芯片失效分析是一个系统性工程,需要结合电学测试、物理分析、材料表征等多种手段,逐步缩小问题范围,最终定位失效根源。以下是典型分析流程及关键方法详解:![]() 一、前期信息收集与失效现象确认 1. 失效背景调查 收集芯片型号、应用场景、失效模式(如短路、漏电、功能异常等)、失效比例、使用环境(温度、湿度、电压)等。 确认失效是否可复现,区分设计缺陷、制程问题或应用不当(如过压、ESD)。 2. 电性能验证 使用自动测试设备(ATE)或探针台(Probe Station)复现失效,记录关键参数(如I-V曲线、漏电流、阈值电压偏移)。 对比良品与失效芯片的电特性差异,缩小失效区域(如特定功能模块)。 二、非破坏性检测(NDA) 目标:初步定位问题,避免破坏性操作干扰后续分析。 1. X射线检测(X-ray Imaging) 2D X-ray:检查封装内部引线键合、焊球连接、分层等缺陷。 3D X射线断层扫描(CT):三维重建芯片内部结构,识别微裂纹、空洞(如图1封装焊点空洞)。 2. 红外热成像(Thermal Imaging) 通电后扫描芯片表面温度分布,定位异常发热点(如短路区域)。 3. 声学显微镜(SAM) 利用超声波检测封装内部脱层、裂纹等界面缺陷(对塑封器件尤其有效)。 三、破坏性物理分析(DPA) 目标:深入芯片内部,观察微观结构缺陷。 1. 开封(Decapsulation) 化学开封:使用酸液(如发烟硝酸)溶解环氧树脂封装,暴露芯片表面(需控制腐蚀时间避免损伤金属层)。 激光开封:对高密度封装(如Flip-Chip)进行局部精准去除。 2. 剖面制备(Cross-Section) 使用聚焦离子束(FIB)或机械研磨切割芯片,制备特定区域的横截面。 通过扫描电镜(SEM)观察剖面,检测金属层断裂、通孔空洞、栅氧击穿等(如图2金属线电迁移导致断裂)。 3. 材料成分分析 能量色散谱(EDS):分析失效点元素成分,识别污染(如Cl⁻离子导致腐蚀)。 二次离子质谱(SIMS):检测痕量杂质(如Na⁺迁移导致漏电)。 四、电路层级失效定位 目标:在晶体管或电路节点级别定位故障。 1. 光子发射显微镜(EMMI) 检测失效区域在通电时的微弱光子发射,定位漏电或短路的精确位置。 2. 激光诱导电压变化(OBIRCH) 激光扫描芯片表面,监测电阻变化,定位高阻抗或断路点。 3. 电子束探伤(EBT) 利用电子束激发芯片内部电势变化,分析电路节点异常。 五、综合诊断与根因分析 1. 数据关联 整合电学测试、物理分析、材料表征结果,验证失效机理一致性(如电迁移导致电阻升高,SEM确认金属线变细)。 2. 失效机理模型 根据现象构建失效模型,例如: 热载流子注入(HCI):栅氧损伤导致阈值电压漂移。 电化学迁移(ECM):湿度环境下金属离子迁移形成导电细丝。 3. 改进建议 针对性提出设计优化(如增加ESD保护电路)、工艺改进(如优化金属沉积温度)或应用条件调整(如降低工作电压)。 六、典型失效案例流程示例 案例:某电源管理芯片批量出现高温下功能失效 1. 电测试:高温下漏电流异常升高,锁定为某LDO模块。 2. X-ray CT:发现封装内部焊球存在微裂纹。 3. FIB/SEM剖面:确认裂纹导致电源线接触不良,高温下热应力加剧断开。 4. EDS分析:焊球界面存在硫污染(来自塑封材料)。 5. 结论:封装材料硫元素导致焊点腐蚀,改进封装工艺后问题解决。 七、关键技术挑战与对策
八、注意事项 分析顺序:严格遵循“先非破坏后破坏”原则,避免关键信息丢失。 样品保护:开封后及时进行表面钝化处理(如镀金),防止氧化影响观测。 数据交叉验证:单一手段可能存在误判,需多技术联合验证。 芯片失效分析如同“破案”,需逻辑严密、手段多样,结合“宏观→微观”、“电性→物性”的递进策略,最终实现失效闭环管理。 |