什么是失效分析?

失效分析(FA)是根據(jù)失效模式和現(xiàn)象，通過分析和驗(yàn)證，模擬重現(xiàn)失效的現(xiàn)象，找出失效的原因，挖掘出失效的機(jī)理的活動。

一、集成電路為什么要做失效分析？

1、失效分析是要找出失效原因，采取有效措施，使同類失效事故不再重復(fù)發(fā)生，可避免極大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡；

2、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；

3、促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和安全可靠性提升；

4、失效分析為制定或修改技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)；

5、失效分析也是仲裁失效事故、開展技術(shù)保險(xiǎn)業(yè)務(wù)及對外貿(mào)易中索賠的重要依據(jù)。

二、失效分析流程？

圖1：失效分析流程

三、常見的失效分析方法樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

集成電路常用失效分析方法有X-RAY，SAT，IV，Decap，EMMI，F(xiàn)IB，SEM，EDX，Probe，OM，RIE等，因?yàn)槭Х治鲈O(shè)備昂貴，大部分需求單位配不了或配不齊需要的設(shè)備，因此借用外力，使用對外開放的資源，來完成自己的分析也是一種很好的選擇。各種分析項(xiàng)目測試時(shí)需要準(zhǔn)備的信息有哪些呢？

（一）超聲波掃描顯微鏡（SAT）:

含義：超聲波掃描顯微鏡（SAT）是一種利用超聲波為傳播媒介的無損檢測設(shè)備。通過發(fā)射高頻超聲波傳遞到樣品內(nèi)部，在經(jīng)過兩種不同材質(zhì)之間界面時(shí)，由于不同材質(zhì)的聲阻抗不同，對聲波的吸收和反射程度的不同，進(jìn)而采集的反射或者穿透的超聲波能量信息或者相位信息的變化來檢查樣品內(nèi)部出現(xiàn)的分層、裂縫或者空洞等缺陷。

檢測內(nèi)容：

1.材料內(nèi)部的雜質(zhì)顆粒、夾雜物、沉淀物

2.內(nèi)部裂紋

3.分層缺陷

4.空洞、氣泡、空隙等

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

SAT是一種常用的無損檢測分析方法。樣品需要在去離子水中測試，對樣品密封性，平整性有要求，適合塑封集成電路表面平整的樣品，不適合陶瓷封裝金屬封裝集成電路。以SONIX設(shè)備為例，樣品尺寸需要在20CM以內(nèi)。SAT有不同的探頭選擇，比如15MHz，35MHz，75MHz，110MHz，230MHz。探頭頻率越高掃描精度越高，相應(yīng)的掃描時(shí)間越長，穿透率越差。探頭頻率越低掃描精度越差，頻率低探頭穿透力大，掃描更深，更快。這項(xiàng)測試基本都是按機(jī)時(shí)計(jì)費(fèi)的，影響機(jī)時(shí)的因素主要是掃描精度和掃描面積。用戶可以根據(jù)樣品情況和掃描要求在精度，深度方面做取舍。

（二）X射線（X-Ray）:

含義：X-Ray是利用陰極射線管產(chǎn)生高能量電子與金屬靶撞擊，在撞擊過程中，因電子突然減速，其損失的動能會以X-Ray形式放出。而對于樣品無法以外觀方式觀測的位置，利用X-Ray穿透不同密度物質(zhì)后其光強(qiáng)度的變化，產(chǎn)生的對比效果可形成影像，即可顯示出待測物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可在不破壞待測物的情況下觀察待測物內(nèi)部有問題的區(qū)域。

檢測內(nèi)容:

1.觀測DIP、SOP、QFP、QFN、BGA、Flipchip等不同封裝的半導(dǎo)體、電阻、電容等電子元器件以及小型PCB印刷電路板

2.觀測器件內(nèi)部芯片大小、數(shù)量、疊die、綁線情況

3.觀測芯片crack、點(diǎn)膠不均、斷線、搭線、內(nèi)部氣泡等封裝缺陷，以及焊錫球冷焊、虛焊等焊接缺陷

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

X-RAY寫清樣品尺寸，數(shù)量，材質(zhì)。尺寸需要在50cm以內(nèi)，尺寸越小可以掃描的精度越高，以YXLON為例樣品最佳精度能達(dá)到1um，X-RAY主要是基于密度差成像，密度大的可以看到，密度小的直接穿透，適合觀察低密度包裹高密的的樣品，比如塑封樣品看金線，需要提醒一點(diǎn)密度小的可能就看不到了，比如集成電路鋁綁線在x-ray下幾乎看不到，TO封裝的粗鋁線能稍微看到一點(diǎn)影子。

