电子五所 集成电路失效分析新技术
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２
损毁样品和丢失信息的风险。无损失效分析是失 效分析技术的发展方向之一。目前， 除电测失效 分析技术外， Ｘ 射线透视技术和反射式扫描声学显 微 技 术 （ Ｃ－ ＳＡＭ） 是 两 种 主 要 的 无 损 失 效 分 析 技 术。不过， Ｘ 射线透视技术对 ＭＯＳ 器件 有辐射损 伤， 所以无损不是绝对的。两种技术比较如表 １ 所示。
光 发 射 显 微 镜 （ ＥＭＭ） 是 一 种 光 学 显 微 镜 、 现代夜视技术和图像信息处理技术相结合的产物。 它能把通电芯片内的电子空穴对复合时所产生的 微光加以放大成像并与光学显微镜的反射像迭加 而实现失效定位。当 ＭＯＳ 器件发生介质击穿、热 载流子注入、ＰＮ 结反向漏电以及 ＣＭＯＳ 电路发生 闩锁效应时， 都能产生微光， 用光辐射显微镜就 可确定上述效应在 ＩＣ 上的发生位置， 如图 ５、６ 所 示 。 该 仪 器 的 空 间 分 辨 率 ＜１ μｍ， 检 测 灵 敏 度 ＜１ μＡ。使用该技术， 需要打开封 装， 并对芯 片加偏 置， 但不必去除钝化层， 不需真空条件。探头响 应波 长 范 围 是 ２５０￣１ ０５０ ｎｍ。 基 本 在 可 见 光 范 围
用电子束测试技术进行信号寻迹失效定位必 须多次选择探测点。一种叫 Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ 的软件能把 ＥＢＴ 与现代电子设计自动化 （ ＥＤＡ） 技术相结合， 可根据设计版图、网表和线路图在实际芯片的扫 描电镜图像上实时地确定电子束在芯片上的探测 点， 提取被测节点的逻辑波形信号， 进而迅速地 对电路的失效节点进行失效定位或设计验证， 如 图 ３、４ 所示。
收稿日期： ２００５－ ０５－ １８ 作者简介： 费庆宇 （ １９４４－ ） ， 男， 浙江海宁人， 信息产业部电子第五研究所研究分析中心高级工程师， 硕士， 分 别于 １９８９、
１９９２ 和 ２００１ 年赴联邦德国、加拿大和美国作访问学者， 主要从事半导体器件和集成电路的 失效机理和失效分析 技术研究， 曾主持过多次重要课题的研究， 其中 “ＶＬＳＩ 失效分析技术”课题荣获 ２００３ 年度国防科技二等奖。
由于 ＩＣ 的线宽向亚微米／深亚微米发展， 失效 分析技术必须要有足够高的空间分辨率， 对此， 电子束探针技术比机械探针技术有更明显的优势。
由于 ＩＣ 芯片向多层结构的方向发展， 对 ＩＣ 的 失效分析还必须解决多层结构下层的可观察性和 可探测性问题， 具有材料选择性和定向性的反应 离 子腐蚀 技 术 （ ＲＩＥ） 、 具 有 芯 片 局 部 钻 孔 和 电 路 修改能力的聚集离子束 （ ＦＩＢ） 技术等样品制备技 术在失效分析中有重要的用途。
Ｉｎｔｅｇｒ ａｔｅｄ ｃｉｒ ｃｕｉｔ ｆａｉｌｕｒ ｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＦＥＩ Ｑｉｎｇ－ ｙｕ１， ２ （１． ＣＥＰＲＥＩ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６１０， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６１０， Ｃｈｉｎａ）
摘 要： 通过实例综述了目前国内集成电路失效分析技术的现状和发展方向， 包括： 无损失效分析技术、信
号寻迹技术、二次效应技术、样品制备技术和背面失效定位技术， 为进一步开展这方面的工作提供参考。
关键词： 集成电路； 失效分析； 无损分析 中图分类号： ＴＮ ４３．０６ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２－ ５４６８ （ ２００５） ０４－ ０００１－ ０５
图 ４ 某 ＣＭＯＳ 电路发生闩锁效应的芯片局面 ＥＭＭ 像
ＥＢＴ 的 局 限 性 如 下 ： 波 形 测 量 结 果 受 芯 片 表 面电场分布的影响， 而影响该分布的因素较多， 因而电压测量精度较差， 主要用于对电压测量精 度要求不高的场合， 如数字电路。模拟电路的信 号寻迹失效定位可用机械探针， 它在电压和波形 的测量精度上优于电子束探针。
图 ３ 待机电流偏大的某音响电路芯片局部的 ＥＭＭ 像
图 ２ 失效塑封 ＩＣ 的 Ｃ－ ＳＡＭ 像
２．２ 信号寻迹失效定位技术
