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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