过的样品继续进行试验，测试没有通过的样品，则要进行失效分析。器件电学性能测试
异常，通常有三种情况：开路、短路、电参数漂移。
器件失效常常有二种情况，一种是所谓的过载（overstress），另一种是破损（wearou
t）。前一种的失效是瞬时的、灾难性的，后一种是累积的，漫长的，首先表现在器件性
能的衰退，然后才是器件失效。引起器件失效的机理有多种，但常与金属部件的锈蚀联
系在一起，造成锈蚀的原因包括机械、热、电学、辐射、化学（mechanical、thermal、
electrical、radiation、chemical）等诱导因素。在机械方面，包括一般的冲击、振动
（如汽车发动机罩下面的电子装置）、填充料颗粒在硅芯片上产生的应力、惯性力（如
加农炮外壳在发射时引信受到的力）等，这些负荷对材料和结构的响应有弹性形变、塑
性形变、弯曲（buckle）、脆性或柔性断裂（fracture）、界面分层、疲劳裂缝产生及
增殖、蠕变（creep）及蠕变开裂等；在热学方面，包括芯片粘结剂固化时的放热、引线
键合前的预加热、成型工艺、后固化、邻近元器件的重新加工（rework）、浸锡、波峰
焊、回流焊等，热负荷造成的影响在于材料的热膨胀，由于材料之间的CTE失配，引起局
部应力，导致失效；在电学方面，突然的电冲击（如汽车发动时的点火）、由于电压不
稳和电传输过程中突然的振荡（如接地不良）而引起的电流波动、静电电荷、电过载或
输入电压过高、电流过大，电负荷造成介电击穿、电压表面击穿、电能的热损耗、电迁
移，还会引起电锈蚀、由于枝蔓晶生长而引起的漏电流、电热降解等；在辐射方面，封
装材料中微量的放射性元素（如铀、钍等放射性元素）引起的a粒子辐射，尤其对存储器
有影响，会引起器件性能下降及包封料的降聚作用，在器件表面覆盖聚酰亚胺涂层或用
人工合成的填充料都是解决的途径；在化学方面，环境造成的锈蚀、氧化、离子表面枝
蔓生长等都会引起失效，而潮湿环境下的潮气进入则是最主要的问题，进入塑封料中的
潮气，会将材料中的催化剂等其它添加剂中的离子萃取出来，生成副产品，进入芯片上
的金属焊盘、半导体结构、材料的界面等，激活失效机理。另外，特殊的机械失效也会
影响器件性能，如双极型器件中的小信号电流增益和MOS器件中的互导主要受较大机械应
力的影响。减小应力诱导参数变化和失效的方法之一是积极从封装设计、材料选择和工
艺参数中来分配热收缩应力。
失效机理分析对于理解和改进塑料封装工艺方面的价值是无法估量的，对失效的器件进
行彻底的、正规的分析，并采取适当的改进措施，可以大大提高生产力、成品率和封装
质量。同时，为了保证器件的电学和力学方面的可靠性，在封装设计中失效分析也是关
键的因素，而为了使失效分析达到最佳效果，一定要按部就班地进行分析，以保证不遗
漏相关的信息。发现器件失效后，要找到真正引起失效的原因或机理，并不太容易。除
了封装模块的开裂之外，其它失效都发生在模块之内。所以，要了解器件失效的真正原
因，必须有相应的分析手段。失效分析方法一般可分为无损检测和开封检测二种。无损
检测就是借助于光、电、声等方法，在不破坏器件结构的条件下，寻找器件失效的原因
。开封检测则是首先打开器件的封装部分，再借助仪器设备对失效原因进行检测。是否
要打开包封体是在进行失效分析时要作的第一个重要的决定，一些非破坏性的分析技术
，如光学显微镜、X射线显微术和扫描声显微镜在失效分析中已被广泛应用，因为它们可
以观察器件的外部形貌或可以"穿透"包封体而"看到"封装内部的一些失效情况。但是，
当封装内部缺陷尺度小于1微米时，就达到了这些技术的分辨率极限。在许多情况下，需
要打开包封体以检测封装内部的缺陷。开封方法包括化学、机械和等离子体刻蚀等。
器件失效的分析方法有许多，包括各种价格昂贵的专门设备，下面，将介绍一些常用的
分析设备。
X射线成象术：X射线可以穿过塑封料并对包封内部的金属部件成像，因此，它特别适用
于评价由流动诱导应力引起的引线变形和/或芯片焊盘的位移。在电路测试中，引线断裂
的结果是开路，而引线交叉或引线压在芯片焊盘的边缘上或芯片的金属布线上，则表现
为短路。X射线分析还可用于评估气泡的产生和位置，塑封料中那些直径大于1毫米的大
空洞，很容易探测到，而微束（fine focus）X射线分析仪可探测到尺寸更小的气泡。X
