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失效分析（Failure Analysis）是對已失效的器件進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jī)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(jià)可靠性水平，二是提高可靠性。可靠性工作不僅是為了評價(jià)可靠性水平，更重要的是設(shè)計(jì)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(yàn)以及使用中的失效信息，分析其失效模式及失效機(jī)理，聯(lián)系產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝，揭露其失效的內(nèi)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(huì)產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益。失效分析雖不直接出產(chǎn)品，但提高了元器件的質(zhì)量和可靠性，減少系統(tǒng)試驗(yàn)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(dǎo)體器件的費(fèi)用比較。因此如能盡早開展失效分析工作，盡早采取相應(yīng)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(fèi)用，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 排除失效半導(dǎo)體器件的費(fèi)用比較

（價(jià)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(jié)構(gòu)特性、制造工藝等方面。同時(shí)要了解電子元器件的應(yīng)用電路，應(yīng)用場所及環(huán)境。盡可能的了解元器件的運(yùn)輸裝配過程等一切背景信息，確認(rèn)電子元器件是否在運(yùn)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(xì)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(huì)對失效樣品進(jìn)行初步電測判斷，再次會(huì)使用良品替換確認(rèn)故障。如有可能要與發(fā)現(xiàn)失效的人員進(jìn)行交流，詳細(xì)了解原始數(shù)據(jù)，這是開展失效分析工作關(guān)鍵一步。

確認(rèn)其失效機(jī)理，失效機(jī)理是指失效的物理和化學(xué)變化的過程，微觀的過程可以追溯到原子、分子尺度和結(jié)構(gòu)的變化，但與此相對應(yīng)的是其遲早要表現(xiàn)出一系列宏觀（外在的）性能、性質(zhì)的變化，如疲勞、過應(yīng)力，腐蝕等等。失效機(jī)理的確認(rèn)是對失效內(nèi)在本質(zhì)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(dǎo)致寄生三極管開啟，導(dǎo)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(dǎo)致寄生三極管開啟，導(dǎo)致器件失效。

要能精確的分析到器件內(nèi)在的失效機(jī)理，就必須有一定的技術(shù)手段和設(shè)備手段。掌握了必要的設(shè)備分析手段，才能為開展失效分析打下良好的基礎(chǔ)。一般失效分析的設(shè)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(shè)備及功能

失效分析的原則是先進(jìn)行非破壞性分析，后進(jìn)行破壞性分析；先外部分析，后內(nèi)部（解剖）分析；先調(diào)查了解與失效的有關(guān)情況（電路、應(yīng)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(diào)查

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

3.2失效分析方案的設(shè)計(jì)

制定失效分析方案是為了能快速準(zhǔn)確的進(jìn)行失效分析，得到正確的分析結(jié)論，避免分析過程的盲目性。在進(jìn)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(zhǔn)確性。當(dāng)然方案可隨著分析開展隨時(shí)進(jìn)行調(diào)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(xué)立體顯微鏡下進(jìn)行觀察。外觀檢查中應(yīng)關(guān)注這些現(xiàn)象，如灰塵、沾污、絕緣子裂紋、管殼或引腳變色、機(jī)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(rèn)失效模式是否與客戶提供的一致，當(dāng)然電測試的結(jié)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(yīng)使用更專業(yè)的半導(dǎo)體測試設(shè)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(jìn)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(yīng)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(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析

元器件的失效通常與應(yīng)力有關(guān)，這些應(yīng)力包括電應(yīng)力，如電壓、電流、電功率；溫度應(yīng)力，如高溫、低溫、溫度變化等；機(jī)械應(yīng)力，如振動(dòng)、沖擊、跌落等；還有濕度、鹽霧、霉菌等。在失效分析中開展應(yīng)力實(shí)驗(yàn)主要用來激發(fā)失效，復(fù)現(xiàn)失效模式或觀察在應(yīng)力條件下參數(shù)分布的變化趨勢，從而有助于分析失效機(jī)理，確認(rèn)失效原因。例如高溫偏置試驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)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(fù)、漂移，或者失效模式為間歇性短路、開路的情況。分析項(xiàng)目包括模擬應(yīng)用分析、全溫度參數(shù)測試，以及溫度、溫變、機(jī)械振動(dòng)等試驗(yàn)。

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(diǎn)。通常包括：X-RAY透視檢查、掃描聲學(xué)顯微檢查、磁顯微缺陷定位技術(shù)、熱點(diǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)引線開路或短路、粘結(jié)缺陷、焊點(diǎn)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(shè)備

芯派科技-超聲波掃描顯微鏡

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

磁顯微缺陷定位技術(shù)不受封裝材料和封裝形式的影響。電流圖像能同時(shí)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(shù)不需進(jìn)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(shù)可以實(shí)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(diǎn)探測。很多情況下器件會(huì)在加電的情況下出現(xiàn)異常熱點(diǎn)，通過顯微紅外熱點(diǎn)探測就可以進(jìn)行損傷定位。目前最新的增強(qiáng)型帶鎖定功能的顯微紅外技術(shù)可以在不開封的情況下對芯片進(jìn)行熱點(diǎn)探測。

3.7.2半破壞性分析

半破壞性分析即對樣品進(jìn)行開封，但保留樣品內(nèi)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(jī)械開封、化學(xué)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(nèi)部失效和缺陷定位的基本方法。除了光學(xué)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(shí)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(jìn)行定量分析。

物理性能分析是指在施加偏置或應(yīng)力的條件下，通過探測元器件內(nèi)部電、光、熱、電磁場等物理性能進(jìn)行探測的技術(shù)，是失效分析技術(shù)的重要手段。主要包括：電子束探測技術(shù)、顯微紅外熱點(diǎn)探測技術(shù)等。電子束探測技術(shù)是使用SEM發(fā)展的一種新的分析技術(shù)。采用電子束探針代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械探針，對半導(dǎo)體芯片進(jìn)行非接觸式、非破壞性的探測，主要用于VLSI芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)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(jī)械剖面制樣和FIB制樣。芯片剝層主要使用化學(xué)腐蝕、等離子刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕等方法對芯片鈍化層、金屬層或介質(zhì)層進(jìn)行逐層去除，最終達(dá)到暴露失效點(diǎn)或缺陷點(diǎn)的目的。機(jī)械剖面是指對樣品進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光，獲得平整的樣品剖面，進(jìn)行進(jìn)一步分析。FIB制樣是指在微觀尺度上對半導(dǎo)體器件表面進(jìn)行微米、納米尺度上的制樣技術(shù)。

微量成分分析是指對器件表面或內(nèi)部的材料進(jìn)行元素分析的手段。成分的異常如表面沾污、內(nèi)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(jìn)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(xiàng)目后，就需要對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、推理和分析。綜合分析的內(nèi)容一般包括：確認(rèn)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(jié)構(gòu)和區(qū)域；闡述失效機(jī)理，從電性能測試、應(yīng)力實(shí)驗(yàn)、故障模擬和失效定位分析的結(jié)果出發(fā)，對可能的失效機(jī)理進(jìn)行分析；給出失效原因，機(jī)理明確后，結(jié)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(yīng)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(dāng)造成的，或者是兼而有之。

3.9結(jié)果驗(yàn)證

失效分析的結(jié)果是否正確，只有在實(shí)際應(yīng)用中才能得到驗(yàn)證，應(yīng)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(yīng)用驗(yàn)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。