芯片失效分析常用方法

失效分析的基本概念


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。这里我们主要说的是其在半导体领域的应用。


  • 进行失效分析往往需要进行电气测量并采用先进的物料、冶金及化学手段

  • 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失效机理再次重复出现。

  • 失效模式是指观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、功能失效、参数异常等。

  • 失效机理是指失效的物理化学过程，如疲劳，腐蚀和过应力等。



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诊断提供了必要的信息。

  • 失效分析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。




失效分析的一般流程



01
首先我们来了解一下应力所导致的芯片失效情况

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。




02
收集失效现场数据

  • 了解具体失效现象 

  • 了解具体的工作电压、电流

  • 了解具体的静电防护措施

  • 了解具体的工作温度

  • 了解具体的生产操作流程

  • 观察芯片外观是否完好

  • 排查应用电路是否错误



03
电测并确定失效模式


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：包含开路、短路以及电阻值变化。这类失效较容易测试,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。



03
根据具体失效模式采样不同方法手段进行分析测量



失效分析的一般流程


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,bond pads,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。如下图：


芯片失效分析常用方法(图1)

芯片失效分析常用方法(图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。如下图：


芯片失效分析常用方法(图3)

芯片失效分析常用方法(图4)


1、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。

2、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。


3、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。


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。(如下图)

芯片失效分析常用方法(图5)


通过多种手段来确定芯片主要失效机理：如电压衬度差像、电应力(EOD)损伤、静电放电(ESD)损伤、封装失效、引线键合失效 、芯片粘接不良、金属半导体接触退化、钠离子沾污失效、氧化层针孔失效。等等...




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