芯片失效分析常用方法及解决方案

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电子封装技术丛书--电子封装技术与可靠性

作者：(美)阿德比利,(美)派克

当当

共读好书

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文章转自《嘉峪检测网》

一般来说，芯片在研发、生产过程中出现错误是不可避免的，就如房缺补漏一样，哪里出了问题你不仅要解决问题，还要思考为什么会出现问题。随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高，失效分析工作也显得越来越重要，社会的发展就是一个发现问题解决问题的过程，出现问题不可怕，但频繁出现同一类问题是非常可怕的。

失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及。它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。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修复芯片的设计，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。

失效分析基本概念

• 进行失效分析往往需要进行电测量并采用先进的物理、冶金及化学的分析手段。

• 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，防止这种失效模式和失效机理的重复出现。

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

• 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修复芯片的设计，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。

失效分析主要步骤和内容

芯片开封：去除IC封胶，同时保持芯片功能的完整无损，保持 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。

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。

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。

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。

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。

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：o晶元面脱层，o锡球、晶元或填胶中的裂缝，o封装材料内部的气孔，o各种孔洞如晶元接合面、锡球、填胶等处的孔洞。

失效分析的一般程序

1. 收集现场场数据

2. 电测并确定失效模式 

电测失效可分为连接性失效、电参数失效和功能失效。

连接性失效包括开路、短路以及电阻值变化。这类失效容易测试，现场失效多数由静电放电(ESD)和过电应力(EOS)引起。

电参数失效，需进行较复杂的测量，主要表现形式有参数值超出规定范围(超差)和参数不稳定。

确认功能失效，需对元器件输入一个已知的激励信号，测量输出结果。如测得输出状态与预计状态相同，则元器件功能正常，否则为失效,功能测试主要用于集成电路。

三种失效有一定的相关性,即一种失效可能引起其它种类的失效。功能失效和电参数失效的根源时常可归结于连接性失效。在缺乏复杂功能测试设备和测试程序的情况下，有可能用简单的连接性测试和参数测试方法进行电测，结合物理失效分析技术的应用仍然可获得令人满意的失效分析结果。

3. 非破坏检查

X-Ray检测，即为在不破坏芯片情况下，利用X射线透视元器件(多方向及角度可选)，检测元器件的封装情况，如气泡、邦定线异常，晶粒尺寸，支架方向等。

适用情境：检查邦定有无异常、封装有无缺陷、确认晶粒尺寸及layout

优势：工期短，直观易分析

劣势：获得信息有限

局限性：

1) 相同批次的器件，不同封装生产线的器件内部形状略微不同;

2) 内部线路损伤或缺陷很难检查出来，必须通过功能测试及其他试验获得。

案例分析：X-Ray 探伤----气泡、邦定线

X-Ray 真伪鉴别----空包弹(图中可见，未有晶粒)

“徒有其表”

下面这个才是货真价实的

X-Ray用于产地分析(下图中同品牌同型号的芯片)

X-Ray 用于失效分析(PCB探伤、分析)

(下面这个密密麻麻的圆点就是BGA的锡珠。下图我们可以看出，这个芯片实际上是BGA二次封装的)

4. 打开封装 

开封方法有机械方法和化学方法两种，按封装材料来分类，微电子器件的封装种类包括玻璃封装(二极管)、金属壳封装、陶瓷封装、塑料封装等。

机械开封 化学开封

5. 显微形貌像技术 

• 光学显微镜分析技术

• 扫描电子显微镜的二次电子像技术

• 电压效应的失效定位技术

6. 半导体主要失效机理分析

正常芯片电压衬度像 
失效芯片电压衬度像

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...

针对失效分析企业该如何做？

一、培养失效分析队伍 难做不等于不能做。对于绝大多数企业而言，根据自己的实力来装备培养自己失效分析队伍也是需要的。一般的企业做失效分析可以先配备一个晶体管图示仪，好点的国产货也就万把块钱。在一个仪器上培养这方面的人，就比全面铺开要方便很多。而通过晶体管图示仪基本上可以把失效器件定位到失效的管脚上，如果条件好，还能确认是电过应力损坏还是静电损坏。知道了这两点就可以帮助开发人员检查设计，而如果是静电损伤，则可改善生产使用的防护条件了。

二、建立金相分析实验室 如果想要再进一步分析，则需要建立一个金相分析实验室了。这所需要的设备为：金相显微镜、体视显微镜和切割机、磨抛机及制样的耗材了。如果有了这样的实验室，除了可以看各种元器件的表面损伤外，还可以通过制作切片的方法观察内部情况。而且实验室到了这个层次，不仅仅可以用作元器件的失效分析，也可以用于焊接组装工艺失效的检查，比如检查焊接情况、金属间化合物的生成情况等。而且这时还可以用于元器件的最初认证及进行破坏性物理分析。到这个阶段基本上投入就比较大了。如果使用全套进口设备，那么总价至少也要60~90万人民币左右。如果使用国产设备那么投入可以少很多。采用全套国产设备，基本上可以在10万人民币以内完成。此时对人员素质上，需要有了解电子元器件材料科学、半导体物理学的人员进行相关工作。

对于集成电路而言，很多失效都是发生在键合系统上的，也就是管脚和集成电路芯片的连接上。用金相切片的方法，很多时候会破坏芯片的键合系统。这时候，可能会用到开封机来打开集成电路表面的塑料材料。对于很多企业而且言，这个东西就太贵了，往往要几万美元。而且还要经常更换喷嘴之类昂贵的耗材，所以很多企业干脆就不买这个东西，采用手工开封的方法进行，youtube上甚至可以看到老外这么干。不过开封需要使用到强酸，有些化学药品还属于国家管制药品，需要到公安局去备案。而且实际实施时，不论是用开封机还是手工开封，都需要在通风厨中进行，做好个人防护。对于人员而言，除了上述知识外，要动用强腐蚀的化学药品，原则上要有“危险化学品作业证”。

三、借助失效分析公司或者高校 一般的企业做到以上这个层次就可以了。如果在进行上述分析后还无法定案，这时候可以到社会上的失效分析公司，或者到大学高校中去，租借他们的设备进行分析。对于怀疑有来料问题做造成的批次失效鉴别时，则一定要去具有IEC 17025认证的实验室去做第三方分析鉴定。他们出具的报告才有法律效力。如果一个企业要把自己的企业做成百年老店，就必须要有质量过硬的产品。而失效分析是发现质量问题的重要手段，对提升质量有重要意义，希望我们的失效分析不再尴尬。

总结 

开车的人都知道，哪里最能练出驾驶水平?高速公路不行，只有闹市和不良路况才能提高水平。对于失效分析来说也是如此，只有将失效分析进行彻底了，才能迎来更好的技术发展。