一、失效分析的概述
失效分析是一门发展中的新行学科,这门学科可以应用在很多领域。在这里我们只要介绍其应用在半导体领域。
进行失效分析一般都需要进行电气测量并采用先进的物料、冶(ye)金及化学手段。
失效分析的目的是确定失效模式和失效机理,提出纠正措施,防止这种失效模式或者失效机理再次重复出现,从而影响我们的正常应用及生产。
失效模式是指我们观察到的失效现象,失效形式,如开路、短路,冒泡、击穿、参数异常、功能失效等。
失效机理是指失效的物料化学过程,如果腐蚀、过应力、疲劳等。
二、 失效分析的意义
失效分析是确定芯片失效机理的必要手段。
失效分析为有效的故障提供了必要的信息。
失效分数为设计工程师不断改进或者优化芯片的设计,使之与设计规范更加吻合提供必要的反馈信息。
失效分析可以评估不同测试向量的有效性,为生产测试提供必要的补充,为验证测试流程优化提供必要的信息基础。
三、失效分析的流程以及常用手段
1、失效分析的流程分为4大步:
首先是发现失效的芯片
收集失效芯片现场的数据:
电测并确定失效模式:
根据失效模式应用不同的方法手段确定失效机理。
我们来了解一下4个步骤的情况:
(1)对于第一步失效芯片的发现我们可以忽略,因为发现的时间跟地点是不确定性的。
(2)对于第二步失效芯片现场数据的收集是非常重要的,因为这里收集的数据为我们下一步失效模式的确定提供了重要信息。现场数据收集包括(芯片外观的完整性、芯片具体的失效现象、芯片具体的工作电压及电流、芯片具体的工作温度、芯片具体的静电防护措施、工人具体的生产操作流程、芯片具体的应用威廉希尔官方网站 原理图等)。
(3)对于第三步我们要知道电测失效可分为:连接性失效、电气参数失效、功能失效。
连接性失效:包含了开路、短路以及电阻值变化。这种类型的失效相对容易分析,现场失效多数由静电放电(ESD)和电应力(EOS)引起。
电气参数失效:需进行复杂的测量,主要表现形式有参数值超出规定范围和参数不稳定。
功能失效:芯片失去了应有的功能。
2、应力以及芯片失效的原因
文章前面提到了应力、电应力这个词,这个应力我们可以理解为在某种环境或条件下。下面是不同应力下可能导致的芯片失效因素。
(1)、电应力(静电、过压、过流) -> 会导致MOS器件的栅极击穿、双极性器 件的PN结击穿、功率晶体管的二次 击穿、CMOS威廉希尔官方网站 的单粒子效应。
(2)、热应力(高温存储) -> 金属半导体接触的AI-SI 互溶,阻抗接触退化,PN结漏电、Au-AL 键合失效。
(3)、低温应力(低温存储)-> 芯片断裂。
(4)、低温电应力(低温工作) -> 热载流子注入(热载流子诱生的MOS器件退化是由于高能量的电子和空穴注入栅 氧化层引起的,注入的过程中会产生界面态和氧化层陷落电荷,造成氧化层的损伤。)。
(5)、高低温应力(反复高低温循环)->芯片断裂、芯片粘接失效。
(6)、热电应力(高温工作)->金属电迁移、欧姆接触退化。
(7)、机械应力(振动、冲击)->芯片断裂、引线断裂。
(8)、辐射应力(X射线、中子辐射)->电气参数变化,软错误,CMOS电阻的闩锁效应。
(9)、气候应力(高湿、高盐)->外引线腐蚀、金属化腐蚀、电气参数漂移。
3、失效机理分析方法
(1)、芯片开盖:去除IC封胶,同时保持芯片功能的完整无损,保证实 die,bondpads,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。
(2)X-Ray 无损侦测:检测IC封装中的各种缺陷如层剥离、爆裂、空洞以及打线的完整性,PCB制程中可能存 在的缺陷如对齐不良或桥接,开路、短路或不正常连接的缺陷,封装中的锡球完整性。
(3)、SAM (SAT)超声波探伤:可对IC封装内部结构进行非破坏性检测, 有效检出因水气或热能所造成的各种破 坏如:晶元面脱层,锡球、晶元或填胶中的裂缝,封装材料内部的气孔,各种孔洞如晶元接合面、锡球、填 胶等处的孔洞。
(4)、SEM 扫描电镜/EDX成分分析:包括材料结构分析/缺陷观察、元素组成常规微区分析、精确测量元器件尺 寸等等。探针测试:以微探针快捷方便地获取IC内部电信号。镭射切割:以微激光束切断线路或芯片上层特 定区域。
(5)、EMMI侦测:EMMI微光显微镜是一种效率极高的失效分错析工具,提供高灵敏度非破坏性的故障定位方式, 可侦测和定位非常微弱的发光(可见光及近红外光),由此捕捉各种元件缺陷或异常所产生的漏电流可见 光。
(6)、OBIRCH应用(镭射光束诱发阻抗值变化测试):OBIRCH常用于芯片内部高阻抗及低阻抗分析,线路漏威廉希尔官方网站 径分析。利用OBIRCH方法,可以有效地对威廉希尔官方网站 中缺陷定位,如线条中的空洞、通孔下的空洞。通孔底部高阻 区等,也能有效的检测短路或漏电,是发光显微技术的有力补充。LG液晶热点侦测:利用液晶感测到IC漏电 处分子排列重组,在显微镜下呈现出不同于其它区域的斑状影像,找寻在实际分析中困扰设计人员的漏电区 域(超过10mA之故障点)。定点/非定点芯片研磨:移除植于液晶驱动芯片 Pad上的金凸块, 保持Pad完好 无损,以利后续分析或rebonding。
四、国产芯片设计的短板
首先我们来总结一下失效机理分析的方法,这些方法手段各有各的优点或者不足,具体使用哪种方法手段 要根据我们的失效模式来确定,毕竟不同的方法手段成本是不一样的,难易程度也是不一样的。
接下来我们谈一下国产芯片设计存在的短板,国产芯片最近10年发展是很快的,但是跟国外进口的芯片比 较还是存在不小的差异,特别是中高端芯片,比如汽车、航天航空、高端服务器很是依赖进口。中低端芯片虽然 很多国产芯厂家说的可以完全替代进口,但是免不了出一些大大小小的问题,这其中缘由一个是国内芯片设计师 能力跟国外的大厂家的设计师相差很大,另外就是芯片在设计验证包括失效性分析这块投入太少,特别是中小型 芯片设计公司很小有自己的芯片失效性分析测试实验室。所以说国产芯片要走的路还很长,特别是一些看是不起 眼的失效分析这门学科要多加重视,要善于发现自己的缺点,及时弥补自己的缺点。
审核编辑:汤梓红
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