失效分析赵工半导体工程师 2024年07月28日 07:12 北京

芯片失效分析是指对电子设备中的故障芯片进行检测、诊断和修复的过程。芯片作为电子设备的核心部件，其性能和可靠性直接影响整个设备的性能和稳定性。

随着半导体技术的迅速发展，芯片在各个领域广泛应用，如通信、计算机、汽车电子和航空航天等。

因此，对芯片故障原因进行准确分析变得非常重要，它不仅可以提高产品质量，为芯片设计和制造提供有价值的反馈，而且对于保证设备的正常运行具有重要意义。

一、芯片失效分析的重要性不可忽视

芯片失效分析对于保证产品可靠性、优化生产流程、降低维修成本以及预防未来类似问题具有重要意义。

通过对芯片失效分析，工程师们可以了解芯片失效的条件、失效机理是什么，以及如何改进设计和制造工艺以避免类似问题。

二、芯片失效的常见原因

芯片失效的常见原因有很多。

其中包括长时间工作引起的过热、电源电压不稳定、电路设计问题、材料老化、环境因素、人为操作错误等。

这些因素可能导致芯片功能异常、电路中断、短路、损坏等问题，进而导致芯片失效。

导电层损坏、电路连接问题、温度过高、静电放电、设计或制造缺陷等。

1.制造过程中可能出现工艺缺陷，如金属层腐蚀或晶体管偏置错位等问题，这些缺陷会导致芯片使用时出现故障。
2.高温问题：芯片在运行过程中会产生热量，如果温度超过芯片能够耐受的高温度，会导致芯片失效。
3.电压过高或过低是导致芯片失效的常见原因之一。无论是过高还是过低的电压都会对芯片的正常工作造成不利影响。
4.弯曲或振动风险：芯片可能会受到外部力量的弯曲或振动，这可能导致芯片内部的连接变松或断裂，从而引发故障。
5.静电放电是导致芯片失效的重要原因之一。当人体静电通过芯片的引线时，可能会对芯片内部的结构或元器件造成损坏。
6.机械损伤是指物理行为对芯片造成的损害，例如摔碎、弯曲等情况。特别是对于没有外壳保护的裸片芯片，更容易因机械损伤而失效。
7.腐蚀是指在特定环境下，例如受到污染或遭受化学腐蚀的介质影响下，芯片的材料可能会发生锈蚀或腐蚀现象，进而导致芯片发生氧化失去电力。
8.质量控制问题：芯片质量问题可能会导致芯片快速损坏。
9.环境的变化可以导致芯片失效，这些变化包括温度、湿度、电磁场等因素。
10.基础材料的缺陷可能会影响芯片性能，导致芯片寿命延长。
三、芯片失效分析的方法

芯片失效分析的方法是用于确定芯片故障原因的一种技术。在芯片失效分析过程中，通常会采取以下几种方法：

外观检查：对芯片各个部分的外观进行检查，寻找可能的损坏或异常现象。例如，检查芯片是否有物理损坏、接插件是否松动等。
电气测试：通过对芯片进行电气特性测试，如电压、电流、频率等参数的测量，以确定是否存在电路异常。可以采用数字万用表、示波器等工具进行测试。
热分析：通过对芯片进行热分析，检测芯片的温度分布和热效应，以发现可能存在的热问题。可以使用红外热像仪等设备进行热测量。
X射线检测：利用X射线技术对芯片进行检测，以查找可能存在的内部缺陷或结构问题。可以通过X射线显像仪进行检测。
比较分析：将失效芯片与正常工作的芯片进行比较分析，找出失效芯片与正常芯片之间的差异，并据此推断故障原因。

通过以上分析方法，可以辅助工程师定位芯片故障原因，并采取相应的修复或更换措施。

四、在进行芯片失效分析时，通常会使用以下的方法：

01

SAT检测分析（超声波扫描显微镜）的检查内容包括：

1.1、材料内部的晶体结构、杂质粒子、杂质物、沉淀物。
1.2、裂纹在物体内部
1.3、缺陷的分层级别
1.4、孔洞、泡沫、间隙等

02

X-Ray检测分析(X光检测)的检查内容:

2.1、观测DIP、SOP、QFP、QFN、BGAFlipchip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
2.2、观测器件内部芯片大小、数量、叠die、绑线情况
2.3、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

