电子元器件失效分析方法经验

时间：2020-07-10

失效分析常用方法汇总
芯片在设计生产使用各环节都有可能出现失效，失效分析伴随芯片全流程。
这里根据北软检测失效分析实验室经验，为大家总结了失效分析方法和分析流程，供大家参考。
一、C-SAM（超声波扫描显微镜)，属于无损检查:
检测内容包含：
1.材料内部的晶格结构、杂质颗粒、夹杂物、沉淀物 
2.内部裂纹 
3.分层缺陷 
4.空洞、气泡、空隙等。
二、 X－Ray（X光检测），属于无损检查:
X-Ray是利用阴极射线管产生高能量电子与金属靶撞击，在撞击过程中，因电子突然减速，其损失的动能会以X-Ray形式放出。而对于样品无法以外观方式观测的位置，利用X-Ray穿透不同密度物质后其光强度的变化，产生的对比效果可形成影像，即可显示出待测物的内部结构，进而可在不破坏待测物的情况下观察待测物内部有问题的区域。

检测内容包含：
1.观测DIP、SOP、QFP、QFN、BGA、Flipchip等不同封装的半导体、电阻、电容等电子元器件以及小型PCB印刷电路板
2.观测器件内部芯片大小、数量、叠die、绑线情况
3.观测芯片crack、点胶不均、断线、搭线、内部气泡等封装缺陷，以及焊锡球冷焊、虚焊等焊接缺陷
三、SEM扫描电镜/EDX能量弥散X光仪（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）, 
SEM/EDX（形貌观测、成分分析）扫描电镜（SEM）可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。EDX是借助于分析试样发出的元素特征X射线波长和强度实现的，根据不同元素特征X射线波长的不同来测定试样所含的元素。通过对比不同元素谱线的强度可以测定试样中元素的含量。通常EDX结合电子显微镜（SEM）使用，可以对样品进行微区成分分析。
检测内容包含：
1.材料表面形貌分析，微区形貌观察  
2.材料形状、大小、表面、断面、粒径分布分析 
3.薄膜样品表面形貌观察、薄膜粗糙度及膜厚分析
4.纳米尺寸量测及标示
5.微区成分定性及定量分析
四、EMMI微光显微镜。对于故障分析而言，微光显微镜（Emission Microscope, EMMI）是一种相当有用且效率较高的分析工具。主要侦测IC内部所放出光子。在IC元件中，EHP（Electron Hole Pairs）Recombination会放出光子（Photon）。如在P-N结加偏压，此时N阱的电子很*扩散到P阱，而P的空穴也*扩散至N，然后与P端的空穴（或N端的电子）做EHP Recombination。
检测内容包含：
1.P-N接面漏电；P-N接面崩溃
2.饱和区晶体管的热电子
3.氧化层漏电流产生的光子激发
4.Latch up、Gate Oxide Defect、Junction Leakage、Hot Carriers Effect、ESD等问题
五、 FIB 线路修改，切线连线，切点观测，TEM制样，精密厚度测量等
FIB（聚焦离子束，Focused Ion beam）是将液态金属离子源产生的离子束经过离子枪加速，聚焦后照射于样品表面产生二次电子信号取得电子像，此功能与SEM（扫描电子显微镜）相似，或用强电流离子束对表面原子进行剥离，以完成微、纳米级表面形貌加工。
检测内容包含：
1.芯片电路修改和布局验证              
2.Cross-Section截面分析                
3.Probing Pad                                 
4.**切割   
六、 Probe Station 探针台/Probing Test 探针测试，探针台主要应用于半导体行业、光电行业。针对集成电路以及封装的测试。 广泛应用于复杂、高速器件的精密电气测量的研发，旨在确保质量及可靠性，并缩减研发时间和器件制造工艺的成本。
检测内容包含：
1.微小连接点信号引出  
2.失效分析失效确认
3.FIB电路修改后电学特性确认
4.晶圆可靠性验证
ESD/Latch-up静电放电/闩锁效用测试（有些客户是在芯片流入客户端之前就进行这两项可靠度测试，有些客户是失效发生后才想到要筛取良片送验）这些已经提到了多数常用手段。失效分析前还有一些必要的样品处理过程。
七、 取die,decap（开封，开帽）,研磨,去金球 De-gold bump,去层,染色等，有些也需要相应的仪器机台，SEM可以查看die表面，SAM以及X－Ray观察封装内部情况以及分层失效。Decap即开封，也称开盖，开帽，指给完整封装的IC做局部腐蚀，使得IC可以暴露出来，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，方便观察或做其他测试（如FIB，EMMI）， Decap后功能正常。
检测内容包含：
1.IC开封（正面/背面） QFP， QFN， SOT，TO， DIP，BGA，COB等
2.样品减薄（陶瓷，金属除外）
3.激光打标
八、Acid Decap，又叫化学开封，是用化学的方法，即浓硫酸及发烟硝酸将塑封料去除的设备。通过用酸腐蚀芯片表面覆盖的塑料能够暴露出任何一种塑料IC封装内的芯片。去除塑料的过程又快又安全，并且产生干净无腐蚀的芯片表面。
检测内容包含：
1.芯片开封（正面/背面）  
2.IC蚀刻，塑封体去除
九、RIE是干蚀刻的一种，这种蚀刻的原理是，当在平板电极之间施加10～100MHZ的高频电压（RF，radio frequency）时会产生数百微米厚的离子层（ion sheath），在其中放入试样，离子高速撞击试样而完成化学反应蚀刻，此即为RIE（Reactive Ion Etching）。
检测内容包含：
1.用于对使用氟基化学的材料进行各向同性和各向异性蚀刻，其中包括碳、环氧树脂、石墨、铟、钼、氮氧化物、光阻剂、聚酰亚胺、石英、硅、氧化物、氮化物、钽、氮化钽、氮化钛、钨钛以及钨                 
2.器件表面图形的刻蚀
十、研磨机，适用于高精微（光镜，SEM，TEM，AFM，ETC）样品的半自动准备加工研磨抛光，模块化制备研磨，平行抛光，精确角抛光，定址抛光或几种方式结合抛光。
检测内容包含：
1.断面精细研磨及抛光  
2.芯片工艺分析
3.失效点的查找         
十一、切割机，可以预置程序定位切割不同尺寸的各种材料，可以高速自动切割材料，提高样品生产量。其微处理系统可以根据材料的材质、厚度等调整步进电动机的切割距离、力度、样品输入比率和自动进刀比率。
检测内容包含：
1.通过样品冷埋注塑获得样品的标准切面  
2.小型样品的精密切割
                                           
