半导体芯片集成电路失效分析概述

失效分析 赵工 半导体工程师 2024-04-08 08:35 湖北

原创 失效分析赵工 半导体工程师 2023-09-06 07:03 北京

摘要：集成电路产业具有技术密集，人才密集，资本密集，经验密集属性，是对国家信息安全，国民经济发展极其重要的国家战略性，先导性行业。集成电路全产业链都离不开测试。失效分析是集成电路测试重要环节，无论对于量产样品还是设计环节亦或是客退品，失效分析可以帮助降低成本，缩短周期。

本文重点介绍集成电路失效分析流程，失效分析常用方法，失效分析样品准备注意事项。

关键词：集成电路，失效分析，测试。

什么是失效分析?

失效分析(FA)是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。

一、集成电路为什么要做失效分析？

1、失效分析是要找出失效原因，采取有效措施，使同类失效事故不再重复发生，可避免极大的经济损失和人员伤亡；

2、促进科学技术的发展；

3、促进产品质量和安全可靠性提升；

4、失效分析为制定或修改技术标准提供依据；

5、失效分析也是仲裁失效事故、开展技术保险业务及对外贸易中索赔的重要依据。

二、失效分析流程？

图1：失效分析流程

三、常见的失效分析方法样品准备及注意事项：

集成电路常用失效分析方法有X-RAY，SAT，IV，Decap，EMMI，FIB，SEM，EDX，Probe，OM，RIE等，因为失效分析设备昂贵，大部分需求单位配不了或配不齐需要的设备，因此借用外力，使用对外开放的资源，来完成自己的分析也是一种很好的选择。各种分析项目测试时需要准备的信息有哪些呢？

图2：北软失效分析实验室

（一）超声波扫描显微镜（SAT）:

含义：超声波扫描显微镜（SAT）是一种利用超声波为传播媒介的无损检测设备。通过发射高频超声波传递到样品内部，在经过两种不同材质之间界面时，由于不同材质的声阻抗不同，对声波的吸收和反射程度的不同，进而采集的反射或者穿透的超声波能量信息或者相位信息的变化来检查样品内部出现的分层、裂缝或者空洞等缺陷。

检测内容：

1.材料内部的杂质颗粒、夹杂物、沉淀物

2.内部裂纹

3.分层缺陷

4.空洞、气泡、空隙等

图3：SAT测试效果图

样品准备及注意事项：

SAT是一种常用的无损检测分析方法。样品需要在去离子水中测试，对样品密封性，平整性有要求，适合塑封集成电路表面平整的样品，不适合陶瓷封装金属封装集成电路。以SONIX设备为例，样品尺寸需要在20CM以内。SAT有不同的探头选择，比如15MHz，35MHz，75MHz，110MHz，230MHz。探头频率越高扫描精度越高，相应的扫描时间越长，穿透率越差。探头频率越低扫描精度越差，频率低探头穿透力大，扫描更深，更快。这项测试基本都是按机时计费的，影响机时的因素主要是扫描精度和扫描面积。用户可以根据样品情况和扫描要求在精度，深度方面做取舍。

（二）X射线（X-Ray）:

含义：X-Ray是利用阴极射线管产生高能量电子与金属靶撞击，在撞击过程中，因电子突然减速，其损失的动能会以X-Ray形式放出。而对于样品无法以外观方式观测的位置，利用X-Ray穿透不同密度物质后其光强度的变化，产生的对比效果可形成影像，即可显示出待测物的内部结构，进而可在不破坏待测物的情况下观察待测物内部有问题的区域。

检测内容:

1.观测DIP、SOP、QFP、QFN、BGA、Flipchip等不同封装的半导体、电阻、电容等电子元器件以及小型PCB印刷电路板

2.观测器件内部芯片大小、数量、叠die、绑线情况

3.观测芯片crack、点胶不均、断线、搭线、内部气泡等封装缺陷，以及焊锡球冷焊、虚焊等焊接缺陷

图4：X-RAY测试效果图

样品准备及注意事项：

X-RAY写清样品尺寸，数量，材质。尺寸需要在50cm以内，尺寸越小可以扫描的精度越高，以YXLON为例样品最佳精度能达到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，适合观察低密度包裹高密的的样品，比如塑封样品看金线，需要提醒一点密度小的可能就看不到了，比如集成电路铝绑线在x-ray下几乎看不到，TO封装的粗铝线能稍微看到一点影子。

（三）IV自动曲线量测仪(IV):

IV验证及量测半导体电子组件的电性、参数及特性。比如电压-电流。

检测内容：

1.Open/Short Test

2.I/V Curve Analysis

3.Idd Measuring

4.Powered Leakage（漏电）Test

图5：IV测试效果图

样品准备及注意事项:

写清管脚数量，封装形式，加电方式，电压电流要求及限制范围。实验人员需要提前确认搭建适合的分析环境，确认是否有适合的scoket。测试时做好静电防护。

（四）开封（decap）：

含义：Decap即开封，也称开盖，开帽，指给完整封装的IC做局部腐蚀，使得IC可以暴露出来，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，方便观察或做其他测试（如FIB，EMMI）， Decap后功能正常。

检测内容：

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

2.样品减薄（陶瓷，金属除外）

3.激光打标

4.芯片开封（正面/背面）

5.IC蚀刻，塑封体去除

图6：Decap效果图

样品准备及注意事项：

写清样品尺寸，数量，封装形式，绑线材质，开封要求。decap后做什么。若集成电路在pcb板上，最好提前拆下，pcb板子面较大有突起，会影响对芯片的防护，

（五）微光显微镜（EMMI）：

含义：EMMI主要侦测IC内部所放出光子。在IC元件中，EHP（Electron Hole Pairs）Recombination会放出光子（Photon）。如在P-N结加偏压，此时N阱的电子很容易扩散到P阱，而P的空穴也容易扩散至N，然后与P端的空穴（或N端的电子）做EHP Recombination。

