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失效分析一直伴隨著整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈，復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈中任意一環(huán)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)帶來(lái)芯片的失效問(wèn)題。芯片從工藝到應(yīng)用都會(huì)面臨各種失效風(fēng)險(xiǎn)，筆者平時(shí)也會(huì)參與到失效分析中，這一期就對(duì)失效分析進(jìn)行系統(tǒng)的講解，筆者能力有限，且失效分析復(fù)雜繁瑣，只能盡力的總結(jié)一些知識(shí)體系，肯定會(huì)有很多不足與缺漏。

一.失效的定義：

造成失效的原因不一而足，失效的表現(xiàn)也紛擾復(fù)雜，在進(jìn)行失效分析之前需要確定什么是失效？

1.性能異常：

這種情況比較常見(jiàn)，芯片的功能正常，但是某些性能未達(dá)標(biāo)。面對(duì)這種情況更多的是從設(shè)計(jì)端入手，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)去定位原因，無(wú)論是版圖還是電路設(shè)計(jì)問(wèn)題，亦或是其他原因，失效分析時(shí)都要需要很精細(xì)的去排查問(wèn)題。

2.功能異常：

芯片某些功能失常，甚至芯片無(wú)法啟動(dòng)。而發(fā)生這種情況的原因大致有三種：

2.1 電路設(shè)計(jì)：

芯片完全滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)要求，但是問(wèn)題出在電路設(shè)計(jì)上，電路有缺陷從而導(dǎo)致功能異常。這種情況下很多失效分析手段都無(wú)能為力，因?yàn)閱?wèn)題出在設(shè)計(jì)端，所有的芯片都面臨同一問(wèn)題，無(wú)法提供參照指標(biāo)，沒(méi)有基線也就無(wú)法判定“好”與“壞”。只能通過(guò)FIB對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行切割/連接，利用Nano-Probe對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)量，從而慢慢推斷出問(wèn)題，過(guò)程會(huì)伴隨著巨大的工作量。

2.2 芯片可靠性設(shè)計(jì)：

芯片本身的電路設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，但是芯片在物理可靠性設(shè)計(jì)上有所欠缺，從而造成芯片存在可靠性缺陷。芯片在面對(duì)EOS、ESD、EMI、應(yīng)力、溫度等外界刺激時(shí)發(fā)生了損傷，從而造成了功能失常?？煽啃缘膹?qiáng)弱也直接決定了芯片量產(chǎn)后的良率。

2.3 工藝：

這種情況在先進(jìn)工藝上比較明顯，F(xiàn)ab的工藝出現(xiàn)問(wèn)題從而導(dǎo)致芯片失效。現(xiàn)在很多先進(jìn)制程下的芯片最后的良率只能達(dá)到50%~60%很大因素是因?yàn)楣に嚿系膯?wèn)題（筆者的分析主要是針對(duì)已經(jīng)固化的成熟工藝）。

電路功能失效的顯著特征就是普遍性，同一批都會(huì)出現(xiàn)相同的問(wèn)題，無(wú)一幸免。而大多數(shù)因物理可靠性造成的失效都具備一定隨機(jī)性，要么失效程度不一，要么需要一定的觸發(fā)條件。因?yàn)槲锢砜煽啃缘娜毕荻斐赡骋恍阅馨l(fā)生異常的可能性也有，所以失效分析還是要基于實(shí)際情況，具體問(wèn)題具體分析。（筆者也見(jiàn)過(guò)很?chē)?yán)重的物理可靠性缺陷而導(dǎo)致同批芯片全部失效）

二.失效層次：

半導(dǎo)體器件的失效可以根據(jù)失效發(fā)生的階段劃分為三個(gè)層次：

芯片（裸片）層次：芯片層次的失效是目前出現(xiàn)概率最高的階段，因?yàn)楝F(xiàn)在芯片工藝與設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，工藝偏差，設(shè)計(jì)不到位等多方面因素，都會(huì)造成芯片在制造、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中發(fā)生失效。

封裝層次：封裝過(guò)程中鍵合失效，打線過(guò)重，粘連失效，空洞過(guò)多等因素都會(huì)造成封裝層次上的失效，隨著現(xiàn)在封裝技術(shù)愈發(fā)先進(jìn)，封裝過(guò)程中出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)也在上升。

應(yīng)用層次：下游客戶(hù)在芯片應(yīng)用端造成的失效。諸如PCB板設(shè)計(jì)不合理、超出極限的應(yīng)用場(chǎng)景等，這種情況就不表了。

