印制板及其组件(PCB&PCBA)是电子产品的核心部件,PCB&PCBA的可靠性直接决定了电子产品的可靠性。为了保证和提高电子产品的质量和可靠性,对失效进行全面的理化分析,确认失效的内在机理,从而有针对性地提出改善措施。
电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,确认最终的失效原因,提出改进设计和制造工艺的建议,防止失效的重复出现,提高元器件可靠性。
集成电路复杂度与性能要求的持续攀升,叠加设计、制造、封装及应用环节的潜在风险,导致短路、开路、漏电、烧毁、参数漂移等关键失效模式频发。这不仅造成昂贵的器件报废与系统宕机,更常引发设计方、代工厂、封测厂与终端用户间的责任争议,带来重大经济损失与信誉风险。
高分子材料性能要求持续提升,而客户对高要求产品及工艺的理解差异,导致断裂、开裂、腐蚀、变色等典型失效频发,常引发供应商与用户间的责任纠纷及重大经济损失。
金属构件服役环境日益苛刻,对材料性能和结构可靠性提出更高要求。然而,设计缺陷、材料瑕疵、制造偏差或不当使用等因素,极易引发疲劳断裂、应力腐蚀开裂、氢脆、蠕变、磨损、过载变形等典型失效。
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坏消息:三极管失效!更坏的消息:三极管间歇性失效!!

发布时间: 2026-08-12 00:00
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间歇性失效之所以棘手,核心在于它自带极强的 “反排查” 特性:在实验室受控条件下测试,器件往往表现完全正常,让人误以为问题已经消失;可一旦装配到整机产品中,故障便会再次复现。

本次故障对象为三极管 —— 一款行业内应用十分普遍的成熟通用器件,在客户端发生间歇性不导通故障。该器件年消耗量达亿级规模,倘若证实属于批次性工艺缺陷,召回与返工成本将波及整条产品线,损失巨大。

客户送检样品清单:

  • 3 颗确认故障的NG样品

  • 2 颗电气测试合格,但被标记为 “可疑” 的样品

  • 3 颗性能正常的OK样品

有一个值得思考的问题:两颗可疑器件电测全部通过,客户为何还要单独筛选出来送检?大家可以带着这个疑问继续往下看,到最后就会明白,这恰恰是整条失效链路中,最需要警惕的关键环节。


1.外观检查

用体视显微镜对所有样品(3颗NG + 2颗可疑 + 3颗OK)进行表面形貌观察。

  • NG样品:封装背面均出现异常孔洞,孔洞周边有晕圈状变色,疑似局部受热导致塑封料变性;

NG样品外观图

NG样品外观图

  • 可疑样品:同样存在孔洞和晕圈,但程度相对较轻——孔洞更小,晕圈更淡;

可疑样品外观图

可疑样品外观图

  • OK样品:封装背面光滑完整,无任何异常。

OK样品外观图

OK样品外观图

结论:NG样品和可疑样品的封装均存在局部过热迹象,OK样品没有。


2.电性能测试

用半导体参数分析仪对比测试所有样品的静态参数,包括三项击穿电压(BVCBO、BVCEO、BVEBO)、发射极漏电流(IEBO)、基极-发射极电压(VBE)和直流电流增益(hFE),结果如下。

  • 所有样品的三项击穿电压(BVCBO、BVCEO、BVEBO)和漏电流(IEBO)全部满足规格要求,NG样品的VBE和hFE严重偏离规格,可疑样品和OK样品的全部参数均在规格范围内。

静态参数测试值

静态参数测试值

结论:NG样品的击穿特性正常,排除晶元击穿,VBE异常偏高、hFE异常偏低,说明导通路径上存在异常高阻抗——问题出在"通路上",而非晶元本身;可疑品电气参数全部合格,常规电测无法发现它们的隐患。


3.X-ray无损透视

用X射线对所有样品的内部结构进行无损透视,重点观察键合丝的完整性。

  • NG样品:内部键合丝均发生断裂,断裂位置全部在B点(第二焊点,即键合丝与引线框架连接处);

NG样品内部结构图

NG样品内部结构图

  • 可疑样品:B点处疑似存在键合丝缺损,程度比NG样品轻,但位置一致;

可疑样品内部结构图

可疑样品内部结构图

  • OK样品:内部键合引线完整,未发现明显异常。

OK样品内部结构图

OK样品内部结构图

结论:NG样品和可疑样品键合丝断裂位置高度一致,可疑品同一位置已存在缺损,指向键合工艺的共性问题。


4.超声界面扫描

用C-SAM对所有样品进行超声扫描,检测晶元表面和金属框架界面的分层情况。

  • 晶元表面:NG样品存在严重界面分层,可疑样品及OK样品无明显分层;

超声扫描图-晶元表面

超声扫描图-晶元表面

  • 金属框架表面(晶元位置、第二焊点位置):NG样品存在分层,可疑样品及OK样品同样存在分层。

超声扫描图-金属框架(晶元位置)

超声扫描图-金属框架(晶元位置)

超声扫描图-金属框架(第二焊点)

超声扫描图-金属框架(第二焊点)

结论:晶元表面分层是NG样品独有的特征,分层意味着键合点界面结合不良,会导致接触阻抗增大、局部发热加剧,是可靠性隐患的直接信号。


5.化学开封观察

用化学开封法去除封装胶体,暴露晶元和键合丝,用SEM进行高倍形貌观察,本次开封了两颗NG样品(#2、#3)和一颗可疑样品(#4)。

NG样品(#2):

