过合理选择测试项目和严格执行测试标准，可以全面评估器件的可靠性表现，并为后续的产品设计和生产提供有力的支持。
来源于学习那些事，作者小陈婆婆
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