一、失效分析的概述

失效分析是一門發(fā)展中的新行學(xué)科，這門學(xué)科可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域。在這里我們只要介紹其應(yīng)用在半導(dǎo)體領(lǐng)域。

進(jìn)行失效分析一般都需要進(jìn)行電氣測量并采用先進(jìn)的物料、冶(ye)金及化學(xué)手段。

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，防止這種失效模式或者失效機(jī)理再次重復(fù)出現(xiàn)，從而影響我們的正常應(yīng)用及生產(chǎn)。

失效模式是指我們觀察到的失效現(xiàn)象，失效形式，如開路、短路，冒泡、擊穿、參數(shù)異常、功能失效等。

失效機(jī)理是指失效的物料化學(xué)過程，如果腐蝕、過應(yīng)力、疲勞等。

二、 失效分析的意義

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提供了必要的信息。

失效分?jǐn)?shù)為設(shè)計(jì)工程師不斷改進(jìn)或者優(yōu)化芯片的設(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)估不同測試向量的有效性，為生產(chǎn)測試提供必要的補(bǔ)充，為驗(yàn)證測試流程優(yōu)化提供必要的信息基礎(chǔ)。

三、失效分析的流程以及常用手段

1、失效分析的流程分為4大步：

首先是發(fā)現(xiàn)失效的芯片

收集失效芯片現(xiàn)場的數(shù)據(jù)：

電測并確定失效模式：

根據(jù)失效模式應(yīng)用不同的方法手段確定失效機(jī)理。

我們來了解一下4個(gè)步驟的情況：

(1)對(duì)于第一步失效芯片的發(fā)現(xiàn)我們可以忽略，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)的時(shí)間跟地點(diǎn)是不確定性的。

(2)對(duì)于第二步失效芯片現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集是非常重要的，因?yàn)檫@里收集的數(shù)據(jù)為我們下一步失效模式的確定提供了重要信息。現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集包括(芯片外觀的完整性、芯片具體的失效現(xiàn)象、芯片具體的工作電壓及電流、芯片具體的工作溫度、芯片具體的靜電防護(hù)措施、工人具體的生產(chǎn)操作流程、芯片具體的應(yīng)用電路原理圖等)。

(3)對(duì)于第三步我們要知道電測失效可分為：連接性失效、電氣參數(shù)失效、功能失效。

連接性失效：包含了開路、短路以及電阻值變化。這種類型的失效相對(duì)容易分析，現(xiàn)場失效多數(shù)由靜電放電(ESD)和電應(yīng)力(EOS)引起。

電氣參數(shù)失效：需進(jìn)行復(fù)雜的測量，主要表現(xiàn)形式有參數(shù)值超出規(guī)定范圍和參數(shù)不穩(wěn)定。

功能失效：芯片失去了應(yīng)有的功能。

2、應(yīng)力以及芯片失效的原因

文章前面提到了應(yīng)力、電應(yīng)力這個(gè)詞,這個(gè)應(yīng)力我們可以理解為在某種環(huán)境或條件下。下面是不同應(yīng)力下可能導(dǎo)致的芯片失效因素。

(1)、電應(yīng)力(靜電、過壓、過流) -> 會(huì)導(dǎo)致MOS器件的柵極擊穿、雙極性器 件的PN結(jié)擊穿、功率晶體管的二次 擊穿、CMOS電路的單粒子效應(yīng)。

(2)、熱應(yīng)力(高溫存儲(chǔ)) -> 金屬半導(dǎo)體接觸的AI-SI 互溶，阻抗接觸退化，PN結(jié)漏電、Au-AL 鍵合失效。

(3)、低溫應(yīng)力(低溫存儲(chǔ))-> 芯片斷裂。

(4)、低溫電應(yīng)力(低溫工作) -> 熱載流子注入(熱載流子誘生的MOS器件退化是由于高能量的電子和空穴注入柵 氧化層引起的，注入的過程中會(huì)產(chǎn)生界面態(tài)和氧化層陷落電荷，造成氧化層的損傷。)。

(5)、高低溫應(yīng)力(反復(fù)高低溫循環(huán))->芯片斷裂、芯片粘接失效。

(6)、熱電應(yīng)力(高溫工作)->金屬電遷移、歐姆接觸退化。

(7)、機(jī)械應(yīng)力(振動(dòng)、沖擊)->芯片斷裂、引線斷裂。

(8)、輻射應(yīng)力(X射線、中子輻射)->電氣參數(shù)變化,軟錯(cuò)誤，CMOS電阻的閂鎖效應(yīng)。

(9)、氣候應(yīng)力(高濕、高鹽)->外引線腐蝕、金屬化腐蝕、電氣參數(shù)漂移。

3、失效機(jī)理分析方法

(1)、芯片開蓋:去除IC封膠,同時(shí)保持芯片功能的完整無損，保證實(shí) die,bondpads,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。

(2)X-Ray 無損偵測：檢測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。

(3)、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, 有效檢出因水氣或熱能所造成的各種破 壞如：晶元面脫層，錫球、晶元或填膠中的裂縫，封裝材料內(nèi)部的氣孔，各種孔洞如晶元接合面、錫球、填 膠等處的孔洞。

(4)、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、精確測量元器件尺 寸等等。探針測試：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。

(5)、EMMI偵測：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。

(6)、OBIRCH應(yīng)用(鐳射光束誘發(fā)阻抗值變化測試)：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：利用液晶感測到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 無損，以利后續(xù)分析或rebonding。

四、國產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)的短板

首先我們來總結(jié)一下失效機(jī)理分析的方法，這些方法手段各有各的優(yōu)點(diǎn)或者不足，具體使用哪種方法手段 要根據(jù)我們的失效模式來確定，畢竟不同的方法手段成本是不一樣的，難易程度也是不一樣的。

接下來我們談一下國產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)存在的短板，國產(chǎn)芯片最近10年發(fā)展是很快的，但是跟國外進(jìn)口的芯片比 較還是存在不小的差異，特別是中高端芯片，比如汽車、航天航空、高端服務(wù)器很是依賴進(jìn)口。中低端芯片雖然 很多國產(chǎn)芯廠家說的可以完全替代進(jìn)口，但是免不了出一些大大小小的問題，這其中緣由一個(gè)是國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)師 能力跟國外的大廠家的設(shè)計(jì)師相差很大，另外就是芯片在設(shè)計(jì)驗(yàn)證包括失效性分析這塊投入太少，特別是中小型 芯片設(shè)計(jì)公司很小有自己的芯片失效性分析測試實(shí)驗(yàn)室。所以說國產(chǎn)芯片要走的路還很長，特別是一些看是不起 眼的失效分析這門學(xué)科要多加重視，要善于發(fā)現(xiàn)自己的缺點(diǎn)，及時(shí)彌補(bǔ)自己的缺點(diǎn)。

審核編輯：湯梓紅