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失效分析（Failure Analysis）是對已失效的器件進行的一種事后檢查。根據(jù)需要，使用電測試以及顯微形貌分析、結構分析、物理性能探測、微成分分析等一系列分析手段，確定其失效模式，找出失效機理，定義其失效原因。本文主要介紹失效分析的一些概念及失效分析的部分分析手段。

失效分析是提高電子元器件可靠性的必要手段和途徑。電子元器件可靠性工作主要包括兩方面：一是評價可靠性水平，二是提高可靠性。可靠性工作不僅是為了評價可靠性水平，更重要的是設計和生產(chǎn)出高可靠性的產(chǎn)品。只有從失效分析入手，取得前期同類產(chǎn)品在生產(chǎn)、試驗以及使用中的失效信息，分析其失效模式及失效機理，聯(lián)系產(chǎn)品結構及工藝，揭露其失效的內在原因，才能生產(chǎn)出所需的高可靠性產(chǎn)品。

開展失效分析工作，不僅在提高產(chǎn)品可靠性方面有很好的效果，而且會產(chǎn)生很高的經(jīng)濟效益。失效分析雖不直接出產(chǎn)品，但提高了元器件的質量和可靠性，減少系統(tǒng)試驗和現(xiàn)場使用中的故障。圖表1給出在不同階段排除失效半導體器件的費用比較。因此如能盡早開展失效分析工作，盡早采取相應措施，就可顯著減少元器件現(xiàn)場失效的比例，大大降低維修費用，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

表1 排除失效半導體器件的費用比較

（價格：美元/只）

要開展電子元器件的失效分析工作，必須了解電子元器件的工作原理、材料性能、結構特性、制造工藝等方面。同時要了解電子元器件的應用電路，應用場所及環(huán)境。盡可能的了解元器件的運輸裝配過程等一切背景信息，確認電子元器件是否在運輸、裝配過程中帶來了新的損傷，這對于失效分析工作特別重要。

明確其失效模式，失效模式是指失效的外在直觀失效表現(xiàn)形式和過程規(guī)律，通常指測試觀察到的失效現(xiàn)象、失效形式，如開路、短路、參數(shù)漂移、功能失效等。要明確失效模式，首先要細心收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)。一般情況下失效分析委托方發(fā)現(xiàn)失效元器件，會對失效樣品進行初步電測判斷，再次會使用良品替換確認故障。如有可能要與發(fā)現(xiàn)失效的人員進行交流，詳細了解原始數(shù)據(jù)，這是開展失效分析工作關鍵一步。

確認其失效機理，失效機理是指失效的物理和化學變化的過程，微觀的過程可以追溯到原子、分子尺度和結構的變化，但與此相對應的是其遲早要表現(xiàn)出一系列宏觀（外在的）性能、性質的變化，如疲勞、過應力，腐蝕等等。失效機理的確認是對失效內在本質的研究，即對釀成失效的必然性和規(guī)律性的研究。例如在功率器件的EAS失效中，就可能存在著過電壓導致寄生三極管開啟，導致器件失效。也可能存在著電路板系統(tǒng)溫度過高，致使器件寄生三極管開啟電壓下降，隨即導致寄生三極管開啟，導致器件失效。

要能精確的分析到器件內在的失效機理，就必須有一定的技術手段和設備手段。掌握了必要的設備分析手段，才能為開展失效分析打下良好的基礎。一般失效分析的設備及其功能主要有如下幾類，詳見圖表2.

表2 失效分析常用的設備及功能

失效分析的原則是先進行非破壞性分析，后進行破壞性分析；先外部分析，后內部（解剖）分析；先調查了解與失效的有關情況（電路、應力環(huán)境條件、失效現(xiàn)象），后分析失效元器件。失效分析流程圖如下圖所示。

3.1樣品信息調查

失效樣品信息是方案設計、分析過程和機理診斷的重要依據(jù)，信息調查應包括但不局限以下幾點：（1）基本信息。樣品工作原理、樣品型號、批次等。（2）技術信息-特定的使用信息，如整機故障、異常環(huán)境、失效歷史及失效比例。技術信息-特定的樣品生產(chǎn)工藝，對于結構或參數(shù)有變動的器件，應先對良品測試或開帽了解其電性能或結構特征。

3.2失效分析方案的設計

制定失效分析方案是為了能快速準確的進行失效分析，得到正確的分析結論，避免分析過程的盲目性。在進行下一步分析，尤其是破壞性分析前，必須盡量保證已獲得的信息的準確性。當然方案可隨著分析開展隨時進行調整。

3.3外觀檢查

失效元器件的外觀檢查十分必要，一般在4-60倍的光學立體顯微鏡下進行觀察。外觀檢查中應關注這些現(xiàn)象，如灰塵、沾污、絕緣子裂紋、管殼或引腳變色、機械損傷、封裝裂紋等等。

3.4電性能測試

失效分析中電性能測試是確認失效模式是否與客戶提供的一致，當然電測試的結果不僅局限于發(fā)現(xiàn)樣品與客戶提供的失效模式一致，應使用更專業(yè)的半導體測試設備，深究器件失效后的電參數(shù)。電性能測試包括功能參數(shù)測試、直流（IV特性）測試。功能參數(shù)測試即是對照樣品規(guī)格書進行測試，如有良品對照，可取得事半功倍的效果。直流（IV特性）測試是最直接，最快速判斷樣品失效的手段，但應特別注意，測試量程的限制，避免對樣品造成二次損傷。