（三）IV自動曲線量測儀(IV):

IV驗(yàn)證及量測半導(dǎo)體電子組件的電性、參數(shù)及特性。比如電壓-電流。

檢測內(nèi)容：

1.Open/Short Test

2.I/V Curve Analysis

3.Idd Measuring

4.Powered Leakage（漏電）Test

圖5：IV測試效果圖

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng):

寫清管腳數(shù)量，封裝形式，加電方式，電壓電流要求及限制范圍。實(shí)驗(yàn)人員需要提前確認(rèn)搭建適合的分析環(huán)境，確認(rèn)是否有適合的scoket。測試時(shí)做好靜電防護(hù)。

（四）開封（decap）：

含義：Decap即開封，也稱開蓋，開帽，指給完整封裝的IC做局部腐蝕，使得IC可以暴露出來，同時(shí)保持芯片功能的完整無損，保持 die，bond pads，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，方便觀察或做其他測試（如FIB，EMMI）， Decap后功能正常。

檢測內(nèi)容：

1.IC開封（正面/背面） QFP， QFN， SOT，TO， DIP，BGA，COB等

2.樣品減?。ㄌ沾?，金屬除外）

3.激光打標(biāo)

4.芯片開封（正面/背面）

5.IC蝕刻，塑封體去除

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

寫清樣品尺寸，數(shù)量，封裝形式，綁線材質(zhì)，開封要求。decap后做什么。若集成電路在pcb板上，最好提前拆下，pcb板子面較大有突起，會影響對芯片的防護(hù)，

（五）微光顯微鏡（EMMI）：

含義：EMMI主要偵測IC內(nèi)部所放出光子。在IC元件中，EHP（Electron Hole Pairs）Recombination會放出光子（Photon）。如在P-N結(jié)加偏壓，此時(shí)N阱的電子很容易擴(kuò)散到P阱，而P的空穴也容易擴(kuò)散至N，然后與P端的空穴（或N端的電子）做EHP Recombination。

檢測內(nèi)容：

1.P-N接面漏電；P-N接面崩潰

2.飽和區(qū)晶體管的熱電子

3.氧化層漏電流產(chǎn)生的光子激發(fā)

4.Latch up、Gate Oxide Defect、Junction Leakage、

Hot Carriers Effect、ESD等問題

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

EMMI寫清樣品加電方式，電壓電流要求和限制條件，是否是裸die，是否已經(jīng)開封，特殊要求等，EMMI是加電測試，可以連接各種源表，確認(rèn)加電要求，若實(shí)驗(yàn)室沒有適合的源表，可以自帶，避免做無用功。

EMMI可以捕捉波長范圍在900-1600nm波段的近紅外光。多用來定位集成電路pn結(jié)電流異常。需要特別注意的是，因?yàn)榧呻娐方饘賹訒趽豕庾?，一般建議樣品背面Decap后做EMMI。

(六）聚焦離子束顯微鏡(FIB):

含義：FIB是將液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過離子槍加速，聚焦后照射于樣品表面產(chǎn)生二次電子信號取得電子像，此功能與SEM（掃描電子顯微鏡）相似，或用強(qiáng)電流離子束對表面原子進(jìn)行剝離，以完成微、納米級表面形貌加工。

檢測內(nèi)容：

1.芯片電路修改和布局驗(yàn)證

2.Cross-Section截面分析

3.Probing Pad

4.定點(diǎn)切割

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

FIB寫清樣品尺寸，材質(zhì)，導(dǎo)電性是否良好，若尺寸較大需要事先裁剪。一般樣品臺1-3cm左右，太大的樣品放不進(jìn)去，也影響定位，導(dǎo)電性好的樣品分析較快，導(dǎo)電性不好的，需要輔助措施才能較好的分析。比如表面噴金，貼導(dǎo)電膠，切點(diǎn)觀察的，標(biāo)清切點(diǎn)要求。切線連線寫清方案，發(fā)GDS文件。

