针对芯片失效的专利技术与解决方法

南京屹立芯创半导体科技有限公司

针对芯片失效的专利技术与解决方法

在后摩尔时代，随着SOC、SIP等技术的快速崛起，集成电路向着更小工艺尺寸，更高集成度方向发展。对应的，在更高集成度、更精工艺尺寸，以及使用更多新材料的情况下，对应的产品新增失效问题也会越来越多，为了弄清楚各类异常所导致的失效根本原因，IC失效分析也同样在行业内扮演着越来越重要的角色。一块芯片上集成的器件可达几千万，因此进行集成电路失效分析必须具备先进、准确的技术和设备，并由具有相关专业知识的半导体分析人员开展分析工作。

失效分析技术的作用主要有以下方面：1.通过相关分析技术确定器件怎样失效，为什么失效，以弄清楚是什么引起的失效和如何可以预防的过程。2.确定产品特征及调查产品质量是否符合质量规定、预期的要求或相关规格的过程。

失效分析技术所要达到的目的主要有以下方面：1.正确判断失效模式，找到失效原因及失效机理。2.找到有效的纠正与预防措施，防止同类异常再次发生。3.针对目标产品提供包含设计修改、过程工艺更新等改进建议，从而降低产品的失效率和提高产品整体性能。4.记录相关失效信息，并提供失效分析报告。5.保存失效的历史记录。

通常来说，失效分析的执行步骤应遵循非破坏分析、半破坏分析及破坏分析的顺序。但根据不同类型的产品、不同机构的分析模式，失效分析往往采用的方式也是有所差距的，此处以某集成电路封装体分级失效分析举例。

1、器件外观检查
通常使用体视显微镜进行外观确认，排除外观方面明显可能造成失效的原因。

2、伏安特性检查
通常使用曲线图示仪，显示待检产品的伏安特性，以此排除电性能方面可能造成失效的原因。

3、X射线检查
使用X-Ray专用检测设备，确认焊接质量情况，排除因焊点疲劳等相关方面可能造成失效的原因。

4、时域反射仪
通过测量反射波的电压幅度，计算出阻抗的变化。只要测量出反射点到信号输出点的时间值，就可以计算出传输路径中阻抗变化点的位置。从而确认失效点发生的位置（Substrate/Bond/Bump/Die……）

5、超声扫描显微镜检查
通过不同模式SCAM的波形生成声波图像，排除封装体内部空洞/分层/异物等相关方面可能造成失效的原因。

6、化学/激光开封及内部目视检查
高分子的树脂体在热的浓硝酸（98%）或浓硫酸作用下，被腐蚀变成易溶于丙酮的低分子化合物，在超声作用下，低分子化合物被清洗掉，从而露出芯片表层。开封后，使用扫描电子显微镜或高倍显微镜观察封装体内部状态，排除芯片隐裂、IMC断裂、芯片来料缺陷（晶圆缺陷）等相关方面可能造成失效的原因。

7、光发射电子显微镜及液晶分析
光发射电子显微镜利用电子发射的局部变化来产生图像对比度。激发通常由紫外线，同步辐射或X射线源产生。通过收集发射的二次电子间接测量系数在吸收过程中随着初级纤芯空穴的产生而在电子级联中产生的电子。可以看见和捕获会发射光子的动态事件，如闩锁效应等，并同步进行晶体管尺度的定位。

液晶分析作为一项互补技术，在芯片表面涂覆一层液晶，通过正交偏振光观察，不同状态时呈现为不同的颜色。向列相液晶为乳白色，偏振光显微镜下则为彩虹色。各向同列相为透明色，而偏振光显微镜下则为黑色。使液晶从一种液相转变为另外一种液相的温度称为清亮点，当缺陷位置发热使温度达到清亮点以上时，这个热点马上会变成黑色。以此排除大的漏电，异常的大电流，短路等方面导致的失效原因。

8、EDX能谱分析
当芯片表面或切面存在未知异物时，可采用EDX能谱分析的方法，由于不同元素发出的特征X射线具有不同频率，根据能量公式E=hν可知，不同元素具有不同的能量。因此，只要检测不同光子的波长，即可确定目标位置中的元素种类及对应含量，以此确定异物成分，并分析导致失效的深层原因。

9、其失效分析技术
Cross section（切片分析）、P-lapping（平磨分析）、Pad cratering test（弹坑测试）、IMC coverage（金属间化合物覆盖比）

对于倒装芯片底部填充工艺来说，填充后Void的存在与否是影响产品可靠性的重点之一。且由于填充位置为芯片底部，故在常规情况下，一般检验方式无法直接确认是否存在气泡。为了能够快速判断产品是否存在此类异常，即需引入失效分析方法。

一般来说，采用超声扫描显微镜检查是判断此类异常最常规的手段之一。

声波图像可以显示具体的Void位置及大小，但要精确判断气泡是否存在连接Bump空间，则需要进一步进行分析，此类失效分析一般采用的是切片、平磨等处理方式。切片可以纵向察看Bump切面状态，平磨则可以分析水平面整体填充状态。

审核编辑 黄宇