3.5應力實驗分析

元器件的失效通常與應力有關，這些應力包括電應力，如電壓、電流、電功率；溫度應力，如高溫、低溫、溫度變化等；機械應力，如振動、沖擊、跌落等；還有濕度、鹽霧、霉菌等。在失效分析中開展應力實驗主要用來激發(fā)失效，復現(xiàn)失效模式或觀察在應力條件下參數(shù)分布的變化趨勢，從而有助于分析失效機理，確認失效原因。例如高溫偏置試驗下，樣品漏電特性是否發(fā)生變化，有助于幫助識別是否存在離子沾污；振動試驗可以激發(fā)可能存在的接觸不良等。

3.6故障模擬分析

故障模擬分析的目的是使故障重現(xiàn)，適用于失效樣品發(fā)生參數(shù)恢復、漂移，或者失效模式為間歇性短路、開路的情況。分析項目包括模擬應用分析、全溫度參數(shù)測試，以及溫度、溫變、機械振動等試驗。

3.7失效分析定位

3.7.1非破壞性分析

非破壞性分析即通常所說的無損檢測，在不破壞樣品封裝的前提下查找樣品的失效點。通常包括：X-RAY透視檢查、掃描聲學顯微檢查、磁顯微缺陷定位技術、熱點定位分析等。

X-RAY透射檢查，可用于無損檢測電子元器件及多層印刷電路板的內部結構、內引線開路或短路、粘結缺陷、焊點缺陷、封裝裂紋、橋連、立碑及器件漏裝等缺陷。

芯派科技-X射線檢測設備

芯派科技-超聲波掃描顯微鏡

掃描聲學顯微檢查，可用于對電子元器件內部缺陷的檢查，如材料之間的分層，空洞等進行無損檢查。

磁顯微缺陷定位技術不受封裝材料和封裝形式的影響。電流圖像能同時從器件正面和背面穿過多層金屬、芯片或封裝材料后被獲取。因此利用磁顯微缺陷定位技術不需進行樣品的制備（如開封、去鈍化層等）。利用磁顯微缺陷定位技術可以實現(xiàn)對芯片級、互連極及封裝級的失效定位，可以定位電短路、漏電及高阻缺陷，如走線破裂、潤濕不好或C4焊接撞破、過孔分層、3D堆疊封裝的缺陷分析。

顯微紅外熱點探測。很多情況下器件會在加電的情況下出現(xiàn)異常熱點，通過顯微紅外熱點探測就可以進行損傷定位。目前最新的增強型帶鎖定功能的顯微紅外技術可以在不開封的情況下對芯片進行熱點探測。

3.7.2半破壞性分析

半破壞性分析即對樣品進行開封，但保留樣品內部所有狀態(tài)和信息（如不能破壞引線鍵合）的分析。具體包括開封、顯微形貌觀察、物理性能分析。

開封，及對樣品去除芯片表面包封，使芯片裸露出來，常用的開封方法包括：機械開封、化學開封、激光開封等。開封的原則是盡量不破壞樣品的失效信息。

顯微形貌觀察是對器件內部失效和缺陷定位的基本方法。除了光學顯微鏡，SEM觀察是最常用的方法。主要用二次電子和背散射電子來成像做形貌觀察。同時SEM配套的X射線能譜儀可利用樣品發(fā)出的X射線來對樣品微小區(qū)域的元素進行定量分析。

物理性能分析是指在施加偏置或應力的條件下，通過探測元器件內部電、光、熱、電磁場等物理性能進行探測的技術，是失效分析技術的重要手段。主要包括：電子束探測技術、顯微紅外熱點探測技術等。電子束探測技術是使用SEM發(fā)展的一種新的分析技術。采用電子束探針代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械探針，對半導體芯片進行非接觸式、非破壞性的探測，主要用于VLSI芯片的設計驗證和失效定位。

3.7.3破壞性分析

破壞性分析主要包括物理分析和微量成分分析。

物理分析主要包括：芯片剝層、機械剖面制樣和FIB制樣。芯片剝層主要使用化學腐蝕、等離子刻蝕和反應離子刻蝕等方法對芯片鈍化層、金屬層或介質層進行逐層去除，最終達到暴露失效點或缺陷點的目的。機械剖面是指對樣品進行機械研磨、拋光，獲得平整的樣品剖面，進行進一步分析。FIB制樣是指在微觀尺度上對半導體器件表面進行微米、納米尺度上的制樣技術。

微量成分分析是指對器件表面或內部的材料進行元素分析的手段。成分的異常如表面沾污、內部材料的相互滲透及摻雜缺陷都有可能是失效的主要原因。所以在失效分析中也經(jīng)常需要對微區(qū)的成分進行探測和分析。

3.8綜合分析確定失效原因

完成所有分析項目后，就需要對所采集的數(shù)據(jù)進行整合、推理和分析。綜合分析的內容一般包括：確認失效模式，包括功能參數(shù)和外觀形貌等；確定失效區(qū)域，包括有些需要深入到芯片級的微觀結構和區(qū)域；闡述失效機理，從電性能測試、應力實驗、故障模擬和失效定位分析的結果出發(fā)，對可能的失效機理進行分析；給出失效原因，機理明確后，結合樣品的背景信息，給出造成失效的可能原因。在可能的情況下，應給出此次失效是批次性的還是偶發(fā)性的，是元器件本身問題還是使用不當造成的，或者是兼而有之。

3.9結果驗證

失效分析的結果是否正確，只有在實際應用中才能得到驗證，應緊密聯(lián)系元器件生產(chǎn)單位、使用單位和失效分析單位，使失效分析、應用驗證形成閉環(huán)系統(tǒng)。不斷提高元器件及系統(tǒng)端的可靠性。