03

离子束显微镜

离子束显微镜是一种利用离子束与样品相互作用进行观察和分析的仪器。通过此技术，可以探测样品的形态、表面结构和成分等信息。

FIB检测分析是指在离子束显微镜上进行的分析和检测工作。

其检查内容主要包括对样品的形貌、表面结构、元素分布和化学成分等方面的分析和检测。通过FIB检测分析，可以获得关于样品的详细信息，进而帮助人们了解样品的性质和特点。

3.1、芯片电路修改和布局验证
3.2、Cross-Section截面分析
3.3、Probing Pad
3.4、定点切割

04

SEM/EDX检测分析的内容包括形貌观测和成分分析

4.1、进行材料表面形貌分析，观察材料微区的形貌。
4.2、分析材料的形状、尺寸、表面特征、截面形态以及颗粒大小的分布情况。
4.3、对薄膜样品进行表面形貌观察，并分析薄膜的粗糙度和厚度。
4.4、纳米尺度的计量和标记
4.5、微区成分的定性和定量分析

05

Laser Decap的检测分析主要涉及以下内容：开封检查、开盖检查和开帽检

5.1、可使用IC开封方式包括正面和背面的QFP、QFN、SOT、TO、DIP、BGA和COB等封装。
5.2、样品削薄（不包括陶瓷和金属）
5.3、使用激光进行标记

06

检查内容包括切割制样的制备、检测和分析过程

6.1、通过采用样品冷埋注塑的方式，可以获得样品的标准切面。
6.2、切割小尺寸样品

07

通过金相显微镜进行OM检测分析时，主要检查以下内容

7.1、检测样品的外观和形态
7.2、进行样品的金相显微分析制备
7.3、寻找各种缺陷

五、针对不同的芯片类型可能会有各种不同的失效原因，下面列举了一些常用的芯片故障排查技巧：

1、检查芯片表面：首先应该观察芯片表面是否有明显的损坏或烧焦痕迹。如果有，很可能是由于芯片发生了短路或过压等问题。
2、我们可以通过使用万用表等工具来测量芯片的电压和电流，以确定芯片是否正常工作。如果发现电压或电流异常，很有可能是芯片内部元器件损坏或者连接不良导致的。
3、检查连接线路：连接线路对芯片的正常工作至关重要，因此需要检查是否有损坏或连接不良的情况。如果发现连接不良，可以重新焊接或更换连接线路。
4、程序调试是一种解决芯片程序问题的方法，可以通过使用仿真工具和逐步调试的方式逐步定位问题。
5、如果以上的解决办法都没有解决问题，那么可能是芯片本身出现了故障。此时需要将芯片更换掉，并重新进行测试。
六、对于芯片失效分析，存在着一些挑战与展望

首先，芯片失效分析的一个挑战是不同类型芯片失效的多样性。芯片失效可以由电路设计错误、材料缺陷、工艺问题等多种因素引起。因此，需要采用多种技术和方法来分析不同类型的芯片失效。

其次，芯片失效分析的另一个挑战是故障定位的复杂性。芯片中的故障可能分布在非常微小的区域，因此需要高精度的仪器和设备来进行定位。此外，芯片失效分析需要对芯片进行非常精细的解剖和测试，这对实验设备和技术要求都很高。

另外，芯片失效分析也面临着一些展望。随着科技的发展，新的分析技术和方法不断涌现，例如扫描电镜、离子束刻蚀和红外热成像等。这些新技术的应用可以提高芯片失效分析的效率和精度，从而更好地解决芯片失效问题。

此外，芯片失效分析与人工智能的结合也是一个展望。利用深度学习等人工智能技术，可以对大量的芯片失效数据进行分析和处理，快速发现故障模式和解决方案，提高失效分析的自动化和智能化水平。

总之，芯片失效分析在面对挑战的同时也面临着一些展望。通过不断探索和应用新的技术和方法，相信可以更好地解决芯片失效问题，提高芯片的可靠性和性能。

尽管芯片失效分析技术已经有了明显的进展，但仍然面临着一些挑战，比如分析过程的复杂性和高精度设备的成本等问题。

未来，随着新技术的发展和应用，比如人工智能和机器学习等，芯片失效分析将变得更加准确和高效。同时，随着芯片制造技术的不断改进，芯片的可靠性和稳定性也会进一步提高。

总的来说，进行芯片失效分析对于确保产品质量、优化生产流程并预防未来问题具有重要意义。

随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来的芯片失效分析将更加准确、高效，并为半导体产业的持续发展提供有力的支持。

来源：半导体封装工程师之家

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