三．失效分析流程：

記錄失效表現(xiàn)，將芯片失效的“癥狀”記錄下來(lái)，諸如短路、開(kāi)路、漏電、性能異常、功能異常、時(shí)好時(shí)壞等。很多失效原因其表現(xiàn)出的“癥狀”是相似的，例如漏電，物理?yè)p壞能造成漏電，隔離不到位也能造成漏電，Latch-up問(wèn)題也會(huì)造成漏電。

定位失效層次，在交付后的應(yīng)用端發(fā)生失效，還是封裝后失效，亦或是裸片自身就有問(wèn)題。三種不同層次對(duì)應(yīng)不同的失效分析思路。

失效觸發(fā)條件，正常功能測(cè)試中出現(xiàn)失效；高低溫測(cè)試出現(xiàn)失效；ATE出現(xiàn)失效；ESD失效，封裝造成失效。（如果測(cè)試工程師能?chē)?yán)格遵守靜電防護(hù)要求進(jìn)行測(cè)試和設(shè)計(jì)測(cè)試板，芯片在測(cè)試過(guò)程中面臨ESD/EOS的風(fēng)險(xiǎn)很低）

統(tǒng)計(jì)失效概率，是隨機(jī)性的出現(xiàn)單顆失效還是按一定比例出現(xiàn)多個(gè)失效，亦或是全部芯片都出現(xiàn)失效。

復(fù)現(xiàn)失效條件，要對(duì)失效問(wèn)題進(jìn)行復(fù)現(xiàn)或追查，確認(rèn)芯片失效原因，從而幫助推測(cè)失效原因。

確定失效類(lèi)型，對(duì)失效類(lèi)型做出推斷，從而確定失效分析的方向。如果無(wú)法通過(guò)失效結(jié)果推斷出失效類(lèi)型，那么只能根據(jù)后續(xù)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行推斷。

規(guī)劃實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)失效原因有大致推斷后就需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)去尋找數(shù)據(jù)支撐，如果推斷比較清晰的話(huà)實(shí)驗(yàn)就比較好去定位。

總結(jié)改善措施，得出失效原因的結(jié)論后就需要制定相對(duì)應(yīng)的改善措施，并記錄在冊(cè)。每一次的失效結(jié)論都是拿錢(qián)砸出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，也是產(chǎn)品公司必須要經(jīng)歷的過(guò)程。

圖一.失效分析流程示意圖。

四.失效分析手段

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多專(zhuān)業(yè)的團(tuán)隊(duì)在做失效分析和測(cè)試，他們不僅具備專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備，還會(huì)有專(zhuān)業(yè)人員對(duì)失效分析進(jìn)行技術(shù)支持。但是筆者認(rèn)為IC設(shè)計(jì)公司還是得具備一定的失效分析能力，因?yàn)檎麄€(gè)芯片各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與電路指標(biāo)都是設(shè)計(jì)公司確立的，版圖/后端也是設(shè)計(jì)公司做的，設(shè)計(jì)公司對(duì)整個(gè)芯片更加清楚。第三方公司能輔助定位失效點(diǎn)和提供技術(shù)支持，但是其對(duì)芯片的熟悉程度遠(yuǎn)不如設(shè)計(jì)公司，設(shè)計(jì)公司應(yīng)該主導(dǎo)失效分析。這里對(duì)幾種常見(jiàn)的失效分析手段進(jìn)行簡(jiǎn)介：

4.1.非破壞性分析:

4.1.1. OM（Optica Microscope）：

利用高倍數(shù)顯微鏡對(duì)芯片或者封裝表面進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)。如圖二所示為OM結(jié)果，其中暗場(chǎng)技術(shù)能觀察到表面劃痕與污染，Nomarski技術(shù)能觀察到裂縫與刻蝕坑。

圖二.OM觀測(cè)結(jié)果。

4.1.2. SAT/SAM (Scanning AcousticTomography/Scanning Acoustic Microscopy) ：

SAT/SAM利用超聲波在不同介質(zhì)中的反射系數(shù)，得出封裝內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖。該技術(shù)能用于檢查樣品中的空隙、裂紋和分層。而SAM的精度與分辨率是強(qiáng)于SAT的。

圖三.SAT/SAM觀測(cè)結(jié)果。

4.1.3.X-Ray/ Computed Tomography (CT) X-Ray：

利用X光和CT對(duì)芯片進(jìn)行拍照從而得出內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。如果需要得到更詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以將樣品進(jìn)行360°拍照，然后利用圖像處理技術(shù)構(gòu)建出芯片的3D結(jié)構(gòu)圖。

