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芯片失效分析常用方法及解决方案

发布时间:2021.08.24
       一般来说,芯片在研发、生产过程中出现错误是不可避免的,就如房缺补漏一样,哪里出了问题你不仅要解决问题,还要思考为什么会出现问题。随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高,失效分析工作也显得越来越重要,社会的发展就是一个发现问题解决问题的过程,出现问题不可怕,但频繁出现同一类问题是非常可怕的。


失效分析是一门发展中的新兴学科,近年开始从军工向普通企业普及。它一般根据失效模式和现象,通过分析和验证,模拟重现失效的现象,找出失效的原因,挖掘出失效的机理的活动。 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诊断提供了必要的信息。失效分析为设计工程师不断改进或者修复芯片的设计,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。

失效分析基本概念


  • 进行失效分析往往需要进行电测量并采用先进的物理、冶金及化学的分析手段。

  • 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,防止这种失效模式和失效机理的重复出现。

  • 失效模式是指观察到的失效现象、失效形式,如开路、短路、参数漂移、功能失效等。

  • 失效机理是指失效的物理化学过程,如疲劳、腐蚀和过应力等。


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诊断提供了必要的信息。
  • 失效分析为设计工程师不断改进或者修复芯片的设计,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。

失效分析主要步骤和内容


芯片开封: 去除IC封胶,同时保持芯片功能的完整无损,保持 die,bond pads,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。

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。

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。

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,线路漏电路径分析。利用OBIRCH方法,可以有效地对电路中缺陷定位,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。

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。

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:o晶元面脱层,o锡球、晶元或填胶中的裂缝,o封装材料内部的气孔,o各种孔洞如晶元接合面、锡球、填胶等处的孔洞。

失效分析的一般程序


1. 收集现场场数据


2. 电测并确定失效模式

      电测失效可分为连接性失效、电参数失效和功能失效。

连接性失效包括开路、短路以及电阻值变化。这类失效容易测试,现场失效多数由静电放电(ESD)和过电应力(EOS)引起。

电参数失效,需进行较复杂的测量,主要表现形式有参数值超出规定范围(超差)和参数不稳定。

确认功能失效,需对元器件输入一个已知的激励信号,测量输出结果。如测得输出状态与预计状态相同,则元器件功能正常,否则为失效,功能测试主要用于集成电路。

三种失效有一定的相关性,即一种失效可能引起其它种类的失效。功能失效和电参数失效的根源时常可归结于连接性失效。在缺乏复杂功能测试设备和测试程序的情况下,有可能用简单的连接性测试和参数测试方法进行电测,结合物理失效分析技术的应用仍然可获得令人满意的失效分析结果。

3. 非破坏检查
      X-Ray检测,即为在不破坏芯片情况下,利用X射线透视元器件(多方向及角度可选),检测元器件的封装情况,如气泡、邦定线异常,晶粒尺寸,支架方向等。

适用情境: 检查邦定有无异常、封装有无缺陷、确认晶粒尺寸及layout

优势: 工期短,直观易分析

劣势: 获得信息有限

局限性:

1) 相同批次的器件,不同封装生产线的器件内部形状略微不同;
2) 内部线路损伤或缺陷很难检查出来,必须通过功能测试及其他试验获得。

案例分析: X-Ray 探伤----气泡、邦定线


X-Ray 真伪鉴别----空包弹(图中可见, 未有晶粒 )
“徒有其表”
下面这个才是货真价实的
X-Ray用于产地分析(下图中同品牌同型号的芯片)
X-Ray 用于失效分析(PCB探伤、分析)