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第三卷 单块微电路失效分析 1

3.1引言 1

目录 1

3.2单块微电路开装前的估计 3

3.2.1总结分析得到的失效数据 3

3.2.2验证失效数据 3

3.2.2.1引言 3

3.2.2.2参数测试与所需要的设备 4

3.2.2.2.1数字器件 4

图示目录 5

3-3RCTL器件“截止”电压测试电路 5

3-2RCTL器件“导通”电压测试电路 5

3-1RCTL器件输入电流测试电路 5

第三卷 单块微电路失效分析 5

3-4RCTL器件动态测试电路 6

3-5单块微电路失效分析测试排列 8

3-6DTL器件“0”状态Vco电流测试电路 9

3-7DTL器件“1”状态Vco电流测试电路 9

3-8DTL器件“0”状态输入电流测试电路 10

3-9DTL器件“1”状态输入电流测试电路 10

3-10DTL器件短路输出电流测试电路 11

3-11DTL器件“1”状态输出电流测试电路 11

3-12DTL器件输入电压测试电路 12

3-13DTL器件“0”状态输出电压测试电路 13

3-14DTL器件“1”状态输出电压测试电路 13

3-15DTL器件动态测试电路 14

3-16TTL器件“0”状态输入电流测试电路 15

3-17TTL器件“1”状态输入电流测试电路 16

3-18TTL器件“0”状态输出电压测试电路 17

3-19TTL器件“1”状态电压测试电路 17

3-21TTL器件动态测试电路 18

3-20TTL器件“1”状态短路输出电压测试电路 18

3.2.2.2.2线性器件 19

3-22差分放大器DIVO与CMOVO的测试电路 20

3-23差分放大器VA计算DICO的测试电路 21

3-24差分放大器电压增益（GV），交流讯号和截止频率（Fh）的测试电路 22

3.2.2.3数据的关系 23

3.2.2.4忽好忽坏现象的处理 23

3.2.2.4.1应用分析 24

3.2.2.4.2温度循环 24

3.2.2.4.3振动 24

3.2.2.4.4目查 24

3.2.2.4.5结论 24

3-25曲线扫描仪电路 25

3.2.3.1隔离与导通测试及其设备 25

3.2.3起始电测试 25

3.2.3.2.1数字器件 26

3.2.3.2管脚对管脚测试与寄生效应 26

3-26曲线扫描仪测试电路举例 27

3-27图3-26电路引线1上接“正”电极时曲线扫描仪显示 27

3-28图3-26电路引线2上接“正”电极时曲线扫描仪显示 28

3-29RCTL的门电路 28

3-30RCTL电路引线1上接“正”电极时所预期的曲线扫描仪显示 29

3-31RCTL电路引线1上接“正”电极时实际曲线扫描仪显示 29

3-32抽出电容结构的RCTL的门电路 30

3-34图3-32电路引线7上接“正”电极时所预期的曲线扫描仪显示 30

3-33图3-29电路引线7上接“正”电极时所预期的曲线扫描仪显示 30

3-35RCTL门电路引线7上接“正”电极时的实际曲线扫描仪显示 31

3-36曲线扫描仪比较测试的测试盒 32

3-38DTL门电路的扩散断切面 33

3-37DTL门电路 33

3-39关于寄生元件DTL门电路的组成部件 34

3-41TTL门电路 35

3-40关于用寄生元件DTL门电路 35

3-43关于寄生TTL门电路部件 36

3-42TTL门电路扩散断切面 36

3-44关于寄生元件TTL门电路 37

3.2.3.2.2线性器件 38

3-45有寄生元件（用虚线表示）的线路图 38

3-46扩散断面 39

3.2.4封装的机械估计 40

3.2.4.3密封性估计 40

3.2.4.2X光照相分析 40

3.2.4.1开装前的目查 40

3-47“大漏”检查法测试发现的扁平封装漏气 42

3-48聚乙烯二醇“大漏”检查法测试设备 43

3.3.1.1引言 45

3.3.1扁平封装 45

3.3.1.2微型铣床 45

3.3打开管壳说明 45

3-49To-84型单块微电路扁平封装 46

3-50打开金属扁平封装的微型铣床 47

3.3.1.3刀或锋利工具 47

3-51打开扁平封装的微型铣床 48

3-52打开金属扁平封装的微型铣床的一部分 49

3-53打开扁平封装微型铣床的铣轮机械夹具 50

3.3.1.4打砂 51

3.3.2直插式封装 51

3-54塑料直插式封装 52

3-55单块微电路改进的To-5型封装 53

3-56To-5型封装开装器 54

