一般來(lái)說(shuō)，芯片在研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤是不可避免的，就如房缺補(bǔ)漏一樣，哪里出了問(wèn)題你不僅要解決問(wèn)題，還要思考為什么會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。隨著人們對(duì)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(lái)越重要，社會(huì)的發(fā)展就是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的過(guò)程，出現(xiàn)問(wèn)題不可怕，但頻繁出現(xiàn)同一類問(wèn)題是非常可怕的。本文主要探討的就是如何進(jìn)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(xué)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(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)。失效分析是確定芯片失效機(jī)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(jì)工程師不斷改進(jìn)或者修復(fù)芯片的設(shè)計(jì)，使之與設(shè)計(jì)規(guī)范更加吻合提供必要的反饋信息。 失效分析可以評(píng)估不同測(cè)試向量的有效性，為生產(chǎn)測(cè)試提供必要的補(bǔ)充，為驗(yàn)證測(cè)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(jìn)行失效分析往往需要進(jìn)行電測(cè)量并采用先進(jìn)的物理、冶金及化學(xué)的分析手段。

2.失效分析的目的是確定失效模式和失效機(jī)理，提出糾正措施，防止這種失效模式和失效機(jī)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(jī)理是指失效的物理化學(xué)過(guò)程，如疲勞、腐蝕和過(guò)應(yīng)力等。

失效分析的意義

1.失效分析是確定芯片失效機(jī)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(jì)工程師不斷改進(jìn)或者修復(fù)芯片的設(shè)計(jì)，使之與設(shè)計(jì)規(guī)范更加吻合提供必要的反饋信息。

4.失效分析可以評(píng)估不同測(cè)試向量的有效性，為生產(chǎn)測(cè)試提供必要的補(bǔ)充，為驗(yàn)證測(cè)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(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。

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(cè)量元器件尺寸等等。 探針測(cè)試：以微探針快捷方便地獲取IC內(nèi)部電信號(hào)。

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(cè)：

EMMI微光顯微鏡是一種效率極高的失效分錯(cuò)析工具，提供高靈敏度非破壞性的故障定位方式，可偵測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)短路或漏電,是發(fā)光顯微技術(shù)的有力補(bǔ)充。

LG液晶熱點(diǎn)偵測(cè)：

利用液晶感測(cè)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(shí)際分析中困擾設(shè)計(jì)人員的漏電區(qū)域（超過(guò)10mA之故障點(diǎn)）。

定點(diǎn)/非定點(diǎn)芯片研磨：

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

X-Ray 無(wú)損偵測(cè)：

檢測(cè)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(duì)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(duì)IC封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行非破壞性檢測(cè), 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(chǎng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

2、電測(cè)并確定失效模式

電測(cè)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(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)失效多數(shù)由靜電放電(ESD)和過(guò)電應(yīng)力(EOS)引起。

電參數(shù)失效，需進(jìn)行較復(fù)雜的測(cè)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(rèn)功能失效，需對(duì)元器件輸入一個(gè)已知的激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量輸出結(jié)果。如測(cè)得輸出狀態(tài)與預(yù)計(jì)狀態(tài)相同，則元器件功能正常，否則為失效,功能測(cè)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(shí)常可歸結(jié)于連接性失效。在缺乏復(fù)雜功能測(cè)試設(shè)備和測(cè)試程序的情況下，有可能用簡(jiǎn)單的連接性測(cè)試和參數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行電測(cè)，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(cè)，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(cè)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(wú)異常、封裝有無(wú)缺陷、確認(rèn)晶粒尺寸及l(fā)ayout

優(yōu)勢(shì)：工期短，直觀易分析

劣勢(shì)：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(lái)，必須通過(guò)功能測(cè)試及其他試驗(yàn)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(gè)才是貨真價(jià)實(shí)的

X-Ray用于產(chǎn)地分析(下圖中同品牌同型號(hào)的芯片)

