关于芯片失效分析方法的讨论芯片失效分析实验室2022-10-17半导体工程师 赵工 2022年10月17日主要通过实践经验总结了一种关于芯片失效分析流程和方法,用于应对集成电路研发、生产和使用过程中不可避免的失效问题的分析，满足用户对高品质、高可靠性产品的要求。通过对芯片失效的充分剖析，从简到繁、从表面破损到内部具体电路损坏，通用性强，分析逐步深入，在一定程度上可以节约分析成本，快捷有效地找到失效具体位置、失效原因以及预防措施。芯片失效分析对产品的生产和使用都具有重要的意义，失效可能发生在产品生命周期的各个环节，包括：芯片后期测试环节的损坏、整机研发设计、存储、运输、贴片、加工组装、客户端等。针对这些环节出现的次品、早期失效、使用后期失效等坏片进行确认失效后的功能影响、分析失效实质问题、明确失效原因最终得出应对策略，减少甚至避免失效的发生。主要方法包括：充分明确分析对象，外观检查，芯片拆卸、清洗植球，系统级测试平台测试，工程机测试，必要时进行 FA 分析，总结失效原因、预防及改善方法。本文主要针对芯片出货之后产生的失效芯片的分析。1 明确分析对象当失效芯片分析人员拿到失效样品，不要急于开始分析，在分析操作之前要先确认以下几点：确认客户寄出的样品是否有误，避免无效工作；对收到失效样品进行分类，一般按照芯片型号、批次区分并编号；进一步确认失效样品失效的环节，是生产、销售、使用哪个具体环节产生失效品，如：贴片、组装、功能测试、高低温可靠性试验、客户端使用等。确认客户反馈失效的具体数据，生产总数、不良率、不良品发生是否是批次行现象等。2 外观检查通过目测或者显微镜等观察仪器检查芯片的外观是否有破损，如LQFP封装芯片的PIN脚是否有断裂痕迹，BGA封装的芯片 PAD 或者基板是否有氧化损伤等。3 芯片拆卸和清洗如果客户寄回的是整机，需要用相对应的方法将待分析失效分析芯片从样机上拆下，如果是客户寄回的是已拆卸的芯片那就无需这一步骤，直接进行相应的处理。LQFP 封装：芯片拆下后表面会有残留锡渣，需要使用烙铁与吸锡线将芯片管脚与中间地清理，然后将芯片放在超声波清洗，使用液体有洗板水或是酒精。BGA 封装：芯片拆下后锡球会形成不规则或是缺失，需要使用植球台工具或是刮锡膏的方法进行植球。4 系统级测试平台测试系统级测试平台测试是芯片量产测试最后一道测试使用的测试平台，将芯片各个模块通过功能测试的方法全部覆盖测试，是最接近芯片使用功能的测试手段。系统级测试是确认该样品是否是出货后的失效的关键手段，因此，分析的第一步是确认该批次的芯片出货前测试用的测试硬件版本和软件版本，失效样品首先在系统级测试平台使用当时量产测试使用的硬件版本和软件版本测试，若软件后期有优化更新的也需要用最新的测试硬件版本和对应的软件版本再进一步测试，记录测试结果。若失效样品在系统级测试平台测试结果正确，但是客户反馈样品功能失效，说明量产的系统级测试无法筛出，存在测试逃逸，测试硬件或者软件需要优化或者客户误报。若失效样品在系统级测试平台的测试结果是错误的，根据错误的具体测试项和错误情况进分析芯片失效点，同时也可以判断这是芯片出货后的某个环节发生的失效。5 工程机测试模拟客户使用环境，软件运行电压频率、场景、温度等，在工程机或者客户相应样机上进行测试。根据客户反馈的异常现象，在工程机上重点测试该功能，当然其他功能要覆盖到，看是否可以复现客户反馈的现象，并根据出错模块排查芯片的故障。若无法复现客户问题，可能是客户误判，或者进一步和客户沟通看硬件环境是否有差异，或者出现的特定环境。6 封装失效分析封装失效分析行业通常缩写为 FA 分析，主要方法有：外观测试，O/S 、IV 曲线测试、X-RAY 扫描、SAT 扫描、Decap 测试、Fault测试、Cratering测试、HFdelay、EMMI测试、LC测试。外观检查主要内容，灰尘、沾污、管脚变色、PIN脚断裂、封装裂逢、基板变形等。O/S，OPEN/SHORT测试用以确认在器件测试时所有的信号脚与测试系统相应的通道在电性能上完成了连接，并且没有信号脚与其他信号引脚，电源或地发生短路。能够非常快捷查找芯片各引脚是否开短路，以及封装是否有 wire cross 问题；芯片出现 O/S 现象，没有意义再进行功能与其它参数测试。