3.3.3To-5型封装 55

3.4单块微电路开装后的分析 56

3.4.1引言 56

3.4.2目查 56

3.4.2.1设备 56

3-58因金属膜缺陷开路 57

3-57因掩摸缺陷发射极——基极短路 57

3-59因金属膜过多开路 58

3-60金——硅低共熔晶体 58

3-61因金属膜过多开路 59

3.4.2.2典型问题举例 59

3.4.2.2.1引言 59

3.4.2.2.2光刻问题 60

3.4.2.2.3蒸发引线 60

3-62金——硅低共熔晶体 61

3-63因污染引线开路 61

3-64脱焊 62

3-65因化学成分开路 63

3-66引线从窗口脱落 64

3-67引线从氧化物脱落 65

3-68芯片裂缝 66

3.4.2.2.4芯片问题 66

3-69芯片折断 67

3-70切成小片的芯片（短路） 68

3.4.2.2.5连接引线 69

3-71切成小片的芯片（间断的开路） 69

3-72因引线折断开路 70

3-73因引线排列不当短路 71

3.4.2.2.6外引线 72

3-74因机械——封装引线短路 72

3-75外引线与硅芯片短路 73

3-78因电过应力闪光垮接 74

3.4.2.2.7电过应力 74

3-76外引线与外壳短路 74

3-77电过应力 74

3.4.2.3观察到的问题和原始记录问题之间的相互关系 75

3.4.3.2.1功能探测设备 76

3.4.3.2具体需要的设备 76

3.4.3.1引言 76

3.4.3电分析 76

3-79探针装置 77

3-80钨探针磨尖技术 78

3.4.3.2.2选择去除和全部去除引线的设备 78

3-81引线——开路线路 79

3.4.3.2.4温度循环设备 80

3.4.3.2.3修补开路引线 80

3.4.3.3.1引言 81

3.4.3.3.2目视观察到的缺陷检验 81

3.4.3.3数字电路 81

3.4.3.2.5去除金属膜 81

3-82好的TTL门电压值 82

3.4.3.3.3关于不能目视观察的缺陷 82

3.4.3.3.4估计典型问题的举例 82

3-84有缺陷的TTL门晶体管测得的电压 83

3-83有缺陷的TTL门实际电压值 83

3-86有缺陷的RCTL门实际电压值 84

3-85好的RCTL门电压值 84

3-88好的DTL门应有的电压值 86

3-87隔离Q－输出晶体管时需将引线断开 86

3-90包含DTL门缺陷的引线部分 87

3-89有缺陷的DTL门实际电压值 87

3.4.3.4线性电路 88

3.4.3.4.1引言 88

3.4.3.4.2直流与交流电路分析 88

3-91差分放大器电路（SN350，得克塞斯仪器公司） 88

3-92晶体管的工作区域 90

3-93晶体管低频等效电路 91

3-94测试γ6的曲线扫描仪显示器 92

3-95测试γe的曲线扫描仪显示 94

3-96测试β与γe的曲线扫描仪显示 95

3-97基本晶体管连接法 96

3-98SN350推挽放大器等效电路 100

3.4.3.4.3目查验证缺陷 102

3.4.3.4.4确定观察不到的缺陷 104

3-99有缺陷的SN350差分放大器实际电压值 106

3-100串联各级增益相乘（Av1·Av2） 108

3-101SN350差分放大器电路简化图 108

3.4.3.5电问题举例 110

3.4.3.5.1引言 110

3.4.3.5.2光刻窗中的氧化物 110

3-103上图光刻窗中的氧化物位置 111

3-102光刻窗中的氧化物 111

3.4.3.5.3开路的针形，劈刀形和超声键合 112

3.4.3.5.4开路球焊接 113

3-104开路键合 113

3-105开路球键合（金——铝系统） 114

3-106开路球键合（金——金系统） 114

3.4.3.5.5扩散不当 114

3-107因扩散不当引起电阻——衬底短路 115

3-108因扩散不当引起电阻——电阻短路 115

3-109因扩散不当引起集电极——衬底短路 116

3-110因扩散不当引起基极——衬底短路 116

3-111去除金属膜后的氧化层针孔 117

3.4.3.5.6氧化物缺陷（针孔） 117

3.4.3.5.7反型层 117

3-112NPN基极反型层的C～E测试与PNP集电极反型层的B～C测试 118

3-113PNP集电极反型层的C～E测试 118

3.5半导体器件的冶金截面 119

3.5.1引言 119

3.5.2密封材料与技术 119

3.5.2.1密封材料 119

3.5.2.2密封技术 120