（七）形貌觀測（SEM）:

含義：

SEM可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。具有景深大，倍率高優(yōu)勢，放大倍率能到幾十萬倍，可以看到nm精度。

檢測內(nèi)容：

1.材料表面形貌分析，微區(qū)形貌觀察

2.材料形狀、大小、表面、斷面、粒徑分布分析

3.薄膜樣品表面形貌觀察、薄膜粗糙度及膜厚分析

4.納米尺寸量測及標(biāo)示

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

寫清樣品尺寸，材質(zhì)，導(dǎo)電性是否良好，若尺寸較大需要事先裁剪。一般樣品臺1-3cm左右，太大的樣品放不進(jìn)去，也影響定位，導(dǎo)電性好的樣品分析較快，導(dǎo)電性不好的，需要輔助噴金或?qū)щ娔z分析。

（八）成分分析（EDX）:

含義：

EDX是借助于分析試樣發(fā)出的元素特征X含義：射線波長和強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)不同元素特征X射線波長的不同來測定試樣所含的元素。通過對比不同元素譜線的強(qiáng)度可以測定試樣中元素的含量。通常EDX結(jié)合電子顯微鏡（SEM）使用，可以對樣品進(jìn)行微區(qū)成分分析。

檢測內(nèi)容:

1.微區(qū)成分定性分析

2.元素成分及大概比例

圖10：EDX測試效果圖

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

EDX寫清樣品尺寸，材質(zhì)，EDX是定性分析，能看到樣品的材質(zhì)和大概比例，適合金屬元素分析。

（九）探針臺（Probe）：

含義：

探針臺主要應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)、光電行業(yè)。針對集成電路以及封裝的測試。廣泛應(yīng)用于復(fù)雜、高速器件的精密電氣測量的研發(fā)，旨在確保質(zhì)量及可靠性，并縮減研發(fā)時(shí)間和器件制造工藝的成本。

檢測內(nèi)容：

1.微小連接點(diǎn)信號引出

2.失效分析失效確認(rèn)

3.FIB電路修改后電學(xué)特性確認(rèn)

4.晶圓可靠性驗(yàn)證

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)：

寫清樣品測試環(huán)境要求，需要搭配什么源表，使用什么探針，一般有硬針和軟針，軟針較細(xì)，不易對樣品造成二次損傷。硬針成本低，Probe測試有耗材費(fèi)。

(十)顯微鏡分析（OM）：

含義:

可用來進(jìn)行器件外觀及失效部位的表面形狀，尺寸，結(jié)構(gòu)，缺陷等觀察。

檢測內(nèi)容:

1.樣品外觀、形貌檢測

2.制備樣片的金相顯微分析

3.各種缺陷的查找

4.晶體管點(diǎn)焊、檢查

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng):

寫清樣品情況，對放大倍率要求。OM屬于表面觀察，看不到內(nèi)部情況。

（十一）離子蝕刻（RIE）：

含義：RIE是干蝕刻的一種，這種蝕刻的原理是，當(dāng)在平板電極之間施加10～100MHZ的高頻電壓（RF，radio frequency）時(shí)會產(chǎn)生數(shù)百微米厚的離子層（ion sheath），在其中放入試樣，離子高速撞擊試樣而完成化學(xué)反應(yīng)蝕刻，此即為RIE（Reactive Ion Etching）。

檢測內(nèi)容:

1.用于對使用氟基化學(xué)的材料進(jìn)行各向同性和各向異性蝕刻，其中包括碳、環(huán)氧樹脂、石墨、銦、鉬、氮氧化物、光阻劑、聚酰亞胺、石英、硅、氧化物、氮化物、鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢鈦以及鎢

2.器件表面圖形的刻蝕

樣品準(zhǔn)備及注意事項(xiàng):

寫清樣品材質(zhì)，需要看到的區(qū)域。

注釋：

EDX：X射線能譜（Energy Dispersive X-ray spectroscopy，EDX）作為元素分析方法之一，用于材料微區(qū)元素種類與含量分析。

審核編輯：劉清