  • 晶元表面无烧毁迹象——排除过电应力(EOS)导致的大电流烧毁;

  • 键合焊点已脱落,说明键合界面属于"弱连接",焊点本身存在可靠性问题;

  • 键合丝断裂位置在B点,与X-ray结果一致;

  • 断口无熔融形貌,但存在明显的疲劳特征;断口附近的键合丝表面存在径向疲劳损伤——这是典型机械疲劳断裂,不是电过应力熔断。

NG样品(#2)断口显微形貌

NG样品(#2)断口显微形貌

NG样品(#3):

  • 焊盘键合位置存在明显的"挤出效应"(Bond Pad Extrusion)——键合时超声功率/压力/时间参数偏大的典型特征;

  • 键合焊点异常脱落;

  • B点键合丝晶间裂纹明显,属于疲劳特征;

  • 焊点表面裂纹说明封装内应力较大。

NG样品(#3)开封后形貌

NG样品(#3)开封后形貌

可疑样品(#4):

  • 焊盘同样存在明显挤出效应;

  • B点位置存在键合缺陷,缺陷位置与NG失效品完全一致——证实这是共性问题;

  • 但键合丝表面未发现疲劳损伤特征,焊点与焊盘结合良好,未发现脱焊。

可疑样品(#4)开封后形貌

可疑样品(#4)开封后形貌

结论:键合工艺不良(焊盘挤出+B点缺陷)是NG样品和可疑样品的共性问题,NG样品在此基础上叠加了疲劳断裂,可疑样品尚未发展到这一步——但已有"病因",只是还没"发病"。


6.切片分析 + EDS成分分析

对NG样品(#1)的键合位置进行多剖面切片,从截面方向观察封装内部结合状态,同时对裂纹区域进行EDS元素成分分析。

切片位置1(右侧键合点):

  • 该位置塑封树脂内存在大量孔洞,说明该区域局部放热剧烈;

  • 左侧键合点位置树脂无异常;

  • 右侧键合点界面处存在明显分层,与C-SAM结果一致。

NG样品(#1)焊点剖面形貌(位置1)

NG样品(#1)焊点剖面形貌(位置1)

切片位置2(两侧键合点):

  • 两侧键合点均存在分层现象,右侧键合点已完全开裂;

  • 在裂纹位置进行EDS分析,检出异常腐蚀元素——氯(Cl)。

NG样品(#1)焊点剖面形貌(位置2)

NG样品(#1)焊点剖面形貌(位置2)

结论:焊盘界面存在Cl污染,叠加焊盘挤出效应,两者共同导致键合界面阻抗增大,断裂为脆性疲劳特征,非电应力熔断,最终排除EOS,Cl的来源需进一步追溯——可能是芯片制造中的清洗残留,也可能是封装工序引入。


失效原因

综合六步分析,失效机理可以用一个清晰的"三步正反馈链"来描述:

第一步:键合不良导致局部发热。 键合焊盘存在严重挤出效应(超声键合参数不当),同时焊盘界面检出Cl元素(腐蚀性污染残留)。两者的共同作用导致键合界面的接触阻抗增大。电流通过高阻抗界面时,根据焦耳定律(P=I²R),键合点区域温度上升。

第二步:热应力触发疲劳开裂。 温度升高带来的热膨胀加剧了封装材料(塑封料、引线框架、晶元)之间的热失配,封装内应力随之增大。内应力的间歇性释放对键合丝B点(本身就存在工艺缺陷)施加循环载荷,启动疲劳失效过程——键合丝表面出现径向疲劳裂纹,断口呈典型的贝纹状疲劳形貌。

第三步:疲劳微裂纹加速恶化(正反馈)。 疲劳裂开产生的微裂纹进一步增大了局部阻抗,裂纹位置还可能发生局部放电现象。阻抗增大→发热增多→应力增大→裂纹扩展→阻抗再增大——形成恶性循环,最终键合丝完全断裂,器件开路不导通。

这个正反馈循环解释了"间歇性不良"的原因:在疲劳裂纹尚未完全贯穿键合丝时,器件处于"接触时断时续"的状态;一旦裂纹完全贯穿,就变成永久性开路。

改进建议

  1. 加强键合工艺参数管控:焊盘挤出效应提示超声功率、键合压力或键合时间偏大。建议对键合参数(US Power、Force、Time)进行窗口验证,找到最优区间。

  2. 排查Cl污染来源:Cl元素的存在可能是晶元制造端(如清洗液残留)或封装端(如助焊剂、模塑料添加剂的分解产物)引入。建议用离子色谱分析来料晶元和封装材料的可提取离子含量,锁定污染来源。

  3. 增加来料DPA(破坏性物理分析):常规电性测试查不出可疑品的隐患(#4、#5电性全正常但B点已有缺陷),建议对关键批次增加DPA抽检,包括键合拉力测试、键合剪切力测试、切片检查焊盘挤出和界面污染情况。

  4. C-SAM作为筛选手段:本案例中,只有失效品在C-SAM下出现晶元表面分层。如果C-SAM可以作为批产筛选工具,或许能在早期筛出高风险器件,但需确认分层是失效的"前兆"还是"伴随现象"。

  5. 关注B点键合可靠性:B点是键合丝成弧后的第二焊点,工艺上比第一焊点(晶元侧)更容易出现参数偏差。建议在键合工艺FMEA中,将B点键合列为高RPN项进行专项控制。

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