十二、金相显微镜，可用来进行器件外观及失效部位的表面形状，尺寸，结构，缺陷等观察。金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机（数码相机）通过光电转换**的结合在一起，不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机（数码相机）显示屏幕上观察实时动态图像，电脑型金相显微镜并能将所需要的图片进行编辑、保存和打印。
检测内容包含：
1.样品外观、形貌检测  
2.制备样片的金相显微分析
3.各种缺陷的查找
十三、体视显微镜，亦称实体显微镜或解剖镜。是一种具有正像立体感的目视仪器，从不同角度观察物体，使双眼引起立体感觉的双目显微镜。对观察体*加工制作，直接放入镜头下配合照明即可观察，成像是直立的，便于操作和解剖。视场直径大，但观察物要求放大倍率在200倍以下。
检测内容包含：
1.样品外观、形貌检测  
2.制备样片的观察分析
3.封装开帽后的检查分析
4.晶体管点焊、检查
十四、IV自动曲线量测仪，验证及量测半导体电子组件的电性、参数及特性。比如电压-电流。集成电路失效分析流程中，I/V Curve的量测往往是非破坏分析的第二步（外观检查排在第一步），可见Curve量测的重要性。
检测内容包含：
1.Open/Short Test  
2.I/V Curve Analysis
3.Idd Measuring
4.Powered Leakage（漏电）Test
十五、高低温试验箱箱，适用于工业产品高温、低温的可靠性试验。对电子电工、汽车电子、航空航天、船舶兵器、高等院校、科研单位等相关产品的零部件及材料在高温、低温（交变）循环变化的情况下，检验其各项性能指标。
检测内容包含：
1.高温储存  
2.低温储存
3.温湿度储存
北软检测智能产品检测实验室，能够依据国际、国内和行业标准实施检测工作，开展从底层芯片到实际产品，从物理到逻辑全面的检测工作，提供芯片预处理、侧信道攻击、光攻击、侵入式攻击、环境、电压毛刺攻击、电磁注入、放射线注入、物理安全、逻辑安全、功能、兼容性和多点激光注入等安全检测服务，同时可开展模拟重现智能产品失效的现象，找出失效原因的失效分析检测服务，主要包括点针工作站（Probe Station）、反应离子刻蚀（RIE）、微漏电侦测系统（EMMI）、X-Ray检测，缺陷切割观察系统（FIB系统）等检测试验。实现对智能产品质量的评估及分析，为智能装备产品的芯片、嵌入式软件以及应用提供质量保证。

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