芯片缺陷失效分析的主要目的

摘要

对约 50例微波器件失效分析结果进行了汇总和分析，阐述了微波器件在使用中失效的主要原因、分类及其分布。汇总情况表明，由于器件本身质量和可靠性导致的失效约占 80%，其余 20%是使用不当造成的。在器件本身的质量和可靠性问题方面，具体失效机理有引线键合不良、芯片缺陷 （包括沾污、裂片、工艺结构缺陷等 ）、芯片粘结、管壳缺陷、胶使用不当等；在使用不当方面，主要是静电放电 （ ESD ）损伤和过电损伤 （ EOS ）， EOS损伤中包括输出端失配、加电顺序等操作不当引入的过电应力等。

引言

随着现代电子技术的发展，电子系统的工作频率越来越高，微波器件在各种领域中的应用范围越来越广，而在使用过程中遇到的质量和可靠性问题也日益增多，有些已经给生产方和使用方造成了巨大的经济损失。近几年来，电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室受使用方和生产方的委托，承担了大量的微波器件、电路及组件的失效分析工作，本文总结了其中 56个实例，通过汇总分析，探讨微波器件的主要失效模式及失效原因，以及如何在制造工艺、来料检验和分析、使用操作等方面采取优化改进措施，从而达到降低微波器件的失效概率，提高整机系统的可靠性的目的。

器件分类与来源汇总

1.器件类型分类

微波器件我们可以按功能、频率、封装和预定用途等多种影响因素方面进行垃圾分类。由于我国微波器件的失效行为模式和原因企业往往与器件的工艺和结构设计相关，因此需要在后面的汇总数据分析中，主要按自己制造生产工艺方法进行研究分类：第一类是微波分立器件 （即通常人们所说的管子），第二类是微波单片控制电路（MMIC），主要是砷化镓单片电路 ，第三类是微波组件和模块 ，包括公司采用不同封装器件发展以及裸芯片主要组成的各种应用微波混合学习电路和功能管理模块。56个分析问题实例中，共有失效样品144只。其中一个分立器件20批、59只失效样品;单片电路8批、24只失效样品；组件和模块使用最多，有28批、失效样品61只（图1）。

图1 分析研究实例器件类型数据汇总

2.器件来源分类

图2是器件主要来源的汇总分析数据。从图中我们可以通过看到，总数 56批中，进口电子器件是 19批次，约占总批次的 34% ; 失效样品有 41只，约占总样品数的28. 5%。其中中国进口企业分立器件5批、21只失效品;单片控制电路（塑封） 3批、5只失效品；组件和模块 11批、15只失效品。进口器件主要是由于整机设计系统建设单位需要使用，器件结构失效问题直接影响影响到整机工作系统的可靠性，应引起社会高度发展重视。

图2 样品来源汇总

故障模式及原因分类

1.失效模式分类汇总

不同的器件，如分立器件、单片电路和元件，有不同的失效模式，一般可分为功能失效和特性退化两大类，功能失效包括输入或输出短路或开路、无功功率输出、控制功能损耗等。特性降低包括输出功率或增益降低、损耗增加、控制能力降低、饱和电流降低、 pn 结特性降低等。

图3是图的故障模式的摘要。从图中可以看出，56例本发明内容失效分析，样品32是功能故障的一个例子，样品18是特性劣化的例子，和图6是既实用失败，也的特性的劣化。从144的观点来看，104的功能失效，样品的总数的72.2％的样品的总数;特性劣化是40％，约27.8％。总体而言，功能衰竭的主要故障模式。

图3 失效模式汇总

2.失效原因汇总分析

为了确定故障原因和故障机理是故障分析的主要目的，只是为了找到故障的确切原因，它可以有针对性地改善和预防，消除或减少未来的生产和使用故障再次发生，并保证了系统的机器的可靠性。