3.5.2.2.2样品夹 120

3.5.2.2.1表面清洁 120

3-114塑料夹子 121

3.5.2.2.3环氧树脂密封 122

3.5.2.2.4抽空器件表面的空气 122

3-115配制环氧化物与催化剂的玻璃量杯装置 123

3-116排泄环氧树脂混合物的真空装置 124

3.5.3粗磨设备与技术 125

3.5.4精磨设备与技术 125

3-117研磨粉范围 126

3-118样品夹在带形研磨器上的适当部位 127

3.5.5粗抛光设备与技术 128

3-119样品夹在精细磨床上的适当部位 129

3-120割痕平均深度（割痕深度——研磨粉的尺寸） 130

3-121样品在精抛光时去除多余材料的速率 131

3.5.6精抛光设备与技术 132

3-122样品夹在精抛光机上的适当部位 135

3.5.7显示硅结材料与技术 136

3.5.7.1引言 136

3.5.7.2材料 136

3.5.7.3用法 137

3.6热扫描器 139

3.6.1引言 139

3-123热扫描器 140

3.6.3数据的测量 141

3.6.2能力与极限 141

3.7.1.2物理检查 143

3.7.1.1引言 143

3.7.1电子显微术 143

3.7其他分析技术 143

3-124施加应力前铝条的电子显微照相 145

3-125经过大电流与高温后的铝条电子显微照相 146

3-126经过高温梯度与化学腐蚀后的铝条电子显微照相 147

3.7.1.3细小粒子的化学分析 148

3.7.1.3.1引言 148

3.7.1.3.2电子衍射 148

3-127晶体管平面模型与电子衍射效应说明 148

3.7.1.3.3电子衍射应用 149

3-128铝的电子衍射图形 150

3-129器件片上不规则生长的电子显微照相 151

3-130不规则生长与电子衍射图形的电子显微照相 152

3-131不规则生长的电子显微照相 153

3.7.2电子微探针 154

3.7.2.1引言 154

3.7.2.3电子微探针化学元素分析举例 155

3.7.2.2样品准备 155

3-132有引线分解的单块微电路 156

3-133有引线分解区域中的微探针抽样电流显示 157

3-134有引线分解区域中氯表面分布的微探针显示 158

3-135有外来材料粒子的单块微电路 159

3-136有外来材料粒子区域中的微探针显示 160

目录 174

第四卷 单块微电路可靠性估计 174

4.1导言 174

4.2可靠性基本概念 175

4.2.1质量概念 175

4.2.1.1引言 175

4.2.1.2质量概念的定义 175

4.2.1.2.1引言 175

4.2.1.2.2抽样方案所提供的保证 176

4-1工作特性曲线 178

图示目录 178

4-2平均出去质量曲线 179

表列目录 182

4-1（批数2～3200,AQL0.40～6.5）正常检验的单抽样方案 182

4-2批数大于200的抽样方案 183

4-3批数为200或小于此数的超几何抽样方案（接受数＝0） 184

4-5批数为200或小于此数的超几何抽样方案（接受数＝2） 185

4-4批数为200或小于此数的超几何抽样方案（接受数＝1） 185

4.2.2可靠性概念 186

4.2.2.2统计分布 186

4.2.2.1引言 186

4.2.2.3.1引言 186

4.2.2.3指数分布 186

4.2.2.3.2失效率计算示范 188

4-3零次失效置信度上限 189

4.2.2.3.3表示失效率的其他方法 190

4-4一次失效置信度上限 190

4-5二次失效置信度上限 191

4-6三次失效置信度上限 192

4.2.2.4维伯分布 192

4.2.2.4.1引言 192

4-7四次失效置信度上限 193

4-8五次失效置信度上限 194

4-9维伯分布 195

4.2.2.4.2维伯分布的应用 196

4-10测实α和β的维伯几率图表 197

4-6抽样项目的维伯分布 198

4-11危险率（瞬时失效） 199

4-12DTL门随机抽样中器件的频率分布，这些门在逻辑“0”输出电压参数测量方面试验为“好” 201

4.2.2.5正则（高斯）分布 202

4.2.3.3数据之间的矛盾 203

4.2.3选择有意义的数据 203

4.2.3.1引言 203

4.2.3.2恰当的失效标准 203

4-13正则（高斯）分布 203

4.2.3.4试验过程中的差错 204

4.2.4正确反映试验结果 204

4.3靠性与器件类型 205