X-Ray 用于失效分析(PCB探傷、分析)

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

4、打開封裝

開封方法有機(jī)械方法和化學(xué)方法兩種,按封裝材料來(lái)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(jī)械開封

化學(xué)開封

5、顯微形貌像技術(shù)

光學(xué)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(jī)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(duì)失效分析企業(yè)該如何做？

一、培養(yǎng)失效分析隊(duì)伍

難做不等于不能做。對(duì)于絕大多數(shù)企業(yè)而言，根據(jù)自己的實(shí)力來(lái)裝備培養(yǎng)自己失效分析隊(duì)伍也是需要的。一般的企業(yè)做失效分析可以先配備一個(gè)晶體管圖示儀，好點(diǎn)的國(guó)產(chǎn)貨也就萬(wàn)把塊錢。在一個(gè)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(guò)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(rèn)是電過(guò)應(yīng)力損壞還是靜電損壞。知道了這兩點(diǎn)就可以幫助開發(fā)人員檢查設(shè)計(jì)，而如果是靜電損傷，則可改善生產(chǎn)使用的防護(hù)條件了。

二、建立金相分析實(shí)驗(yàn)室

如果想要再進(jìn)一步分析，則需要建立一個(gè)金相分析實(shí)驗(yàn)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(jī)、磨拋機(jī)及制樣的耗材了。如果有了這樣的實(shí)驗(yàn)室，除了可以看各種元器件的表面損傷外，還可以通過(guò)制作切片的方法觀察內(nèi)部情況。而且實(shí)驗(yàn)室到了這個(gè)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(shí)還可以用于元器件的最初認(rèn)證及進(jìn)行破壞性物理分析。

到這個(gè)階段基本上投入就比較大了。如果使用全套進(jìn)口設(shè)備，那么總價(jià)至少也要60~90萬(wàn)人民幣左右。如果使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備那么投入可以少很多。采用全套國(guó)產(chǎn)設(shè)備，基本上可以在10萬(wàn)人民幣以內(nèi)完成。此時(shí)對(duì)人員素質(zhì)上，需要有了解電子元器件材料科學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)的人員進(jìn)行相關(guān)工作。

對(duì)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(shí)候會(huì)破壞芯片的鍵合系統(tǒng)。這時(shí)候，可能會(huì)用到開封機(jī)來(lái)打開集成電路表面的塑料材料。對(duì)于很多企業(yè)而且言，這個(gè)東西就太貴了，往往要幾萬(wàn)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(gè)東西，采用手工開封的方法進(jìn)行，youtube上甚至可以看到老外這么干。不過(guò)開封需要使用到強(qiáng)酸，有些化學(xué)藥品還屬于國(guó)家管制藥品，需要到公安局去備案。而且實(shí)際實(shí)施時(shí)，不論是用開封機(jī)還是手工開封，都需要在通風(fēng)廚中進(jìn)行，做好個(gè)人防護(hù)。對(duì)于人員而言，除了上述知識(shí)外，要?jiǎng)佑脧?qiáng)腐蝕的化學(xué)藥品，原則上要有“危險(xiǎn)化學(xué)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(gè)層次就可以了。如果在進(jìn)行上述分析后還無(wú)法定案，這時(shí)候可以到社會(huì)上的失效分析公司，或者到大學(xué)高校中去，租借他們的設(shè)備進(jìn)行分析。對(duì)于懷疑有來(lái)料問(wèn)題做造成的批次失效鑒別時(shí)，則一定要去具有IEC 17025認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室去做第三方分析鑒定。他們出具的報(bào)告才有法律效力。

如果一個(gè)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(guò)硬的產(chǎn)品。而失效分析是發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的重要手段，對(duì)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(duì)于失效分析來(lái)說(shuō)也是如此，只有將失效分析進(jìn)行徹底了，才能迎來(lái)更好的技術(shù)發(fā)展。