浅谈失效分析—失效分析流程

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失效分析一直伴随着整个芯片产业链，复杂的产业链中任意一环出现问题都会带来芯片的失效问题。芯片从工艺到应用都会面临各种失效风险，笔者平时也会参与到失效分析中，这一期就对失效分析进行系统的讲解，笔者能力有限，且失效分析复杂繁琐，只能尽力的总结一些知识体系，肯定会有很多不足与缺漏。

一.失效的定义：

造成失效的原因不一而足，失效的表现也纷扰复杂，在进行失效分析之前需要确定什么是失效？

1.性能异常：

这种情况比较常见，芯片的功能正常，但是某些性能未达标。面对这种情况更多的是从设计端入手，结合测试数据与设计指标去定位原因，无论是版图还是电路设计问题，亦或是其他原因，失效分析时都要需要很精细的去排查问题。

2.功能异常：

芯片某些功能失常，甚至芯片无法启动。而发生这种情况的原因大致有三种：

2.1 电路设计：

芯片完全满足电路设计要求，但是问题出在电路设计上，电路有缺陷从而导致功能异常。这种情况下很多失效分析手段都无能为力，因为问题出在设计端，所有的芯片都面临同一问题，无法提供参照指标，没有基线也就无法判定“好”与“坏”。只能通过FIB对各个模块进行切割/连接，利用Nano-Probe对各个模块进行电学性能测量，从而慢慢推断出问题，过程会伴随着巨大的工作量。

2.2 芯片可靠性设计：

芯片本身的电路设计没有问题，但是芯片在物理可靠性设计上有所欠缺，从而造成芯片存在可靠性缺陷。芯片在面对EOS、ESD、EMI、应力、温度等外界刺激时发生了损伤，从而造成了功能失常。可靠性的强弱也直接决定了芯片量产后的良率。

2.3 工艺：

这种情况在先进工艺上比较明显，Fab的工艺出现问题从而导致芯片失效。现在很多先进制程下的芯片最后的良率只能达到50%~60%很大因素是因为工艺上的问题（笔者的分析主要是针对已经固化的成熟工艺）。

电路功能失效的显著特征就是普遍性，同一批都会出现相同的问题，无一幸免。而大多数因物理可靠性造成的失效都具备一定随机性，要么失效程度不一，要么需要一定的触发条件。因为物理可靠性的缺陷而造成某一性能发生异常的可能性也有，所以失效分析还是要基于实际情况，具体问题具体分析。（笔者也见过很严重的物理可靠性缺陷而导致同批芯片全部失效）

二.失效层次：

半导体器件的失效可以根据失效发生的阶段划分为三个层次：

芯片（裸片）层次：芯片层次的失效是目前出现概率最高的阶段，因为现在芯片工艺与设计的复杂性，工艺偏差，设计不到位等多方面因素，都会造成芯片在制造、运输等过程中发生失效。

封装层次：封装过程中键合失效，打线过重，粘连失效，空洞过多等因素都会造成封装层次上的失效，随着现在封装技术愈发先进，封装过程中出现失效的风险也在上升。

应用层次：下游客户在芯片应用端造成的失效。诸如PCB板设计不合理、超出极限的应用场景等，这种情况就不表了。

三．失效分析流程：

记录失效表现，将芯片失效的“症状”记录下来，诸如短路、开路、漏电、性能异常、功能异常、时好时坏等。很多失效原因其表现出的“症状”是相似的，例如漏电，物理损坏能造成漏电，隔离不到位也能造成漏电，Latch-up问题也会造成漏电。

定位失效层次，在交付后的应用端发生失效，还是封装后失效，亦或是裸片自身就有问题。三种不同层次对应不同的失效分析思路。

失效触发条件，正常功能测试中出现失效；高低温测试出现失效；ATE出现失效；ESD失效，封装造成失效。（如果测试工程师能严格遵守静电防护要求进行测试和设计测试板，芯片在测试过程中面临ESD/EOS的风险很低）

统计失效概率，是随机性的出现单颗失效还是按一定比例出现多个失效，亦或是全部芯片都出现失效。

复现失效条件，要对失效问题进行复现或追查，确认芯片失效原因，从而帮助推测失效原因。

确定失效类型，对失效类型做出推断，从而确定失效分析的方向。如果无法通过失效结果推断出失效类型，那么只能根据后续的测试结果进行推断。

规划实验计划，对失效原因有大致推断后就需要进行实验去寻找数据支撑，如果推断比较清晰的话实验就比较好去定位。

总结改善措施，得出失效原因的结论后就需要制定相对应的改善措施，并记录在册。每一次的失效结论都是拿钱砸出来的经验教训，也是产品公司必须要经历的过程。

图一.失效分析流程示意图。

四.失效分析手段

目前国内已经有很多专业的团队在做失效分析和测试，他们不仅具备专业的仪器设备，还会有专业人员对失效分析进行技术支持。但是笔者认为IC设计公司还是得具备一定的失效分析能力，因为整个芯片各个模块的设计与电路指标都是设计公司确立的，版图/后端也是设计公司做的，设计公司对整个芯片更加清楚。第三方公司能辅助定位失效点和提供技术支持，但是其对芯片的熟悉程度远不如设计公司，设计公司应该主导失效分析。这里对几种常见的失效分析手段进行简介：

