 失效分析（Failure Analysis，简称FA）是对已失效的半导体器件进行的一种事后检查活动。它依据失效模式和现象，通过电测试及必要的物理、化学分析技术，探究并验证失效行为，最终确定失效模式、找出失效机理。失效分析的目的与意义 失效分析的直接目的是明确失效机理、查找失效原因、提出改进措施，从而提高产品的可靠性与质量。对于半导体行业而言，设计完成并流片成功并不意味着工作的结束，实际生产出来的芯片在测试、运输、封装乃至客户使用环节都可能出现失效。因此，失效分析是连接设计、制造与应用的关键环节，是提升产品成熟度与可靠性的必修课。 产品失效可能带来严重后果，不仅造成经济损失，甚至威胁生命安全。通过失效分析，可以从失效残骸中提取“记录”下的信息，准确找到原因，并采取有效对策以防止同类事件再次发生。这项工作不仅是技术活动，也需要与管理活动紧密结合。  失效发生的层次 半导体器件的失效可根据发生阶段划分为三个主要层次：首先是芯片（裸片）设计层次，因工艺复杂性、设计偏差等因素导致；其次是制程封装层次，涉及键合、打线、空洞等封装工艺问题；最后是客户应用层次，源于PCB设计不当或超出极限应用场景等因素。 失效分析的基本流程与主要内容 失效分析通常遵循系统的流程。首先，需明确分析对象，详细记录失效现象、使用环境，并掌握器件的技术规范与工作原理。其次，确认失效模式，通过外观检查和电学测试，判断失效发生于芯片、封装还是应用端。随后，进行失效定位与机理分析，利用显微观察、物理性能探测等手段，定位到具体失效区域并分析其物理化学根源。然后，寻找失效的根本原因，对失效类型进行推断，并通过实验复现或数据追查来验证。最后，基于确定的失效原因，提出有针对性的预防与改进措施，并在设计、工艺、封装等环节落实，同时总结改善措施以积累经验。  常见失效分析方法 失效分析按照对样品的破坏性，通常遵循先非破坏、后破坏的顺序进行。 非破坏性分析旨在不损坏芯片的前提下获取信息。主要包括：1. 外观检查（OM），利用肉眼或显微镜观察表面损伤、裂纹、沾污等；2. 电气测试，使用万用表、示波器等工具测量电参数，判断功能与性能是否正常；3. X射线检测（X-Ray/CT），通过对芯片内部进行2D或3D成像，检查引线键合、焊点、空洞等结构缺陷；4. 超声波扫描检测（SAT/SAM），利用超声波在不同材质界面的反射差异，检测内部的分层、裂缝或空洞。 破坏性分析在非破坏性分析无法确定原因时采用，会改变或损坏样品。主要步骤包括：1. 开盖（Decap），通过化学或激光方法去除封装，暴露内部芯片结构；2. 使用扫描电子显微镜（SEM）进行高分辨率微观形貌观察，检测金属线断裂、晶体管破损等，并可配合能谱仪（EDS）进行成分分析；3. 探针测试（Probe），利用探针台对芯片内部节点进行电学测量，定位电路内部的失效点；4. 热点/亮点分析，通过热辐射（Thermal）、光子探测（InGaAs）或激光诱导电阻变化（OBIRCH）等技术，定位短路或发热异常区域；5. 去层（Delayer）与聚焦离子束（FIB）分析，逐层去除芯片介质以检查布线，或利用离子束进行纳米级的切割、连接等操作，以验证电路设计或检查缺陷。  此外，还有扫描电容显微镜（SCM）、红外热成像等物理探测与成分分析技术，用于更深入的机理研究。 失效分析技术在国内日益受到重视，众多研究院所、高校及企业实验室均已开展相关工作。它将贯穿于电子元器件的设计、研制、生产、试验和使用全生命周期。可靠性是通过不断与失效做斗争来维持和提高的，失效分析正是理解失效本质、获取改进依据的关键技术。在半导体等领域，通过系统性的失效分析，可以解决“器件为何失效”的核心问题，为产品优化与可靠性提升提供坚实支撑。 |
