什么是失效分析?

失效分析(FA)是根據(jù)失效模式和現(xiàn)象，通過(guò)分析和驗(yàn)證，模擬重現(xiàn)失效的現(xiàn)象，找出失效的原因，挖掘出失效的機(jī)理的活動(dòng)。

一、集成電路為什么要做失效分析？

1、失效分析是要找出失效原因，采取有效措施，使同類(lèi)失效事故不再重復(fù)發(fā)生，可避免極大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡；

2、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；

3、促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和安全可靠性提升；

4、失效分析為制定或修改技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)；

5、失效分析也是仲裁失效事故、開(kāi)展技術(shù)保險(xiǎn)業(yè)務(wù)及對(duì)外貿(mào)易中索賠的重要依據(jù)。

二、失效分析流程？

圖1：失效分析流程

三、常見(jiàn)的失效分析方法樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

集成電路常用失效分析方法有X-RAY，SAT，IV，Decap，EMMI，F(xiàn)IB，SEM，EDX，Probe，OM，RIE等，因?yàn)槭Х治鲈O(shè)備昂貴，大部分需求單位配不了或配不齊需要的設(shè)備，因此借用外力，使用對(duì)外開(kāi)放的資源，來(lái)完成自己的分析也是一種很好的選擇。各種分析項(xiàng)目測(cè)試時(shí)需要準(zhǔn)備的信息有哪些呢？

（一）超聲波掃描顯微鏡（SAT）:

含義：超聲波掃描顯微鏡（SAT）是一種利用超聲波為傳播媒介的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)發(fā)射高頻超聲波傳遞到樣品內(nèi)部，在經(jīng)過(guò)兩種不同材質(zhì)之間界面時(shí)，由于不同材質(zhì)的聲阻抗不同，對(duì)聲波的吸收和反射程度的不同，進(jìn)而采集的反射或者穿透的超聲波能量信息或者相位信息的變化來(lái)檢查樣品內(nèi)部出現(xiàn)的分層、裂縫或者空洞等缺陷。

檢測(cè)內(nèi)容：

1.材料內(nèi)部的雜質(zhì)顆粒、夾雜物、沉淀物

2.內(nèi)部裂紋

3.分層缺陷

4.空洞、氣泡、空隙等

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

SAT是一種常用的無(wú)損檢測(cè)分析方法。樣品需要在去離子水中測(cè)試，對(duì)樣品密封性，平整性有要求，適合塑封集成電路表面平整的樣品，不適合陶瓷封裝金屬封裝集成電路。以SONIX設(shè)備為例，樣品尺寸需要在20CM以?xún)?nèi)。SAT有不同的探頭選擇，比如15MHz，35MHz，75MHz，110MHz，230MHz。探頭頻率越高掃描精度越高，相應(yīng)的掃描時(shí)間越長(zhǎng)，穿透率越差。探頭頻率越低掃描精度越差，頻率低探頭穿透力大，掃描更深，更快。這項(xiàng)測(cè)試基本都是按機(jī)時(shí)計(jì)費(fèi)的，影響機(jī)時(shí)的因素主要是掃描精度和掃描面積。用戶(hù)可以根據(jù)樣品情況和掃描要求在精度，深度方面做取舍。

（二）X射線(xiàn)（X-Ray）:

含義：X-Ray是利用陰極射線(xiàn)管產(chǎn)生高能量電子與金屬靶撞擊，在撞擊過(guò)程中，因電子突然減速，其損失的動(dòng)能會(huì)以X-Ray形式放出。而對(duì)于樣品無(wú)法以外觀(guān)方式觀(guān)測(cè)的位置，利用X-Ray穿透不同密度物質(zhì)后其光強(qiáng)度的變化，產(chǎn)生的對(duì)比效果可形成影像，即可顯示出待測(cè)物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可在不破壞待測(cè)物的情況下觀(guān)察待測(cè)物內(nèi)部有問(wèn)題的區(qū)域。

檢測(cè)內(nèi)容:

1.觀(guān)測(cè)DIP、SOP、QFP、QFN、BGA、Flipchip等不同封裝的半導(dǎo)體、電阻、電容等電子元器件以及小型PCB印刷電路板

2.觀(guān)測(cè)器件內(nèi)部芯片大小、數(shù)量、疊die、綁線(xiàn)情況

3.觀(guān)測(cè)芯片crack、點(diǎn)膠不均、斷線(xiàn)、搭線(xiàn)、內(nèi)部氣泡等封裝缺陷，以及焊錫球冷焊、虛焊等焊接缺陷

