一般來說，芯片在研發(fā)、生產(chǎn)過程中出現(xiàn)錯誤是不可避免的，就如房缺補漏一樣，哪里出了問題你不僅要解決問題，還要思考為什么會出現(xiàn)問題。隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性要求的不斷提高，失效分析工作也顯得越來越重要，社會的發(fā)展就是一個發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程，出現(xiàn)問題不可怕，但頻繁出現(xiàn)同一類問題是非常可怕的。本文主要探討的就是如何進行有效的芯片失效分析的解決方案以及常見的分析手段。

失效分析

失效分析是一門發(fā)展中的新興學科，近年開始從軍工向普通企業(yè)普及。它一般根據(jù)失效模式和現(xiàn)象，通過分析和驗證，模擬重現(xiàn)失效的現(xiàn)象，找出失效的原因，挖掘出失效的機理的活動。失效分析是確定芯片失效機理的必要手段。 失效分析為有效的故障診斷提供了必要的信息。 失效分析為設(shè)計工程師不斷改進或者修復(fù)芯片的設(shè)計，使之與設(shè)計規(guī)范更加吻合提供必要的反饋信息。 失效分析可以評估不同測試向量的有效性，為生產(chǎn)測試提供必要的補充，為驗證測試流程優(yōu)化提供必要的信息基礎(chǔ)。

失效分析基本概念

1.進行失效分析往往需要進行電測量并采用先進的物理、冶金及化學的分析手段。

2.失效分析的目的是確定失效模式和失效機理，提出糾正措施，防止這種失效模式和失效機理的重復(fù)出現(xiàn)。

3.失效模式是指觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。

4.失效機理是指失效的物理化學過程，如疲勞、腐蝕和過應(yīng)力等。

失效分析的意義

1.失效分析是確定芯片失效機理的必要手段。

2.失效分析為有效的故障診斷提供了必要的信息。

3.失效分析為設(shè)計工程師不斷改進或者修復(fù)芯片的設(shè)計，使之與設(shè)計規(guī)范更加吻合提供必要的反饋信息。

4.失效分析可以評估不同測試向量的有效性，為生產(chǎn)測試提供必要的補充，為驗證測試流程優(yōu)化提供必要的信息基礎(chǔ)。

失效分析主要步驟和內(nèi)容

芯片開封：

去除IC封膠，同時保持芯片功能的完整無損，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驗做準備。

SEM 掃描電鏡/EDX成分分析：

包括材料結(jié)構(gòu)分析/缺陷觀察、元素組成常規(guī)微區(qū)分析、精確測量元器件尺寸等等。 探針測試：以微探針快捷方便地獲取IC內(nèi)部電信號。

鐳射切割：

以微激光束切斷線路或芯片上層特定區(qū)域。

EMMI偵測：

EMMI微光顯微鏡是一種效率極高的失效分錯析工具，提供高靈敏度非破壞性的故障定位方式，可偵測和定位非常微弱的發(fā)光（可見光及近紅外光），由此捕捉各種元件缺陷或異常所產(chǎn)生的漏電流可見光。

OBIRCH應(yīng)用（鐳射光束誘發(fā)阻抗值變化測試）：

OBIRCH常用于芯片內(nèi)部高阻抗及低阻抗分析，線路漏電路徑分析。利用OBIRCH方法，可以有效地對電路中缺陷定位，如線條中的空洞、通孔下的空洞。通孔底部高阻區(qū)等，也能有效的檢測短路或漏電,是發(fā)光顯微技術(shù)的有力補充。

LG液晶熱點偵測：

利用液晶感測到IC漏電處分子排列重組，在顯微鏡下呈現(xiàn)出不同于其它區(qū)域的斑狀影像，找尋在實際分析中困擾設(shè)計人員的漏電區(qū)域（超過10mA之故障點）。

定點/非定點芯片研磨：

移除植于液晶驅(qū)動芯片 Pad上的金凸塊， 保持Pad完好無損，以利后續(xù)分析或rebonding。

X-Ray 無損偵測：

檢測IC封裝中的各種缺陷如層剝離、爆裂、空洞以及打線的完整性，PCB制程中可能存在的缺陷如對齊不良或橋接，開路、短路或不正常連接的缺陷，封裝中的錫球完整性。

SAM (SAT)超聲波探傷：

可對IC封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行非破壞性檢測, 有效檢出因水氣或熱能所造成的各種破壞如：o晶元面脫層，o錫球、晶元或填膠中的裂縫，o封裝材料內(nèi)部的氣孔，o各種孔洞如晶元接合面、錫球、填膠等處的孔洞。

失效分析的一般程序

1、收集現(xiàn)場場數(shù)據(jù)

2、電測并確定失效模式

電測失效可分為連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效。

連接性失效包括開路、短路以及電阻值變化。這類失效容易測試，現(xiàn)場失效多數(shù)由靜電放電(ESD)和過電應(yīng)力(EOS)引起。

電參數(shù)失效，需進行較復(fù)雜的測量，主要表現(xiàn)形式有參數(shù)值超出規(guī)定范圍(超差)和參數(shù)不穩(wěn)定。

確認功能失效，需對元器件輸入一個已知的激勵信號，測量輸出結(jié)果。如測得輸出狀態(tài)與預(yù)計狀態(tài)相同，則元器件功能正常，否則為失效,功能測試主要用于集成電路。

三種失效有一定的相關(guān)性,即一種失效可能引起其它種類的失效。功能失效和電參數(shù)失效的根源時常可歸結(jié)于連接性失效。在缺乏復(fù)雜功能測試設(shè)備和測試程序的情況下，有可能用簡單的連接性測試和參數(shù)測試方法進行電測，結(jié)合物理失效分析技術(shù)的應(yīng)用仍然可獲得令人滿意的失效分析結(jié)果。

