一、失效分析的概述

失效分析是一門發展中的新行學科，這門學科可以應用在很多領域。在這里我們只要介紹其應用在半導體領域。

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

失效分析的目的是確定失效模式和失效機理，提出糾正措施，防止這種失效模式或者失效機理再次重復出現，從而影響我們的正常應用及生產。

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

失效機理是指失效的物料化學過程，如果腐蝕、過應力、疲勞等。

二、 失效分析的意義

失效分析是確定芯片失效機理的必要手段。

失效分析為有效的故障提供了必要的信息。

失效分數為設計工程師不斷改進或者優化芯片的設計，使之與設計規范更加吻合提供必要的反饋信息。

失效分析可以評估不同測試向量的有效性，為生產測試提供必要的補充，為驗證測試流程優化提供必要的信息基礎。

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：

首先是發現失效的芯片

收集失效芯片現場的數據：

電測并確定失效模式：

根據失效模式應用不同的方法手段確定失效機理。

我們來了解一下4個步驟的情況：

(1)對于第一步失效芯片的發現我們可以忽略，因為發現的時間跟地點是不確定性的。

(2)對于第二步失效芯片現場數據的收集是非常重要的，因為這里收集的數據為我們下一步失效模式的確定提供了重要信息。現場數據收集包括(芯片外觀的完整性、芯片具體的失效現象、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措施、工人具體的生產操作流程、芯片具體的應用電路原理圖等)。

(3)對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容易分析，現場失效多數由靜電放電(ESD)和電應力(EOS)引起。

電氣參數失效：需進行復雜的測量，主要表現形式有參數值超出規定范圍和參數不穩定。

功能失效：芯片失去了應有的功能。

2、應力以及芯片失效的原因

文章前面提到了應力、電應力這個詞,這個應力我們可以理解為在某種環境或條件下。下面是不同應力下可能導致的芯片失效因素。

(1)、電應力(靜電、過壓、過流) -> 會導致MOS器件的柵極擊穿、雙極性器 件的PN結擊穿、功率晶體管的二次 擊穿、CMOS電路的單粒子效應。

(2)、熱應力(高溫存儲) -> 金屬半導體接觸的AI-SI 互溶，阻抗接觸退化，PN結漏電、Au-AL 鍵合失效。

(3)、低溫應力(低溫存儲)-> 芯片斷裂。

(4)、低溫電應力(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，注入的過程中會產生界面態和氧化層陷落電荷，造成氧化層的損傷。)。

(5)、高低溫應力(反復高低溫循環)->芯片斷裂、芯片粘接失效。

(6)、熱電應力(高溫工作)->金屬電遷移、歐姆接觸退化。

(7)、機械應力(振動、沖擊)->芯片斷裂、引線斷裂。

(8)、輻射應力(X射線、中子輻射)->電氣參數變化,軟錯誤，CMOS電阻的閂鎖效應。

(9)、氣候應力(高濕、高鹽)->外引線腐蝕、金屬化腐蝕、電氣參數漂移。

3、失效機理分析方法

(1)、芯片開蓋:去除IC封膠,同時保持芯片功能的完整無損，保證實 die,bondpads,bond wires 乃至 lead-frame 不受損傷，為下一步芯片失效分析實驗做準備。

(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IC封裝內部結構進行非破壞性檢測, 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：包括材料結構分析/缺陷觀察、元素組成常規微區分析、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內部電信號。鐳射切割：以微激光束切斷線路或芯片上層特 定區域。

(5)、EMMI偵測：EMMI微光顯微鏡是一種效率極高的失效分錯析工具，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光(可見光及近紅外光)，由此捕捉各種元件缺陷或異常所產生的漏電流可見 光。

(6)、OBIRCH應用(鐳射光束誘發阻抗值變化測試)：OBIRCH常用于芯片內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 區等，也能有效的檢測短路或漏電,是發光顯微技術的有力補充。LG液晶熱點偵測：利用液晶感測到IC漏電 處分子排列重組，在顯微鏡下呈現出不同于其它區域的斑狀影像，找尋在實際分析中困擾設計人員的漏電區 域(超過10mA之故障點)。定點/非定點芯片研磨：移除植于液晶驅動芯片 Pad上的金凸塊， 保持Pad完好 無損，以利后續分析或rebonding。

四、國產芯片設計的短板

首先我們來總結一下失效機理分析的方法，這些方法手段各有各的優點或者不足，具體使用哪種方法手段 要根據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芯片設計存在的短板，國產芯片最近10年發展是很快的，但是跟國外進口的芯片比 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、高端服務器很是依賴進口。中低端芯片雖然 很多國產芯廠家說的可以完全替代進口，但是免不了出一些大大小小的問題，這其中緣由一個是國內芯片設計師 能力跟國外的大廠家的設計師相差很大，另外就是芯片在設計驗證包括失效性分析這塊投入太少，特別是中小型 芯片設計公司很小有自己的芯片失效性分析測試實驗室。所以說國產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科要多加重視，要善于發現自己的缺點，及時彌補自己的缺點。

審核編輯：湯梓紅