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

X-RAY寫(xiě)清樣品尺寸，數(shù)量，材質(zhì)。尺寸需要在50cm以?xún)?nèi)，尺寸越小可以?huà)呙璧木仍礁撸訷XLON為例樣品最佳精度能達(dá)到1um，X-RAY主要是基于密度差成像，密度大的可以看到，密度小的直接穿透，適合觀(guān)察低密度包裹高密的的樣品，比如塑封樣品看金線(xiàn)，需要提醒一點(diǎn)密度小的可能就看不到了，比如集成電路鋁綁線(xiàn)在x-ray下幾乎看不到，TO封裝的粗鋁線(xiàn)能稍微看到一點(diǎn)影子。

（三）IV自動(dòng)曲線(xiàn)量測(cè)儀(IV):

IV驗(yàn)證及量測(cè)半導(dǎo)體電子組件的電性、參數(shù)及特性。比如電壓-電流。

檢測(cè)內(nèi)容：

1.Open/Short Test

2.I/V Curve Analysis

3.Idd Measuring

4.Powered Leakage（漏電）Test

圖5：IV測(cè)試效果圖

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng):

寫(xiě)清管腳數(shù)量，封裝形式，加電方式，電壓電流要求及限制范圍。實(shí)驗(yàn)人員需要提前確認(rèn)搭建適合的分析環(huán)境，確認(rèn)是否有適合的scoket。測(cè)試時(shí)做好靜電防護(hù)。

（四）開(kāi)封（decap）：

含義：Decap即開(kāi)封，也稱(chēng)開(kāi)蓋，開(kāi)帽，指給完整封裝的IC做局部腐蝕，使得IC可以暴露出來(lái)，同時(shí)保持芯片功能的完整無(wú)損，保持 die，bond pads，bond wires乃至lead-frame不受損傷，為下一步芯片失效分析實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，方便觀(guān)察或做其他測(cè)試（如FIB，EMMI）， Decap后功能正常。

檢測(cè)內(nèi)容：

1.IC開(kāi)封（正面/背面） QFP， QFN， SOT，TO， DIP，BGA，COB等

2.樣品減薄（陶瓷，金屬除外）

3.激光打標(biāo)

4.芯片開(kāi)封（正面/背面）

5.IC蝕刻，塑封體去除

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

寫(xiě)清樣品尺寸，數(shù)量，封裝形式，綁線(xiàn)材質(zhì)，開(kāi)封要求。decap后做什么。若集成電路在pcb板上，最好提前拆下，pcb板子面較大有突起，會(huì)影響對(duì)芯片的防護(hù)，

（五）微光顯微鏡（EMMI）：

含義：EMMI主要偵測(cè)IC內(nèi)部所放出光子。在IC元件中，EHP（Electron Hole Pairs）Recombination會(huì)放出光子（Photon）。如在P-N結(jié)加偏壓，此時(shí)N阱的電子很容易擴(kuò)散到P阱，而P的空穴也容易擴(kuò)散至N，然后與P端的空穴（或N端的電子）做EHP Recombination。

檢測(cè)內(nèi)容：

1.P-N接面漏電；P-N接面崩潰

2.飽和區(qū)晶體管的熱電子

3.氧化層漏電流產(chǎn)生的光子激發(fā)

4.Latch up、Gate Oxide Defect、Junction Leakage、

Hot Carriers Effect、ESD等問(wèn)題

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

EMMI寫(xiě)清樣品加電方式，電壓電流要求和限制條件，是否是裸die，是否已經(jīng)開(kāi)封，特殊要求等，EMMI是加電測(cè)試，可以連接各種源表，確認(rèn)加電要求，若實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有適合的源表，可以自帶，避免做無(wú)用功。

EMMI可以捕捉波長(zhǎng)范圍在900-1600nm波段的近紅外光。多用來(lái)定位集成電路pn結(jié)電流異常。需要特別注意的是，因?yàn)榧呻娐方饘賹訒?huì)遮擋光子，一般建議樣品背面Decap后做EMMI。

(六）聚焦離子束顯微鏡(FIB):

含義：FIB是將液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)離子槍加速，聚焦后照射于樣品表面產(chǎn)生二次電子信號(hào)取得電子像，此功能與SEM（掃描電子顯微鏡）相似，或用強(qiáng)電流離子束對(duì)表面原子進(jìn)行剝離，以完成微、納米級(jí)表面形貌加工。

檢測(cè)內(nèi)容：

1.芯片電路修改和布局驗(yàn)證

2.Cross-Section截面分析

3.Probing Pad

4.定點(diǎn)切割

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

FIB寫(xiě)清樣品尺寸，材質(zhì)，導(dǎo)電性是否良好，若尺寸較大需要事先裁剪。一般樣品臺(tái)1-3cm左右，太大的樣品放不進(jìn)去，也影響定位，導(dǎo)電性好的樣品分析較快，導(dǎo)電性不好的，需要輔助措施才能較好的分析。比如表面噴金，貼導(dǎo)電膠，切點(diǎn)觀(guān)察的，標(biāo)清切點(diǎn)要求。切線(xiàn)連線(xiàn)寫(xiě)清方案，發(fā)GDS文件。

