芯片失效分析常用方法

一、失效分析的概述

失效分析是一门发展中的新行学科，这门学科可以应用在很多领域。在这里我们只要介绍其应用在半导体领域。

进行失效分析一般都需要进行电气测量并采用先进的物料、冶(ye)金及化学手段。

失效分析的目的是确定失效模式和失效机理，提出纠正措施，防止这种失效模式或者失效机理再次重复出现，从而影响我们的正常应用及生产。

失效模式是指我们观察到的失效现象，失效形式，如开路、短路，冒泡、击穿、参数异常、功能失效等。

失效机理是指失效的物料化学过程，如果腐蚀、过应力、疲劳等。

二、 失效分析的意义

失效分析是确定芯片失效机理的必要手段。

失效分析为有效的故障提供了必要的信息。

失效分数为设计工程师不断改进或者优化芯片的设计，使之与设计规范更加吻合提供必要的反馈信息。

失效分析可以评估不同测试向量的有效性，为生产测试提供必要的补充，为验证测试流程优化提供必要的信息基础。

三、失效分析的流程以及常用手段

1、失效分析的流程分为4大步：

首先是发现失效的芯片

收集失效芯片现场的数据：

电测并确定失效模式：

根据失效模式应用不同的方法手段确定失效机理。

我们来了解一下4个步骤的情况：

(1)对于第一步失效芯片的发现我们可以忽略，因为发现的时间跟地点是不确定性的。

(2)对于第二步失效芯片现场数据的收集是非常重要的，因为这里收集的数据为我们下一步失效模式的确定提供了重要信息。现场数据收集包括(芯片外观的完整性、芯片具体的失效现象、芯片具体的工作电压及电流、芯片具体的工作温度、芯片具体的静电防护措施、工人具体的生产操作流程、芯片具体的应用电路原理图等)。

(3)对于第三步我们要知道电测失效可分为：连接性失效、电气参数失效、功能失效。

连接性失效：包含了开路、短路以及电阻值变化。这种类型的失效相对容易分析，现场失效多数由静电放电(ESD)和电应力(EOS)引起。

电气参数失效：需进行复杂的测量，主要表现形式有参数值超出规定范围和参数不稳定。

功能失效：芯片失去了应有的功能。

2、应力以及芯片失效的原因

文章前面提到了应力、电应力这个词,这个应力我们可以理解为在某种环境或条件下。下面是不同应力下可能导致的芯片失效因素。

(1)、电应力(静电、过压、过流) -> 会导致MOS器件的栅极击穿、双极性器 件的PN结击穿、功率晶体管的二次 击穿、CMOS电路的单粒子效应。

(2)、热应力(高温存储) -> 金属半导体接触的AI-SI 互溶，阻抗接触退化，PN结漏电、Au-AL 键合失效。

(3)、低温应力(低温存储)-> 芯片断裂。

(4)、低温电应力(低温工作) -> 热载流子注入(热载流子诱生的MOS器件退化是由于高能量的电子和空穴注入栅 氧化层引起的，注入的过程中会产生界面态和氧化层陷落电荷，造成氧化层的损伤。)。

(5)、高低温应力(反复高低温循环)->芯片断裂、芯片粘接失效。

(6)、热电应力(高温工作)->金属电迁移、欧姆接触退化。

(7)、机械应力(振动、冲击)->芯片断裂、引线断裂。

(8)、辐射应力(X射线、中子辐射)->电气参数变化,软错误，CMOS电阻的闩锁效应。

(9)、气候应力(高湿、高盐)->外引线腐蚀、金属化腐蚀、电气参数漂移。

3、失效机理分析方法

(1)、芯片开盖:去除IC封胶,同时保持芯片功能的完整无损，保证实 die,bondpads,bond wires 乃至 lead-frame 不受损伤，为下一步芯片失效分析实验做准备。

(2)X-Ray 无损侦测：检测IC封装中的各种缺陷如层剥离、爆裂、空洞以及打线的完整性，PCB制程中可能存 在的缺陷如对齐不良或桥接，开路、短路或不正常连接的缺陷，封装中的锡球完整性。

(3)、SAM (SAT)超声波探伤：可对IC封装内部结构进行非破坏性检测, 有效检出因水气或热能所造成的各种破 坏如：晶元面脱层，锡球、晶元或填胶中的裂缝，封装材料内部的气孔，各种孔洞如晶元接合面、锡球、填 胶等处的孔洞。

(4)、SEM 扫描电镜/EDX成分分析：包括材料结构分析/缺陷观察、元素组成常规微区分析、精确测量元器件尺 寸等等。探针测试：以微探针快捷方便地获取IC内部电信号。镭射切割：以微激光束切断线路或芯片上层特 定区域。

(5)、EMMI侦测：EMMI微光显微镜是一种效率极高的失效分错析工具，提供高灵敏度非破坏性的故障定位方式， 可侦测和定位非常微弱的发光(可见光及近红外光)，由此捕捉各种元件缺陷或异常所产生的漏电流可见 光。

(6)、OBIRCH应用(镭射光束诱发阻抗值变化测试)：OBIRCH常用于芯片内部高阻抗及低阻抗分析，线路漏电路 径分析。利用OBIRCH方法，可以有效地对电路中缺陷定位，如线条中的空洞、通孔下的空洞。通孔底部高阻 区等，也能有效的检测短路或漏电,是发光显微技术的有力补充。LG液晶热点侦测：利用液晶感测到IC漏电 处分子排列重组，在显微镜下呈现出不同于其它区域的斑状影像，找寻在实际分析中困扰设计人员的漏电区 域(超过10mA之故障点)。定点/非定点芯片研磨：移除植于液晶驱动芯片 Pad上的金凸块， 保持Pad完好 无损，以利后续分析或rebonding。

四、国产芯片设计的短板

首先我们来总结一下失效机理分析的方法，这些方法手段各有各的优点或者不足，具体使用哪种方法手段 要根据我们的失效模式来确定，毕竟不同的方法手段成本是不一样的，难易程度也是不一样的。

接下来我们谈一下国产芯片设计存在的短板，国产芯片最近10年发展是很快的，但是跟国外进口的芯片比 较还是存在不小的差异，特别是中高端芯片，比如汽车、航天航空、高端服务器很是依赖进口。中低端芯片虽然 很多国产芯厂家说的可以完全替代进口，但是免不了出一些大大小小的问题，这其中缘由一个是国内芯片设计师 能力跟国外的大厂家的设计师相差很大，另外就是芯片在设计验证包括失效性分析这块投入太少，特别是中小型 芯片设计公司很小有自己的芯片失效性分析测试实验室。所以说国产芯片要走的路还很长，特别是一些看是不起 眼的失效分析这门学科要多加重视，要善于发现自己的缺点，及时弥补自己的缺点。

审核编辑：汤梓红