 失效分析（FA）今天和大家一起学习总结芯片失效分析（Failure Analysis）。 当一颗IC 完成design，并不意味着designer研发工作的结束，这一点作为IC designer是一定要明确的。做IC不是纸上谈兵，design只是芯片研发中很关键的一环，后续完成量产出货还有很多很多环节。 失效分析（Failure Analysis）便是其中的一环。设计只是停留在EDA工具上，实际芯片生产出来将面临更多的问题。在设计环节，仿真完成了，并不意味着芯片设计没问题了。拿到芯片后无论是在测试环节，还是运输环节，封装环节出现了芯片失效，都要进行失效分析，失效分析分为很多种，也是一门学问，有能力的fabless都有对应的FA engineer，找到芯片失效机理，给出应对方案。 FA分析从对芯片的破坏程度方面分为非破坏性分析和破坏性分析。FA分析肯定是能不破坏IC就不破坏，分析不出原因，有必要进行破坏性分析的，再进行破坏性分析。这两种又细分为多种分析，以下详细展开。 注：IC designer无需详细了解FA的具体机理，但要了解FA分析是在干什么，这样能很好的配合FA engineer完成失效分析工作。 非破坏性分析主要包括：芯片外观检查、电气测试、X射线检测、超声波检测。 01外观检查 拿到失效芯片后，应首先使用肉眼或显微镜观察芯片表面是否有明显的损坏、裂纹、烧焦痕迹等。这些迹象可能指示着短路、过压等问题。这是成本最低，最简单的失效分析方式。有时候失效样品有明显的外观问题，如果不进行此步分析，选择其他成本高的分析方式，将会花冤枉钱，分析效率事倍功半。 02电气测试 如果外观检查无问题，可用万用表，示波器等工具测量芯片的电压和电流，以确定芯片是否正常工作，IV curve是否正常。异常的电压或电流可能意味着芯片内部可能存在元器件损坏或连接不良，异常漏电或者开短路等现象。这也是一种简单低成本的失效分析方法。 03X-Ray检测 前两种一般fabless公司自己实验室就可以做。如果未分析出失效原因，那么还可以做X射线检测对芯片内部进行成像分析，分为2D-X光和3D-X光。X射线可以用于确定引线键合的状态（布线状态，是否开路、短路）、焊片状态以及是否产生空洞。3D X-Ray成像是芯片的一个三维立体图，将芯片的每一层都能拍出来，可以准确定位芯片内部缺陷的位置，切不破坏芯片。 04超声波检测 还可以做超声波扫描检测。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不同，进而采集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。 注：非破坏性分析之外观检查和电气测试一般可以在公司自己实验室做，X射线检测和超声波检测一般委外分析，第三方可提供专业的分析报告。 破坏性分析主要包括：开盖（decap）、probe、热点/亮点分析、去层、FIB分析、剖面分析、SEM分析。 01Decap 开盖（Decapsulation）是利用机械、化学或者激光方法，在不损坏IC内部的同时，将封装完成的IC暴露出内部结构，以便于后续做进一步观察，只有将封装外壳去除，才能观察到IC内部(如Die、金线、焊盘等)，才能进一步做失效分析。开盖后可以直接用光学显微镜/SEM观察IC，是否存在die的烧毁、 裂痕异常，打线是否存在异常，bumping是否存在异常等等。 02SEM 开盖之后，如果普通光学显微镜看不出明显失效点，可以用SEM（扫描电子显微镜）分析，主要是利用微小聚焦的电子束进行样品表面扫描，SEM 具有极高的分辨率，可以达到纳米级别。放大倍数高达10万倍，能够清晰地展现芯片表面及浅层内部的微观结构，比如die表面的金属布线、晶体管的外形、微小的孔洞或凸起，可检测芯片表面是否存在物理损伤，如金属线的断裂（crack）、MOSFET的破损等情况。SEM配套EDS（X光能谱散布分析仪），可对样品表面同时进行微区的成分分析，观察是否存在异物成分。 03probe 芯片失效样品做完decap之后，可以用prober（探针）对die的内部电路节点进行电特性测量，prober可外接量测仪器，给到电路内部节点。probe分析可以对电路内部细小节点的电气特性进行分析，找到电路内部的失效点。 04热点/亮点分析 热点分析一般是用于分析样品存在不同程度的leakage的情况，通过热点分析定位样品温度过高的区域，进而判断失效电路的位置。热点分析一般分为3种：THERMAL、INGAAS、OBIRCH。 1）Thermal：检测原理为探头侦测到样品短路加电后发热产生热辐射，适用于短路样品PackageLevel的热点定位，特别适用于短路≤10Ω的故障样品。 2）InGaAs：检测原理为半导体芯片电子转换为光子，探头将光子捕捉成像，适用于芯片Junction Defeat的热点定位。 3）OBIRCH：检测原理为激光诱导扫描芯片，当检测到阻抗变化时对变化位置进行标定，适用于芯片金属布线/过孔故障Die Level的热点定位。 OBIRCH和Thermal都是针对短路故障定位，区别是什么？ Thermal更多是应用于封装级的热点定位，OBIRCH广泛用于芯片级分析（短路电阻≥10Ω或开路失效样品）。 在选取故障点定位方法时，需要根据故障现象进行预判，如果判定是晶体管失效那就选用InGaAs，如果怀疑是金属走线或者Via失效那就选用OBIRCH。  参考：https://www.bilibili.com/opus/975071375675883528 05delayer/FIB分析 芯片去层（delayer）指的是使用不同处理方式如离子蚀刻、化学药液蚀刻、机械研磨等方法， 使得die的每一层可以逐层去除， 露出每一层电路布线结构，可以和版图对比是否匹配，以此来检查电路内部的故障点。比如去层到M1（底层金属），检查是否有金属线的短路、短路情况 FIB聚焦离子束技术（Focused Ion beam），是一种利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器，实现IC的剥离、沉积、注入、切割等。比如你想让电路中某节点断开，可以用FIB刻蚀使其断路，进而测试是否正常，以此可判断电路设计的合理性。又比如，你想让电路中某两个节点实现互联，可以用FIB使其连接，进而测试电路功能以此判断电路设计的合理性，为下次投片改版提供依据。 FIB也可以对die进行切割，检查某区域是否存在crack开裂，分层等问题，可以发现fab生成过程中存在的不良问题。 结语 失效分析是一门必修课，其中的理论很多，具体大家可自行学习与深化，失效分析的目的是找到芯片失效机理，给出解决方案，这才是有效的FA分析。 |
