本文介紹了芯片失效分析的方法和流程，舉例了典型失效案例流程，總結(jié)了芯片失效分析關(guān)鍵技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和對策，并總結(jié)了芯片失效分析的注意事項。 芯片失效分析是一個系統(tǒng)性工程，需要結(jié)合電學(xué)測試、物理分析、材料表征等多種手段，逐步縮小問題范圍，最終定位失效根源。以下是典型分析流程及關(guān)鍵方法詳解：

前期信息收集與失效現(xiàn)象確認(rèn)

1.失效背景調(diào)查

收集芯片型號、應(yīng)用場景、失效模式（如短路、漏電、功能異常等）、失效比例、使用環(huán)境（溫度、濕度、電壓）等。

確認(rèn)失效是否可復(fù)現(xiàn)，區(qū)分設(shè)計缺陷、制程問題或應(yīng)用不當(dāng)（如過壓、ESD）。

2.電性能驗證

使用自動測試設(shè)備（ATE）或探針臺（Probe Station）復(fù)現(xiàn)失效，記錄關(guān)鍵參數(shù)（如I-V曲線、漏電流、閾值電壓偏移）。

對比良品與失效芯片的電特性差異，縮小失效區(qū)域（如特定功能模塊）。

非破壞性檢測（NDA）

目標(biāo)：初步定位問題，避免破壞性操作干擾后續(xù)分析。

1. X射線檢測（X-ray Imaging）

2D X-ray：檢查封裝內(nèi)部引線鍵合、焊球連接、分層等缺陷。

3D X射線斷層掃描（CT）：三維重建芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，識別微裂紋、空洞（如圖1封裝焊點空洞）。

2.紅外熱成像（Thermal Imaging）

通電后掃描芯片表面溫度分布，定位異常發(fā)熱點（如短路區(qū)域）。

3.聲學(xué)顯微鏡（SAM）

利用超聲波檢測封裝內(nèi)部脫層、裂紋等界面缺陷（對塑封器件尤其有效）。

破壞性物理分析（DPA）

目標(biāo)：深入芯片內(nèi)部，觀察微觀結(jié)構(gòu)缺陷。

1.開封（Decapsulation）

化學(xué)開封：使用酸液（如發(fā)煙硝酸）溶解環(huán)氧樹脂封裝，暴露芯片表面（需控制腐蝕時間避免損傷金屬層）。

激光開封：對高密度封裝（如Flip-Chip）進行局部精準(zhǔn)去除。

2.剖面制備（Cross-Section）

使用聚焦離子束（FIB）或機械研磨切割芯片，制備特定區(qū)域的橫截面。

通過掃描電鏡（SEM）觀察剖面，檢測金屬層斷裂、通孔空洞、柵氧擊穿等（如金屬線電遷移導(dǎo)致斷裂）。

3.材料成分分析

能量色散譜（EDS）：分析失效點元素成分，識別污染（如Cl?離子導(dǎo)致腐蝕）。

二次離子質(zhì)譜（SIMS）：檢測痕量雜質(zhì)（如Na?遷移導(dǎo)致漏電）。

電路層級失效定位

目標(biāo)：在晶體管或電路節(jié)點級別定位故障。

1.光子發(fā)射顯微鏡（EMMI）

檢測失效區(qū)域在通電時的微弱光子發(fā)射，定位漏電或短路的精確位置。

2.激光誘導(dǎo)電壓變化（OBIRCH）

激光掃描芯片表面，監(jiān)測電阻變化，定位高阻抗或斷路點。

3.電子束探傷（EBT）

利用電子束激發(fā)芯片內(nèi)部電勢變化，分析電路節(jié)點異常。

綜合診斷與根因分析

1.數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

整合電學(xué)測試、物理分析、材料表征結(jié)果，驗證失效機理一致性（如電遷移導(dǎo)致電阻升高，SEM確認(rèn)金屬線變細）。

2.失效機理模型

根據(jù)現(xiàn)象構(gòu)建失效模型，例如：

熱載流子注入（HCI）：柵氧損傷導(dǎo)致閾值電壓漂移。

電化學(xué)遷移（ECM）：濕度環(huán)境下金屬離子遷移形成導(dǎo)電細絲。

3.改進建議

針對性提出設(shè)計優(yōu)化（如增加ESD保護電路）、工藝改進（如優(yōu)化金屬沉積溫度）或應(yīng)用條件調(diào)整（如降低工作電壓）。

典型失效案例流程示例

案例：某電源管理芯片批量出現(xiàn)高溫下功能失效

1. 電測試：高溫下漏電流異常升高，鎖定為某LDO模塊。

2. X-ray CT：發(fā)現(xiàn)封裝內(nèi)部焊球存在微裂紋。

3. FIB/SEM剖面：確認(rèn)裂紋導(dǎo)致電源線接觸不良，高溫下熱應(yīng)力加劇斷開。

4. EDS分析：焊球界面存在硫污染（來自塑封材料）。

5. 結(jié)論：封裝材料硫元素導(dǎo)致焊點腐蝕，改進封裝工藝后問題解決。

關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與對策

注意事項

分析順序：嚴(yán)格遵循“先非破壞后破壞”原則，避免關(guān)鍵信息丟失。

樣品保護：開封后及時進行表面鈍化處理（如鍍金），防止氧化影響觀測。

數(shù)據(jù)交叉驗證：單一手段可能存在誤判，需多技術(shù)聯(lián)合驗證。

芯片失效分析如同“破案”，需邏輯嚴(yán)密、手段多樣，結(jié)合“宏觀→微觀”、“電性→物性”的遞進策略，最終實現(xiàn)失效閉環(huán)管理。