（七）形貌觀(guān)測(cè)（SEM）:

含義：

SEM可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀(guān)成像。具有景深大，倍率高優(yōu)勢(shì)，放大倍率能到幾十萬(wàn)倍，可以看到nm精度。

檢測(cè)內(nèi)容：

1.材料表面形貌分析，微區(qū)形貌觀(guān)察

2.材料形狀、大小、表面、斷面、粒徑分布分析

3.薄膜樣品表面形貌觀(guān)察、薄膜粗糙度及膜厚分析

4.納米尺寸量測(cè)及標(biāo)示

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

寫(xiě)清樣品尺寸，材質(zhì)，導(dǎo)電性是否良好，若尺寸較大需要事先裁剪。一般樣品臺(tái)1-3cm左右，太大的樣品放不進(jìn)去，也影響定位，導(dǎo)電性好的樣品分析較快，導(dǎo)電性不好的，需要輔助噴金或?qū)щ娔z分析。

（八）成分分析（EDX）:

含義：

EDX是借助于分析試樣發(fā)出的元素特征X含義：射線(xiàn)波長(zhǎng)和強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)不同元素特征X射線(xiàn)波長(zhǎng)的不同來(lái)測(cè)定試樣所含的元素。通過(guò)對(duì)比不同元素譜線(xiàn)的強(qiáng)度可以測(cè)定試樣中元素的含量。通常EDX結(jié)合電子顯微鏡（SEM）使用，可以對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)成分分析。

檢測(cè)內(nèi)容:

1.微區(qū)成分定性分析

2.元素成分及大概比例

圖10：EDX測(cè)試效果圖

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

EDX寫(xiě)清樣品尺寸，材質(zhì)，EDX是定性分析，能看到樣品的材質(zhì)和大概比例，適合金屬元素分析。

（九）探針臺(tái)（Probe）：

含義：

探針臺(tái)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)、光電行業(yè)。針對(duì)集成電路以及封裝的測(cè)試。廣泛應(yīng)用于復(fù)雜、高速器件的精密電氣測(cè)量的研發(fā)，旨在確保質(zhì)量及可靠性，并縮減研發(fā)時(shí)間和器件制造工藝的成本。

檢測(cè)內(nèi)容：

1.微小連接點(diǎn)信號(hào)引出

2.失效分析失效確認(rèn)

3.FIB電路修改后電學(xué)特性確認(rèn)

4.晶圓可靠性驗(yàn)證

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

寫(xiě)清樣品測(cè)試環(huán)境要求，需要搭配什么源表，使用什么探針，一般有硬針和軟針，軟針較細(xì)，不易對(duì)樣品造成二次損傷。硬針成本低，Probe測(cè)試有耗材費(fèi)。

(十)顯微鏡分析（OM）：

含義:

可用來(lái)進(jìn)行器件外觀(guān)及失效部位的表面形狀，尺寸，結(jié)構(gòu)，缺陷等觀(guān)察。

檢測(cè)內(nèi)容:

1.樣品外觀(guān)、形貌檢測(cè)

2.制備樣片的金相顯微分析

3.各種缺陷的查找

4.晶體管點(diǎn)焊、檢查

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng):

寫(xiě)清樣品情況，對(duì)放大倍率要求。OM屬于表面觀(guān)察，看不到內(nèi)部情況。

（十一）離子蝕刻（RIE）：

含義：RIE是干蝕刻的一種，這種蝕刻的原理是，當(dāng)在平板電極之間施加10～100MHZ的高頻電壓（RF，radio frequency）時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)百微米厚的離子層（ion sheath），在其中放入試樣，離子高速撞擊試樣而完成化學(xué)反應(yīng)蝕刻，此即為RIE（Reactive Ion Etching）。

檢測(cè)內(nèi)容:

1.用于對(duì)使用氟基化學(xué)的材料進(jìn)行各向同性和各向異性蝕刻，其中包括碳、環(huán)氧樹(shù)脂、石墨、銦、鉬、氮氧化物、光阻劑、聚酰亞胺、石英、硅、氧化物、氮化物、鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢鈦以及鎢

2.器件表面圖形的刻蝕

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng):

寫(xiě)清樣品材質(zhì)，需要看到的區(qū)域。

注釋?zhuān)?/p>

EDX：X射線(xiàn)能譜（Energy Dispersive X-ray spectroscopy，EDX）作為元素分析方法之一，用于材料微區(qū)元素種類(lèi)與含量分析。

審核編輯：劉清