图4是失效分析原因总的分类汇总图。汇总工作情况研究表明，失效主要原因有两大类： 一类是器件技术本身的质量和可靠安全性问题，具体控制失效影响机理有引线键合不良、芯片设计缺陷 （包括沾污、裂片、工艺进行结构以及缺陷等）、芯片粘结、管壳缺陷、胶使用方法不当等；另一类是使用管理不当行为导致的器件失效，简单可以分为静电放电 （ ESD）损伤和过电损伤（EOS），EOS损伤中包括文化输出端失配、加电顺序等操作方式不当问题引入的过电应力等。

图4 失效原因批次汇总

在56例中，由于设备本身的质量和可靠性导致的故障为45批，占80%左右，样品数量为10570%，由于使用不当导致的故障为11批，约20%，41个样品，约30%（有时，同一批样品或同一样品有两个以上的故障原因）。 因此，由于器件本身的缺陷导致的失效比远高于因使用不当造成的失效比。

结果表明，芯片缺陷、引线键合不良和芯片键合不良分别占总批量的22% 、17% 和14% ，占总批量的53% 以上。失效的主要原因是过电流应力(eos)失效，如操作不当、输出失配、自激振荡等。另外，由于器件类型不同，各种器件的失效原因和比例也不同。

1.分立器件失效原因进行汇总数据分析

图5(A)是离散设备故障原因的总结。 可以看出，对于离散器件，失效的主要原因是芯片缺陷，芯片键合，壳管缺陷和引线键合，分别占离散器件总批次的33%，25%，17%和13%，壳管缺陷是微波脉冲功率器件失效的主要原因。 由于壳层氧化铍陶瓷与钨铜散热底座之间存在大面积的结合腔（见图6），散热性能较差，导致器件在运行中出现热电击穿失效。

图5 单管和单片控制电路的失效分析原因进行汇总：（a）分立器件（b）单片系统电路

图6 微波功率管管壳粘结形成空洞（箭头表示所指不同区域为空洞）：

(a)声学扫描图像(b)光学显微镜图像(c)断面扫描电镜图像

2.单片电路失效原因进行汇总数据分析

无花果。 5(b)是单片电路，主要是GaAs单片电路或多片电路故障原因的总结。 从图中可以看出，芯片缺陷、静电(ESD)损伤和过电压应力是单片电路的三个主要失效原因，各占单件总批次的30。 由于GaAs电路本身，器件的抗静电性和电阻相对于硅器件较弱，大多数单片电路的静电放电灵敏度(ESD)在300~500V(人体模型HBM)范围内。 因此，防静电和过电压应力的保护措施是非常重要的。 特别是静电损伤的电位和积累，即静电损伤后装置不会立即失效，而且会在以后的加电工作中发生爆裂故障；或者轻微的静电放电，但经过多次经验后会突然失效。 如果这些故障发生在计算机上，毫无疑问会造成巨大的损失。 因此，在整体电路的生产、测试、运输、安装和调试等整个运行过程中，必须采取全方位的静电保护措施。 图7是典型的MMIC ESD损伤形态。

图 7　 MM IC的 ESD损伤具有典型进行图片：

（A）的电容损伤; （b）中FET沟道损伤; （c）中伤害抗性

3.组件和模块失效主要原因汇总数据分析

图8是组件和模块的失效原因汇总结果。从图中可以看到，使用方面，主要是操作不当或外电路匹配引起的过电应力（ EOS）失效。从组件本身的质量看 ，主要的失效原因按批次依次为引线键合、保护胶加固、芯片缺陷、芯片粘结、线圈脱落等 ，它们所占比例分别为30. 8% 、15. 4%、15. 4%、11. 5%和11. 5%。这与罗姆航空发展中心收集的混合电路的数据比较一致（见图9） ，从图9中看到，混合电路中 ，有源器件芯片和引线键合引起的失效占据第1、2位；但芯片贴装只排在第7位占1. 8%，而文中的数据显示，国产组件和模块的芯片粘结问题比较严重，比例占10%，急需生产厂家进行工艺改进和提高。图10是几种主要失效模式的典型图片。