圖四.3D X-Ray 結(jié)果。

4.1.4. Decapsulation：

大部分封裝所造成失效都能通過(guò)上述手段檢測(cè)出來(lái)，但是如果需要對(duì)芯片進(jìn)行檢測(cè)就得去封裝（開(kāi)蓋）。目前Decapsulation的手段有兩種：1. 化學(xué)法：利用硫酸和硝酸去腐蝕開(kāi)蓋。2. 激光法：利用激光將封裝熔解。

圖五.Decapsulation結(jié)果示意圖。

4.2. EFA （Electrical Failture Analysis ）：

4.2.1. Electrical Testing：

利用探針臺(tái)+半導(dǎo)體分析儀+電學(xué)測(cè)試設(shè)備，利用探針對(duì)芯片內(nèi)部進(jìn)行采樣和施加激勵(lì)，直接對(duì)電路模塊進(jìn)行電學(xué)特性分析。這是最普遍的電學(xué)失效分析手段，不過(guò)探針的扎針落點(diǎn)有很多限制，有時(shí)得配合FIB和金屬去層才能對(duì)指定的模塊進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)量。

圖六.電學(xué)特性分析。

4.2.2. Photo Emission Microscope (EMMI InGaAs OBIRCH)

其中關(guān)于EMMI之前已經(jīng)介紹過(guò)，傳統(tǒng)EMMI的探頭為CCD，而InGaAs是EMMI的一種探頭，兩者的接收波段有區(qū)別，且InGaAs更加快速與靈敏。

圖七.EMMI、InGaAs、Thermal波段范圍。

OBIRCH是利用紅外激光照射局部位置引起熱梯度造成局部電阻變化，從而觀察到電流變化。阻抗異常其電流變化會(huì)與其它地方不同，從而定位失效點(diǎn)。EMMI InGaAs OBIRCH是三種應(yīng)用非常廣泛的FA手段，其結(jié)果不如SEM， X-Ray等技術(shù)直觀，且依賴(lài)偏置條件，但是能快速定位失效點(diǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)比SEM等廣泛，是主流的失效分析手段之一。日后筆者會(huì)總結(jié)EMMI的分析心得，進(jìn)行EMMI前最好先對(duì)失效點(diǎn)及失效原因有個(gè)推斷，然后給予適當(dāng)?shù)钠脳l件。

4.3.PFA （Physical Failure Analysis）

物理失效分析就需要對(duì)芯片進(jìn)行一些物理處理，其中最主要的處理方式一個(gè)是縱刨，一個(gè)是金屬去層?？v刨的樣品制備包括清洗、安裝然后將樣品放入聚酯或環(huán)氧樹(shù)脂中。

圖八.縱刨SEM圖像。

去層工藝使用化學(xué)溶液/氣體蝕刻和機(jī)械拋光來(lái)緩慢、精確地去除芯片上的每一層金屬。

圖九.金屬去層示意圖。

4.3.1.FIB (Focus Ion Beam):

FIB是IC設(shè)計(jì)公司最常用的失效分析手段之一，這里就不贅述了。

淺談失效分析—FIB聚焦離子束加工技術(shù)簡(jiǎn)介

4.3.2.SEM（Scanning Electron Microscope ）：

SEM也是常用手段之一，因?yàn)槠浞糯蟊稊?shù)很大，所以利用其他手段確認(rèn)失效點(diǎn)后便可利用SEM進(jìn)行直觀觀察，從而確認(rèn)失效原因。SEM可以對(duì)表面進(jìn)行觀察，也可配合縱刨技術(shù)對(duì)截面進(jìn)行觀察。

4.3.3 SCM（Scannin Capacitance Microscope）：

掃描電容顯微鏡，這種顯微鏡主要是利用探針對(duì)半導(dǎo)體器件施加信號(hào)，然后測(cè)量C-V曲線，從而確定半導(dǎo)體器件的摻雜類(lèi)型。

而類(lèi)似AFM、TEM、EDX、XPS、XRD等微觀物相測(cè)量手段，一般是Fab進(jìn)行更深層次的失效分析時(shí)才會(huì)用到，Design House一般不需要介入如此深的物相表征。

因?yàn)槭Х治霰容^特例化，很難總結(jié)出一套通用的細(xì)則，且能產(chǎn)生芯片失效的可能性不勝枚舉。筆者認(rèn)為失效分析更需要經(jīng)驗(yàn)的積累，只有見(jiàn)多識(shí)廣后才能總結(jié)出失效的規(guī)律與普遍特征，筆者還有很長(zhǎng)的路要走，也希望大家多多交流，畢竟一個(gè)人的見(jiàn)識(shí)總歸是有限的。

原作者：番茄ESD小棧

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審核編輯 黃宇