4.1.非破坏性分析:

4.1.1. OM（Optica Microscope）：

利用高倍数显微镜对芯片或者封装表面进行视觉检测。如图二所示为OM结果，其中暗场技术能观察到表面划痕与污染，Nomarski技术能观察到裂缝与刻蚀坑。

图二.OM观测结果。

4.1.2. SAT/SAM (Scanning AcousticTomography/Scanning Acoustic Microscopy) ：

SAT/SAM利用超声波在不同介质中的反射系数，得出封装内部的结构图。该技术能用于检查样品中的空隙、裂纹和分层。而SAM的精度与分辨率是强于SAT的。

图三.SAT/SAM观测结果。

4.1.3. X-Ray / Computed Tomography (CT) X-Ray：

利用X光和CT对芯片进行拍照从而得出内部结构图。如果需要得到更详细的内部结构，可以将样品进行360°拍照，然后利用图像处理技术构建出芯片的3D结构图。

图四.3D X-Ray 结果。

4.1.4. Decapsulation：

大部分封装所造成失效都能通过上述手段检测出来，但是如果需要对芯片进行检测就得去封装（开盖）。目前Decapsulation的手段有两种：1. 化学法：利用硫酸和硝酸去腐蚀开盖。2. 激光法：利用激光将封装熔解。

图五.Decapsulation结果示意图。

4.2. EFA （Electrical Failture Analysis ）：

4.2.1. Electrical Testing：

利用探针台+半导体分析仪+电学测试设备，利用探针对芯片内部进行采样和施加激励，直接对电路模块进行电学特性分析。这是最普遍的电学失效分析手段，不过探针的扎针落点有很多限制，有时得配合FIB和金属去层才能对指定的模块进行电学性能测量。

图六.电学特性分析。

4.2.2. Photo Emission Microscope (EMMI InGaAs OBIRCH)

其中关于EMMI之前已经介绍过，传统EMMI的探头为CCD，而InGaAs是EMMI的一种探头，两者的接收波段有区别， 且InGaAs更加快速与灵敏。

图七.EMMI、InGaAs、Thermal波段范围。

OBIRCH是利用红外激光照射局部位置引起热梯度造成局部电阻变化，从而观察到电流变化。 阻抗异常其电流变化会与其它地方不同，从而定位失效点。EMMI InGaAs OBIRCH是三种应用非常广泛的FA手段，其结果不如SEM， X-Ray等技术直观，且依赖偏置条件，但是能快速定位失效点，其应用场景远比SEM等广泛，是主流的失效分析手段之一。 日后笔者会总结EMMI的分析心得，进行EMMI前最好先对失效点及失效原因有个推断，然后给予适当的偏置条件。

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4.3. PFA （Physical Failure Analysis）

物理失效分析就需要对芯片进行一些物理处理，其中最主要的处理方式一个是纵刨，一个是金属去层。纵刨的样品制备包括清洗、安装然后将样品放入聚酯或环氧树脂中。

图八.纵刨SEM图像。

去层工艺使用化学溶液/气体蚀刻和机械抛光来缓慢、精确地去除芯片上的每一层金属。

图九.金属去层示意图。

4.3.1. FIB (Focus Ion Beam):

FIB是IC设计公司最常用的失效分析手段之一，这里就不赘述了。

4.3.2. SEM（Scanning Electron Microscope ）：

SEM也是常用手段之一，因为其放大倍数很大，所以利用其他手段确认失效点后便可利用SEM进行直观观察，从而确认失效原因。SEM可以对表面进行观察，也可配合纵刨技术对截面进行观察。

4.3.3 SCM（Scannin Capacitance Microscope）：

扫描电容显微镜，这种显微镜主要是利用探针对半导体器件施加信号，然后测量C-V曲线，从而确定半导体器件的掺杂类型。

而类似AFM、TEM、EDX、XPS、XRD等微观物相测量手段，一般是Fab进行更深层次的失效分析时才会用到，Design House一般不需要介入如此深的物相表征。

因为失效分析比较特例化，很难总结出一套通用的细则，且能产生芯片失效的可能性不胜枚举。笔者认为失效分析更需要经验的积累，只有见多识广后才能总结出失效的规律与普遍特征，笔者还有很长的路要走，也希望大家多多交流，毕竟一个人的见识总归是有限的。

原作者：番茄ESD小栈

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