组件和模块中引线接合故障率特别高，主要用于从接合线断装置故障的微带线。金或陶瓷PCB基板导向带接合线混合电路是在这个过程中的困难，用于接合到温度，压力，时间等的金线的两个条件的优化，以金上的导带的制造过程中衬底，所述优化电镀条件，微结构，所述表面处理工序污染的问题的表面状态。

8故障分类的部件和模块

图 9　 罗姆航空公司发展研究中心的混合电路失效原因进行分类

主图像图微波元件10的典型故障模式：

（ a ）引线出现不良键合 （ b ） 金带导电胶粘结（ c ） 电感传感器线圈产生脱落

也有4种情况是由导电胶接点加固引起的失效，主要是在温度循环或热冲击后。 结合点（通常是质量不理想的结合点）导致电路电阻的增加，甚至导致开路故障。 许多生产和用户认为导电胶能起到良好的导电作用，因此采用导电胶来加强粘接点。 事实上，导电胶的导电能力很差，它不能在结合点导电，而只对结合点起着固定的保护作用。 然而，当样品工作和测试时，温度升高和降低，导电胶在温度的作用下产生的机械张力会增加接触电阻，导致器件失效。 因此，传导和信号传输的作用取决于良好的金-热压键合。

另一个典型的失败的大会是线圈电感的损失。因为没有固定的，在振动使用的环境下，线圈的电感线路从焊接点开始断开电路，使器件发生故障。

与分立器件和单片电路设计一样，芯片技术缺陷和芯片粘结也是一个组件的主要功能失效分析原因。芯片缺陷主要是通过芯片（包括有源器件发展以及电容芯片）工艺研究结构存在缺陷、芯片开裂、缺损、芯片沾污等。芯片粘结则主要问题表现企业由于粘结质量管理不好，工作时芯片散热性能差发生热失效，甚至可能发生芯片脱落的现象。

另外，也有一个实例由于热设计方法不当，芯片在工作时温度可以达到360°C，导致中国芯片技术完全没有损坏或从基板脱落。对功率组件和模块我们来说，正确的热设计是非常具有重要的。

结论

总结分析了50台微波器件的失效分析结果。 结果如下：

(一)约八成的故障是由于仪器本身的质素及可靠性所致，其余两成则是由于使用不当所致;

（2）总的来看，微波电子器件工作本身存在缺陷问题排在前三位的依次是芯片技术缺陷、引线键合不良影响以及管理芯片进行粘结不良。而使用过程中的失效主要是过电应力 （ EOS）失效 ，如操作方法不当，输出失配、自激振荡等；

（3）对分立器件发展来说，主要功能失效分析原因依次是芯片技术缺陷、芯片粘结、管壳缺陷问题以及引线键合，其中管壳缺陷是微波脉冲功率器件可以使用失效的主要工作原因；

（4）对于单片电路，在处理单片电路的整个过程中，必须加强60%的(ESD)损坏和过电压应力引起的故障和30%的芯片缺陷(例如防静电和过电措施；

(5)从元器件和模块的质量来看，引线键合、保护胶补强、芯片缺陷、芯片键合和线圈脱落是主要失效原因。保护胶补强和开卷是构件特有的失效机理。模块和模块的汇总数据与 rohm 航空研发中心采集的混合电路数据一致，但国产模块由于芯片键合而出现的故障率远远高于国外混合电路，值得生产厂家重视。

从失效原因汇总和分析结果看，对微波器件的生产方来说，针对器件的主要失效原因进行工艺改进 ，可以提高产品的质量和可靠性。对使用方来说，上机使用前，通过采用针对性的检验和分析手段进行质量评价、剔除缺陷器件，可以降低微波器件在使用中的失效率 ，提高整机的可靠性。
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