芯片失效分析常用方法及解決方案
發(fā)布時間：2021.08.24
一般來說，芯片在研發(fā)、生產過程中出現錯誤是不可避免的，就如房缺補漏一樣，哪里出了問題你不僅要解決問題，還要思考為什么會出現問題。隨著人們對產品質量和可靠性要求的不斷提高，失效分析工作也顯得越來越重要，社會的發(fā)展就是一個發(fā)現問題解決問題的過程，出現問題不可怕，但頻繁出現同一類問題是非?？膳碌摹?/span>
失效分析是一門發(fā)展中的新興學科，近年開始從軍工向普通企業(yè)普及。它一般根據失效模式和現象，通過分析和驗證，模擬重現失效的現象，找出失效的原因，挖掘出失效的機理的活動。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診斷提供了必要的信息。失效分析為設計工程師不斷改進或者修復芯片的設計，使之與設計規(guī)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(yōu)化提供必要的信息基礎。
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進行失效分析往往需要進行電測量并采用先進的物理、冶金及化學的分析手段。
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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，防止這種失效模式和失效機理的重復出現。
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失效模式是指觀察到的失效現象、失效形式，如開路、短路、參數漂移、功能失效等。
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失效機理是指失效的物理化學過程，如疲勞、腐蝕和過應力等。
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失效分析為設計工程師不斷改進或者修復芯片的設計，使之與設計規(guī)范更加吻合提供必要的反饋信息。
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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(yōu)化提供必要的信息基礎。
芯片開封：去除IC封膠，同時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驗做準備。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(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(qū)域。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(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生的漏電流可見光。OBIRCH應用（鐳射光束誘發(fā)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(qū)等，也能有效的檢測短路或漏電,是發(fā)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(qū)域的斑狀影像，找尋在實際分析中困擾設計人員的漏電區(qū)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(xù)分析或rebonding。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。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：o晶元面脫層，o錫球、晶元或填膠中的裂縫，o封裝材料內部的氣孔，o各種孔洞如晶元接合面、錫球、填膠等處的孔洞。
連接性失效包括開路、短路以及電阻值變化。這類失效容易測試，現場失效多數由靜電放電(ESD)和過電應力(EOS)引起。 電參數失效，需進行較復雜的測量，主要表現形式有參數值超出規(guī)定范圍(超差)和參數不穩(wěn)定。 確認功能失效，需對元器件輸入一個已知的激勵信號，測量輸出結果。如測得輸出狀態(tài)與預計狀態(tài)相同，則元器件功能正常，否則為失效,功能測試主要用于集成電路。 三種失效有一定的相關性,即一種失效可能引起其它種類的失效。功能失效和電參數失效的根源時?？蓺w結于連接性失效。在缺乏復雜功能測試設備和測試程序的情況下，有可能用簡單的連接性測試和參數測試方法進行電測，結合物理失效分析技術的應用仍然可獲得令人滿意的失效分析結果。 X-Ray檢測，即為在不破壞芯片情況下，利用X射線透視元器件(多方向及角度可選)，檢測元器件的封裝情況，如氣泡、邦定線異常，晶粒尺寸，支架方向等。適用情境：檢查邦定有無異常、封裝有無缺陷、確認晶粒尺寸及l(fā)ayout 1) 相同批次的器件，不同封裝生產線的器件內部形狀略微不同; 2) 內部線路損傷或缺陷很難檢查出來，必須通過功能測試及其他試驗獲得。
X-Ray 真?zhèn)舞b別----空包彈(圖中可見，未有晶粒)
X-Ray用于產地分析(下圖中同品牌同型號的芯片)(下面這個密密麻麻的圓點就是BGA的錫珠。下圖我們可以看出，這個芯片實際上是BGA二次封裝的)開封方法有機械方法和化學方法兩種，按封裝材料來分類，微電子器件的封裝種類包括玻璃封裝(二極管)、金屬殼封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等。
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光學顯微鏡分析技術
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掃描電子顯微鏡的二次電子像技術
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電壓效應的失效定位技術
電壓襯度差像、電應力(EOD)損傷、靜電放電(ESD)損傷、封裝失效、引線鍵合失效 、芯片粘接不良、金屬半導體接觸退化、鈉離子沾污失效、氧化層針孔失效...一、培養(yǎng)失效分析隊伍 難做不等于不能做。對于絕大多數企業(yè)而言，根據自己的實力來裝備培養(yǎng)自己失效分析隊伍也是需要的。一般的企業(yè)做失效分析可以先配備一個晶體管圖示儀，好點的國產貨也就萬把塊錢。在一個儀器上培養(yǎng)這方面的人，就比全面鋪開要方便很多。而通過晶體管圖示儀基本上可以把失效器件定位到失效的管腳上，如果條件好，還能確認是電過應力損壞還是靜電損壞。知道了這兩點就可以幫助開發(fā)人員檢查設計，而如果是靜電損傷，則可改善生產使用的防護條件了。
二、建立金相分析實驗室 如果想要再進一步分析，則需要建立一個金相分析實驗室了。這所需要的設備為：金相顯微鏡、體視顯微鏡和切割機、磨拋機及制樣的耗材了。如果有了這樣的實驗室，除了可以看各種元器件的表面損傷外，還可以通過制作切片的方法觀察內部情況。而且實驗室到了這個層次，不僅僅可以用作元器件的失效分析，也可以用于焊接組裝工藝失效的檢查，比如檢查焊接情況、金屬間化合物的生成情況等。而且這時還可以用于元器件的最初認證及進行破壞性物理分析。到這個階段基本上投入就比較大了。如果使用全套進口設備，那么總價至少也要60~90萬人民幣左右。如果使用國產設備那么投入可以少很多。采用全套國產設備，基本上可以在10萬人民幣以內完成。此時對人員素質上，需要有了解電子元器件材料科學、半導體物理學的人員進行相關工作。對于集成電路而言，很多失效都是發(fā)生在鍵合系統(tǒng)上的，也就是管腳和集成電路芯片的連接上。用金相切片的方法，很多時候會破壞芯片的鍵合系統(tǒng)。這時候，可能會用到開封機來打開集成電路表面的塑料材料。對于很多企業(yè)而且言，這個東西就太貴了，往往要幾萬美元。而且還要經常更換噴嘴之類昂貴的耗材，所以很多企業(yè)干脆就不買這個東西，采用手工開封的方法進行，youtube上甚至可以看到老外這么干。不過開封需要使用到強酸，有些化學藥品還屬于國家管制藥品，需要到公安局去備案。而且實際實施時，不論是用開封機還是手工開封，都需要在通風廚中進行，做好個人防護。對于人員而言，除了上述知識外，要動用強腐蝕的化學藥品，原則上要有“危險化學品作業(yè)證”。
三、借助失效分析公司或者高校 一般的企業(yè)做到以上這個層次就可以了。如果在進行上述分析后還無法定案，這時候可以到社會上的失效分析公司，或者到大學高校中去，租借他們的設備進行分析。對于懷疑有來料問題做造成的批次失效鑒別時，則一定要去具有IEC 17025認證的實驗室去做第三方分析鑒定。他們出具的報告才有法律效力。如果一個企業(yè)要把自己的企業(yè)做成百年老店，就必須要有質量過硬的產品。而失效分析是發(fā)現質量問題的重要手段，對提升質量有重要意義，希望我們的失效分析不再尷尬。
開車的人都知道，哪里最能練出駕駛水平?高速公路不行，只有鬧市和不良路況才能提高水平。對于失效分析來說也是如此，只有將失效分析進行徹底了，才能迎來更好的技術發(fā)展。
文章來源：可靠性技術交流
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