射线分析仪都有一个可以三维移动的平台，并且还可以在一定范围内旋转。在Z轴方向上
，要有足够的位移，以方便在不同位置上聚焦。在XY方向，平台要足够大，以方便对整
条框架带进行检测而不用将模块切割下来，因为引线扭曲是朝着与转移罐同方向或远离
转移罐方向发展，常常暗示着在封装材料选择、封装设计、模具设计和工艺参数确定中
的不足，所以，需要在一次检测中同时完成一条框架带上的模块，而不是将模块从框架
代上切割下来检测。用X射线检测芯片焊盘的位移较为困难，因为焊盘位移相对于原来的
位置来说更多的是倾斜而不是平移，所以，在用X射线分析时必须从侧面穿过较厚的塑封
料来检测。检测芯片焊盘位移更好的方法是用剖面法，这已是破坏性分析了。
C－SAM：C模式扫描超声显微镜的工作原理与普通医学上所用的B超很相似，只是它使用
的是C模式。声波显微镜很快被集成电路封装研究和失效分析实验室接受是因为它可提供
封装电路内部损坏的非破坏性图像，例如封装开裂、空洞、分层等。用于检测集成电路
封装的声波成像技术有好几种，但最广泛应用的模式是反射式。在该种模式中，聚集声
波脉冲穿过封装模块，返回的声波（回声）用于内部结构的成像，这种技术就是通常所
说的C－SAM，因为它将七十年代在斯坦福大学发展起来的扫描声显微术与五十年代起就
用于非破坏性测试的C－扫描检测深度分布结合起来，充分发挥了精确分析和显示能力。
因为声波是物质波（matter wave），C－SAM技术能够反映X射线成像术无法探测到的封
装裂痕。C－SAM的初级声波脉冲频率在15到100兆赫兹，现在，一些用于探测倒扣芯片封
装缺陷的C－SAM的频率更高达250兆赫兹以上。C－SAM的空间分辨率在50到400微米之间
，取决于许多因素，包括声波显微镜的频率、封装模块的厚度及塑封料对声波的吸收等
。
显微镜：显微镜在封装失效分析中十分有用，许多电路中的特征和缺陷度是通过显微镜
确定的。显微镜包括一般的光学显微镜和电子显微镜。光学显微镜的放大倍数从低倍、
中倍到高倍都很有用，可以用于观测开封后的封装模块芯片表面缺陷，如球焊的浮起，
钝化层开裂等。光学显微镜最好可以同时从目镜和显示屏中观察，若带有成像技术（拍
照、录象）就更加理想。扫描电子显微镜（SEM）也是十分有用的失效分析工具，它可以
用于观察光学显微镜无法清楚反映的问题，并可以把缺陷放大。大部分SEM都附带EDX（
energy dispersion X-ray），可用于探测所选区域的材料成分（元素），对于表面沾污
、界面分层等的分析很有帮助。透射电子显微镜（TEM）在封装失效分析中也有使用，但
并不普遍。
其它分析方法：由于封装工艺中大量使用高分子材料，所以，一些高分子表征手段使用
也十分广泛，如DSC（differential scanning calorimetry，差分扫描量热仪）、TMA（
thermomechanical analysis，热机械分析）、TGA（thermogravimetric analysis，热
重分析）、DMA（dynamic mechanical analysis，动态机械分析）及流变分析等，这些
设备可以帮助了解和掌握高分子材料的热性能、机械（力学）性能和流变性能，对于工
艺条件的改进是很有帮助的。另外，一些表面分析仪器如SIMS、TOF－SIMS、AES、XPS、
FTIR等在封装失效分析中也常常用到，由于在前面各章中已作了专门介绍，在这里就不
再重复了。
在器件失效分析中，另一种十分有用的分析方法是剖面分析（cross-section）方法，即
将封装模块进行切割，观察其截面情况。为了使剖面分析能真正反映失效的部位及失效
模式，切割的位置和剖面制备的方法都很重要。剖面制备的方法可以通过带锯、轮锯等
金刚石工具进行切割，然后用研磨、抛光等方法，对截面进行进一步的加工，以使表面
更易观察。制备完成的样品可以在光学显微镜、电子显微镜等下面进行进一步的观察和
分析，以获取更多的信息。但是，剖面制备过程中，也可能破坏原有的器件结构，使某
些失效信息丢失，因此，在进行剖面分析之前，要进行全面的考虑，拟定完整的分析方
案。
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