检测内容：

1.P-N接面漏电；P-N接面崩溃

2.饱和区晶体管的热电子

3.氧化层漏电流产生的光子激发

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

Hot Carriers Effect、ESD等问题

图7：EMMI测试效果图

样品准备及注意事项：

EMMI写清样品加电方式，电压电流要求和限制条件，是否是裸die，是否已经开封，特殊要求等，EMMI是加电测试，可以连接各种源表，确认加电要求，若实验室没有适合的源表，可以自带，避免做无用功。

EMMI可以捕捉波长范围在900-1600nm波段的近红外光。多用来定位集成电路pn结电流异常。需要特别注意的是，因为集成电路金属层会遮挡光子，一般建议样品背面Decap后做EMMI。

(六）聚焦离子束显微镜(FIB):

含义：FIB是将液态金属离子源产生的离子束经过离子枪加速，聚焦后照射于样品表面产生二次电子信号取得电子像，此功能与SEM（扫描电子显微镜）相似，或用强电流离子束对表面原子进行剥离，以完成微、纳米级表面形貌加工。

检测内容：

1.芯片电路修改和布局验证

2.Cross-Section截面分析

3.Probing Pad

4.定点切割

图8：FIB测试效果图

样品准备及注意事项：

FIB写清样品尺寸，材质，导电性是否良好，若尺寸较大需要事先裁剪。一般样品台1-3cm左右，太大的样品放不进去，也影响定位，导电性好的样品分析较快，导电性不好的，需要辅助措施才能较好的分析。比如表面喷金，贴导电胶，切点观察的，标清切点要求。切线连线写清方案，发GDS文件。

（七）形貌观测（SEM）:

含义：

SEM可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。具有景深大，倍率高优势，放大倍率能到几十万倍，可以看到nm精度。

检测内容：

1.材料表面形貌分析，微区形貌观察

2.材料形状、大小、表面、断面、粒径分布分析

3.薄膜样品表面形貌观察、薄膜粗糙度及膜厚分析

4.纳米尺寸量测及标示

图9：SEM测试效果图

样品准备及注意事项：

写清样品尺寸，材质，导电性是否良好，若尺寸较大需要事先裁剪。一般样品台1-3cm左右，太大的样品放不进去，也影响定位，导电性好的样品分析较快，导电性不好的，需要辅助喷金或导电胶分析。

（八）成分分析（EDX）:

含义：

EDX是借助于分析试样发出的元素特征X含义：射线波长和强度实现的，根据不同元素特征X射线波长的不同来测定试样所含的元素。通过对比不同元素谱线的强度可以测定试样中元素的含量。通常EDX结合电子显微镜（SEM）使用，可以对样品进行微区成分分析。

检测内容:

1.微区成分定性分析

2.元素成分及大概比例

图10：EDX测试效果图

 样品准备及注意事项：

EDX写清样品尺寸，材质，EDX是定性分析，能看到样品的材质和大概比例，适合金属元素分析。

（九）探针台（Probe）：

含义：

探针台主要应用于半导体行业、光电行业。针对集成电路以及封装的测试。广泛应用于复杂、高速器件的精密电气测量的研发，旨在确保质量及可靠性，并缩减研发时间和器件制造工艺的成本。

检测内容：

1.微小连接点信号引出

2.失效分析失效确认

3.FIB电路修改后电学特性确认

4.晶圆可靠性验证

图11：Probe测试效果图

样品准备及注意事项：

写清样品测试环境要求，需要搭配什么源表，使用什么探针，一般有硬针和软针，软针较细，不易对样品造成二次损伤。硬针成本低，Probe测试有耗材费。

(十)显微镜分析（OM）：

含义:

可用来进行器件外观及失效部位的表面形状，尺寸，结构，缺陷等观察。

检测内容:

1.样品外观、形貌检测

2.制备样片的金相显微分析

3.各种缺陷的查找

4.晶体管点焊、检查

图12：OM测试效果图

样品准备及注意事项:

写清样品情况，对放大倍率要求。OM属于表面观察，看不到内部情况。

（十一）离子蚀刻（RIE）：

含义：RIE是干蚀刻的一种，这种蚀刻的原理是，当在平板电极之间施加10～100MHZ的高频电压（RF，radio frequency）时会产生数百微米厚的离子层（ion sheath），在其中放入试样，离子高速撞击试样而完成化学反应蚀刻，此即为RIE（Reactive Ion Etching）。

检测内容:

1.用于对使用氟基化学的材料进行各向同性和各向异性蚀刻，其中包括碳、环氧树脂、石墨、铟、钼、氮氧化物、光阻剂、聚酰亚胺、石英、硅、氧化物、氮化物、钽、氮化钽、氮化钛、钨钛以及钨

2.器件表面图形的刻蚀

图131：RIE测试效果图

样品准备及注意事项:

写清样品材质，需要看到的区域。

最近的二十年我国集成电路失效分析虽然取得了很大的进步，相比于半导体起步早发展好的几个国家和地区还是有很大的提升空间，现在集成电路已经升级为一级学科，越来越多的高校设立了集成电路相关专业，政府在政策和产业布局上也给予了多重利好，相信随着更多集成电路专业人才加入，我国集成电路失效分析还会有长足的发展势头。累积到更多经验，为更多企事业单位解决技术难题。

注释：

EDX：X射线能谱（Energy Dispersive X-ray spectroscopy，EDX）作为元素分析方法之一，用于材料微区元素种类与含量分析。

参考资料：

1，北京软件产品质量检测检验中心 集成电路失效分析实验室

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