4.3.1引言 206

4.3.2外加应力 206

4-14可靠性带宽 207

4.3.2.1机械应力 207

4.3.2.2电应力 207

4.3.3制造工艺对失效率的影响 208

4.3.4封装技术及其对失效率的影响 208

4-151965年以前从芯片将引线丝键合到封装引线上的玻璃——金属扁平封装法 209

4.3.5靠性估计方法中的变数 209

4.3.6待建系统的规模 210

4.3.7系统可靠性的估计点 211

4.3.8失效率估计技术——数学方法 212

4.3.9器件应用的方法——系统设计 214

4-16两种失效率之间的差别：元件制造厂家估计的失效率和不同时间阶段中观察到的失效率 214

4.3.10系统的环境 215

4-17对单块微电路所估计失效率的验证 217

4.3.12购买器件的生产期 219

4.3.11决定失效率的系统——条件法 219

4.3.13人因素的控制 219

4.3.14抽样统计变化 220

4.3.15可靠性数据的应用方法 220

4-7权衡可靠性带可变因素示例 220

4.3.16小结 221

4.4平均寿命特性 222

4.4.1.2基本假定 222

4.4.1.1引言 222

4.4.1讨论 222

4-8用于取得等效失效率的温度减额加速因子 223

4-9可靠性敏感参数 224

4-18正向偏压试验电路 226

4-19反向偏压试验电路 226

4.4.2.2稳态工作寿命试验 226

4.4.2.1引言 226

4.4.2工作寿命 226

4-11 DTL类基本逻辑系列工作寿命试验数据一览表 226

4-20环形计数器试验电路 227

4.4.2.3串联开关寿命试验 227

4.4.2.4加负载的环形计数器试验电路 228

4.4.2.5并联开关寿命试验 228

4.4.2.6小结 228

4-10 RCTL类基本逻辑系列工作寿命试验数据一览表 229

4-13 线性器件工作寿命试验数据一览表（运算放大器和差分放大器） 230

4-12 TTL类基本逻辑系列工作寿命试验数据一览表 230

4-21工作寿命试验电路（RCTL，三输入，双门） 231

4-22工作寿命试验电路（DTL，双输入，四门） 232

4-23工作寿命试验电路（TTL，双输入，四门） 233

4.4.3贮存寿命 234

4-24工作寿命试验电路（运算放大器） 234

4-15 DTL类基本逻辑系列贮存寿命试验数据一览表 235

4-17线性电路贮存寿命试验数据一览表（运算和差分放大器） 236

4-16 TTL类逻辑系列贮存寿命试验数据一览表 236

4-18单块微电路主要的基本逻辑系列工作和贮存寿命能力综合表 237

4.4.4参考文献 238

4.5环境承受力 239

4.5.1引言 239

4.5.2机械应力 239

4.5.2.1引言 239

4.5.2.2试验方法 240

4.5.2试验结果 240

4-19基本逻辑器件系列机械应力试验一览表 241

4-20基本逻辑器件系列热－化学应力试验一览表 243

4.5.3.3试验结果 244

4.6.1引言 245

4.6重过应力承受状况 245

4-14 RCTL类逻辑系列贮存寿命试验数据一览表 245

4.6.2功率阶应力试验 245

4-25TTL系列温度阶应力试验的失效分布 246

4-21功率阶应力试验一览表 246

4.6.3温度阶应力试验 246

4-22 RCTL、DTL、TTL和线性系列单块微电路的温度阶应力试验一览表 247

4-26线性系列温度阶应力试验的失效分布 248

4.7参数稳定性 249

4.7.1引言 249

4.7.2数字电路参数稳定性 249

4.7.2.1参数漂移的基本因素 249

4.7.2.3参数稳定性分析结果 250

4.7.2.2分析参数稳定性的步骤 250

4-27延长工作寿命试验，平均值和标准偏差值（RCTL，六输入非与／非或门） 251

4-28温度阶应力试验，平均值和标准偏差值（RCTL，六输入非与／非或门） 252

4-29工作阶应力试验，平均值和标准偏差值（RCTL，六输入非与／非或门） 253

4-30防潮能力，平均值和标准偏差值（RCTL，双三输入非与／非或门） 254

4-31在温度升高时与工作寿命有关的线性运算放大器的电压增益（·10）的稳定性 255

4-32在温度升高时与工作寿命有关的线性运算放大器的电压增益（·10）的稳定性 256

4.7.3线性电路的稳定性 257

4.5.3热化学应力 422

4.5.3.1引言 422

4.5.3.2试验方法 422