芯片失效分析的方法和流程

本文介绍了芯片失效分析的方法和流程，举例了典型失效案例流程，总结了芯片失效分析关键技术面临的挑战和对策，并总结了芯片失效分析的注意事项。 芯片失效分析是一个系统性工程，需要结合电学测试、物理分析、材料表征等多种手段，逐步缩小问题范围，最终定位失效根源。以下是典型分析流程及关键方法详解：

前期信息收集与失效现象确认

1.失效背景调查

收集芯片型号、应用场景、失效模式（如短路、漏电、功能异常等）、失效比例、使用环境（温度、湿度、电压）等。

确认失效是否可复现，区分设计缺陷、制程问题或应用不当（如过压、ESD）。

2.电性能验证

使用自动测试设备（ATE）或探针台（Probe Station）复现失效，记录关键参数（如I-V曲线、漏电流、阈值电压偏移）。

对比良品与失效芯片的电特性差异，缩小失效区域（如特定功能模块）。

非破坏性检测（NDA）

目标：初步定位问题，避免破坏性操作干扰后续分析。

1. X射线检测（X-ray Imaging）

2D X-ray：检查封装内部引线键合、焊球连接、分层等缺陷。

3D X射线断层扫描（CT）：三维重建芯片内部结构，识别微裂纹、空洞（如图1封装焊点空洞）。

2.红外热成像（Thermal Imaging）

通电后扫描芯片表面温度分布，定位异常发热点（如短路区域）。

3.声学显微镜（SAM）

利用超声波检测封装内部脱层、裂纹等界面缺陷（对塑封器件尤其有效）。

破坏性物理分析（DPA）

目标：深入芯片内部，观察微观结构缺陷。

1.开封（Decapsulation）

化学开封：使用酸液（如发烟硝酸）溶解环氧树脂封装，暴露芯片表面（需控制腐蚀时间避免损伤金属层）。

激光开封：对高密度封装（如Flip-Chip）进行局部精准去除。

2.剖面制备（Cross-Section）

使用聚焦离子束（FIB）或机械研磨切割芯片，制备特定区域的横截面。

通过扫描电镜（SEM）观察剖面，检测金属层断裂、通孔空洞、栅氧击穿等（如金属线电迁移导致断裂）。

3.材料成分分析

能量色散谱（EDS）：分析失效点元素成分，识别污染（如Cl⁻离子导致腐蚀）。

二次离子质谱（SIMS）：检测痕量杂质（如Na⁺迁移导致漏电）。

电路层级失效定位

目标：在晶体管或电路节点级别定位故障。

1.光子发射显微镜（EMMI）

检测失效区域在通电时的微弱光子发射，定位漏电或短路的精确位置。

2.激光诱导电压变化（OBIRCH）

激光扫描芯片表面，监测电阻变化，定位高阻抗或断路点。

3.电子束探伤（EBT）

利用电子束激发芯片内部电势变化，分析电路节点异常。

综合诊断与根因分析

1.数据关联

整合电学测试、物理分析、材料表征结果，验证失效机理一致性（如电迁移导致电阻升高，SEM确认金属线变细）。

2.失效机理模型

根据现象构建失效模型，例如：

热载流子注入（HCI）：栅氧损伤导致阈值电压漂移。

电化学迁移（ECM）：湿度环境下金属离子迁移形成导电细丝。

3.改进建议

针对性提出设计优化（如增加ESD保护电路）、工艺改进（如优化金属沉积温度）或应用条件调整（如降低工作电压）。

典型失效案例流程示例

案例：某电源管理芯片批量出现高温下功能失效

1. 电测试：高温下漏电流异常升高，锁定为某LDO模块。

2. X-ray CT：发现封装内部焊球存在微裂纹。

3. FIB/SEM剖面：确认裂纹导致电源线接触不良，高温下热应力加剧断开。

4. EDS分析：焊球界面存在硫污染（来自塑封材料）。

5. 结论：封装材料硫元素导致焊点腐蚀，改进封装工艺后问题解决。

关键技术挑战与对策

挑战	解决方案
纳米级缺陷检测困难	采用高分辨率SEM/TEM（透射电镜）
多层堆叠芯片分析复杂	结合FIB逐层刻蚀与3D重构技术
软失效（间歇性故障）难复现	使用动态信号分析（DSA）捕捉瞬态异常

注意事项

分析顺序：严格遵循“先非破坏后破坏”原则，避免关键信息丢失。

样品保护：开封后及时进行表面钝化处理（如镀金），防止氧化影响观测。

数据交叉验证：单一手段可能存在误判，需多技术联合验证。

芯片失效分析如同“破案”，需逻辑严密、手段多样，结合“宏观→微观”、“电性→物性”的递进策略，最终实现失效闭环管理。