IV 曲线测试，针取不良 PIN ，施加电压-3V-3V，电流-1MA-1MA，测试 PIN 脚电否异常。X-RAY扫描，利用X射线透视技术可以不打开封装情况下，观察电子元器件内引线断裂、交叉，BGA 的焊点失效。SAT 扫描，超声波扫描显微镜，其主要是针对半导体器件，芯片，材料内部的失效分析。其可以检查到：a，材料内部的晶格结构，杂质颗粒夹杂物、沉淀物；b，内部裂纹；c，分层缺陷；d，空洞、气泡、空隙等。Decap 测试，开封，即开盖/开帽，指去除 ic 封胶，同时保持芯片功能的完整无损，保持die, ads,wires 不受损伤，为下一步芯片失效分析实验做准备。Fault 测试，开盖后去除绑定线，对晶圆进行 IV 曲线测试。Cratering 测试，弹坑测试去除绑定后检查。HF delay，氢氟酸实验，氢氟酸是氟化氢气体（HF）的水溶液，为无色透明有刺激性气味的发烟液体，利用氢氟酸腐蚀 pad 表面，看 pad 低层是否有烧伤痕迹。LC 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）。LC可侦测因 ESD，EOS 应力破坏导致芯片失效的具体位置。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EMMI侦测对应故障种类涵盖ESD，Latchup，I/O Leakage，等所造成的异常。芯片有发现短路时，但封装FA分析未发现封装异常和烧伤点时通过专业失效分析公司采用 EMMI 与 LC 两种方法进行测试，但是费用相当高昂。对于故障分析而言，微光显微镜（Emission Microscope，EMMI）是一种相当有用且效率极高的分析工具。主要侦测 IC内部所放出光子。对漏电流的侦测可达微安级别。LC（液晶热点侦测 Liquid Crystal）对漏电流的侦测仅达毫安级别。7 范例分析（1）问题描述。客户反馈：RKxxx 在 Ambers 机种量产不良率高，不良数 50PCS,投产 115827PCS,不良率：0.04%。不良现象：抓不到 USB。①量測+VDD_CORE1.2V=1.9V；②確認電壓偏大于正常板；③交叉驗證確認料件本體 NG（2）原因分析。收到 5pcs 芯片，重新植球，外观目视检查未发现异常；SLT 平台与 SVB 平台双向对比测试结果如下：SVB：也称为”SDK，工程机测试平台”，运行系统，针对芯片的各个接口与功能进行测试。SLT：system Level Test ，用于工厂生产芯片测试的平台。失效芯片 4#、5#进一步分析：（3）分析总结。本次分析 RKxxx 5pcs，良品 3PCS，不良品2PCS。2pcs 失效芯片确认是 EOS 导致损坏。8 失效分析意义通过失效分析可以减少和预防产品同类失效事故的重复发生，提高产品质量和减少经济损失。失效分析是可靠性工程必不可少的工作，是全面质量管理中的重要组成部分和关键技术环节。失效分析是处理客诉纠纷、责任认定、法律纠纷（仲裁）的依据。失效分析事件的三要素：侦测、诊断、事后处理。失效分析人员的要求。由于失效分析在整个芯片的验证过程中非常重要，也比较复杂与特殊性，失效分析人员除要有扎的理论基础以外，还应不断地结合实践，逐步培养，并应具备以下基本素质：做个老实人，说个老实话，一切以真实为主，不作假；多动脑筋，用各种仪器与方法，用怀疑一切的态度把关捕捉失效的信息和证据；保持续头脑清醒，用正确的思路去寻找一切可能怀疑的问题；学习要认真，多向身边的同事学习。积极向上，寻找自己的不足之处；要有扎实的专业基础知识和较广的知识面，工作能力要强，办事效率要高。9 结语本文针对芯片失效分析的问题提出了分析手段与解决方法，通过对芯片失效的基本原理及各种失效形式的分析，提出了各种验证方法。探究了几种验证手段与分析方法的的实用性。随着科学技术的不断进步，我相信在未来的芯片失效分析工作中将会研究出更多的芯片失效的分析方式方法，提高芯片性能与使用寿命，促进集成电路的的发展。相信在不久的将来，基于实际的芯片失效分析一定会更加广泛地应用于芯片企业。来源：半导体封装工程师之家 作者：黄美莲