3、非破壞檢查

X-Ray檢測，即為在不破壞芯片情況下，利用X射線透視元器件(多方向及角度可選)，檢測元器件的封裝情況，如氣泡、邦定線異常，晶粒尺寸，支架方向等。

適用情境：檢查邦定有無異常、封裝有無缺陷、確認晶粒尺寸及l(fā)ayout

優(yōu)勢：工期短，直觀易分析

劣勢：獲得信息有限

局限性：

1、相同批次的器件，不同封裝生產(chǎn)線的器件內(nèi)部形狀略微不同;

2、內(nèi)部線路損傷或缺陷很難檢查出來，必須通過功能測試及其他試驗獲得。

案例分析：

X-Ray 探傷----氣泡、邦定線

X-Ray 真?zhèn)舞b別----空包彈(圖中可見，未有晶粒)

“徒有其表”

下面這個才是貨真價實的

X-Ray用于產(chǎn)地分析(下圖中同品牌同型號的芯片)

X-Ray 用于失效分析(PCB探傷、分析)

(下面這個密密麻麻的圓點就是BGA的錫珠。下圖我們可以看出，這個芯片實際上是BGA二次封裝的)

4、打開封裝

開封方法有機械方法和化學方法兩種,按封裝材料來分類，微電子器件的封裝種類包括玻璃封裝(二極管)、金屬殼封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等。

機械開封

化學開封

5、顯微形貌像技術(shù)

光學顯微鏡分析技術(shù)

掃描電子顯微鏡的二次電子像技術(shù)

電壓效應(yīng)的失效定位技術(shù)

6、半導(dǎo)體主要失效機理分析

正常芯片電壓襯度像 失效芯片電壓襯度像 電壓襯度差像

電應(yīng)力(EOD)損傷

靜電放電(ESD)損傷

封裝失效

引線鍵合失效

芯片粘接不良

金屬半導(dǎo)體接觸退化

鈉離子沾污失效

氧化層針孔失效

針對失效分析企業(yè)該如何做？

一、培養(yǎng)失效分析隊伍

難做不等于不能做。對于絕大多數(shù)企業(yè)而言，根據(jù)自己的實力來裝備培養(yǎng)自己失效分析隊伍也是需要的。一般的企業(yè)做失效分析可以先配備一個晶體管圖示儀，好點的國產(chǎn)貨也就萬把塊錢。在一個儀器上培養(yǎng)這方面的人，就比全面鋪開要方便很多。而通過晶體管圖示儀基本上可以把失效器件定位到失效的管腳上，如果條件好，還能確認是電過應(yīng)力損壞還是靜電損壞。知道了這兩點就可以幫助開發(fā)人員檢查設(shè)計，而如果是靜電損傷，則可改善生產(chǎn)使用的防護條件了。

二、建立金相分析實驗室

如果想要再進一步分析，則需要建立一個金相分析實驗室了。這所需要的設(shè)備為：金相顯微鏡、體視顯微鏡和切割機、磨拋機及制樣的耗材了。如果有了這樣的實驗室，除了可以看各種元器件的表面損傷外，還可以通過制作切片的方法觀察內(nèi)部情況。而且實驗室到了這個層次，不僅僅可以用作元器件的失效分析，也可以用于焊接組裝工藝失效的檢查，比如檢查焊接情況、金屬間化合物的生成情況等。而且這時還可以用于元器件的最初認證及進行破壞性物理分析。

到這個階段基本上投入就比較大了。如果使用全套進口設(shè)備，那么總價至少也要60~90萬人民幣左右。如果使用國產(chǎn)設(shè)備那么投入可以少很多。采用全套國產(chǎn)設(shè)備，基本上可以在10萬人民幣以內(nèi)完成。此時對人員素質(zhì)上，需要有了解電子元器件材料科學、半導(dǎo)體物理學的人員進行相關(guān)工作。

對于集成電路而言，很多失效都是發(fā)生在鍵合系統(tǒng)上的，也就是管腳和集成電路芯片的連接上。用金相切片的方法，很多時候會破壞芯片的鍵合系統(tǒng)。這時候，可能會用到開封機來打開集成電路表面的塑料材料。對于很多企業(yè)而且言，這個東西就太貴了，往往要幾萬美元。而且還要經(jīng)常更換噴嘴之類昂貴的耗材，所以很多企業(yè)干脆就不買這個東西，采用手工開封的方法進行，youtube上甚至可以看到老外這么干。不過開封需要使用到強酸，有些化學藥品還屬于國家管制藥品，需要到公安局去備案。而且實際實施時，不論是用開封機還是手工開封，都需要在通風廚中進行，做好個人防護。對于人員而言，除了上述知識外，要動用強腐蝕的化學藥品，原則上要有“危險化學品作業(yè)證”。

三、借助失效分析公司或者高校

一般的企業(yè)做到以上這個層次就可以了。如果在進行上述分析后還無法定案，這時候可以到社會上的失效分析公司，或者到大學高校中去，租借他們的設(shè)備進行分析。對于懷疑有來料問題做造成的批次失效鑒別時，則一定要去具有IEC 17025認證的實驗室去做第三方分析鑒定。他們出具的報告才有法律效力。

如果一個企業(yè)要把自己的企業(yè)做成百年老店，就必須要有質(zhì)量過硬的產(chǎn)品。而失效分析是發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題的重要手段，對提升質(zhì)量有重要意義，希望我們的失效分析不再尷尬。

總結(jié)

開車的人都知道，哪里最能練出駕駛水平?高速公路不行，只有鬧市和不良路況才能提高水平。對于失效分析來說也是如此，只有將失效分析進行徹底了，才能迎來更好的技術(shù)發(fā)展。