在通常情况下， 确定 ＩＣ 失效部位都采用 信号 寻迹法。在输入端用 ＩＣ 测试系统或电路板激励芯 片， 用机械探针探测芯片内部节点的电压和波形， 根据电压或波形正常与否不断改变探测点， 直至 找出引起故障的源头。目前 ＩＣ 线宽已减少到微米 和亚微米数量级， 由于空间分辨率的限制， 机械 探针难以对准被测节点。由于机械探针是一种接 触性的测试， 被测芯片必须去掉钝化层， 实验方 法复杂， 还会引起电容负载和波形形变并容易划 断金属化层。电子束测试系统 （ ＥＢＴ） 由扫描电镜 的发展而成， 实质是一个非接触的取样示波器。 电子束打在 ＩＣ 管芯内的被测节点上， 该节点发出 的二次电子的能量由被测节点的电位决定。通过 测量二次电子的能量， 可获得被测节点的电压和 波形。用电子束探针 （ ＥＢＴ） 代替机械探针， 具有 空间分辨率高、非接触、非破坏、无负荷、容易
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉｎｔｅｇａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ； ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
１ 引言
失效分析是确定一种产品失效原因的诊断过 程。失效分析技术已经广泛地应用于各种工业部 门。尤其在电子元器件行业中， 失效分析有着特 殊的重要性， 主要表现在对元器件生产、元器件 和整机设计几个方面： 它能为元器件生产厂提供 改进的建议， 有助于提高产品的合格率和可靠性； 它也能为设计部门提供设计验证和设计纠错的服
ＤＩＡＮＺＩ ＣＨＡＮＰ ＩＮ ＫＥＫＡＯＸＩＮＧ ＹＵ ＨＵＡＮＪ ＩＮＧ Ｓ ＨＩＹＡＮ
１
电子产品可靠性与环ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ试验
２００５年
２ 目前 国 内 ＩＣ 失 效 分 析 技 术 的 现 状 和发展方向
由于 ＩＣ 的高集成度， 每块芯片的元件数 高达 几十万到几千万， 找到失效部位并进行该部位的 失效机理分析是一项十分困难的任务， 必须发展 失效定位技术。失效定位技术包括电测技术、无 损失效分析技术、信号寻迹技术、二次效应技术 和样品制备技术。电测的主要目的是重现失效现 象， 确定器件的失效模式和大致的失效部位； 可 分为连接性测试、参数测试和功能测试； 所用的 仪器包括万用表、图示仪和 ＩＣ 自动测试系统。无 损失效分析技术主要用于封装缺陷和引线断裂的 失效定位， 采用的仪器包括 Ｘ 射线透视和扫描声 学显微镜， 具有不必打开封装的优点。信号寻迹 技术主要用于芯片级失效定位， 采用该技术必须 打开封装， 暴露芯片， 对芯片进行电激励， 使其 处于工作状态， 然后对芯片内部节点进行电压和 波形测试， 通过比较好坏芯片的电压或波形进行 失效定位， 也可对测试波形与正常样品的波形进 行比较； 主要采用机械探针和电子束探针 （ 电子 束测试系统） 。二次效应失效定位技术是对芯片上 短路或漏电部位引起的发热点或发光点进行检测， 并确定失效部位， 主要包括液晶热点检测和光发 射显微技术。
超声探头的主要技术指标是声波的频率。其 横向分辨率、穿透深度与声波频率有关。频率越 低， 横向分辨率越差， 但穿透深度越大。
用 Ｃ－ ＳＡＭ 来检测塑封 ＩＣ 的照片如图 ２ 所示。 由于再流焊引起的热效应， 渗入塑封材料内的水 汽发生膨胀， 塑料与管脚间出现明显的分层。
对准被测节点、失效分析速度加快的特点， 在钝 化层较薄的情况下可以不去掉钝化层。
图 １ 失效 ＦＰＧＡ 的 Ｘ 射线透视像
ＤＩＡＮＺＩ ＣＨＡＮＰ ＩＮ ＫＥＫＡＯＸＩＮＧ ＹＵ ＨＵＡＮＪ ＩＮＧ Ｓ ＨＩＹＡＮ
第４期
费庆宇： 集成电路失效分析新技术
超声换能器在样品上方以光栅的方式作机械扫描， 通过改变换能器的水平位置， 在平面上以机械扫 描的方式产生一幅超声图像。
在 Ｃ－ ＳＡＭ 的图像中， 与背景相比的衬度变化 构成了重要的信息， 在有空洞、裂缝、不良粘接 和分层剥离的位置产生高的衬度， 因而容易从背 景中区分出来。衬度的高度表现为回波脉冲的正 负极性， 其大小是由组成界面的两种材料的声学 阻抗系数决定， 回波的极性和强度构成一幅能反 映界面状态缺陷的超声图像。
表 １ Ｘ 射线透视技术和反射式扫描声学显微术的比较
名称
应用优势
主要原理
Ｘ射线透视技术 以 低 密 度 区 为 背 景 ， 透 视 Ｘ 光 被 样 品
观察材料的高密度 局部吸收后成像
区的密度异常点
的异常情况
反 射 式 扫 描 声 以高密度区为背景， 超 声 波 遇 空 隙 受
学显微术
观 察 材 料 内 部 空 隙 阻反射
２．３ 二次效应失效定位技术
如需对芯片上短路或漏电部位引起的发热点 或发光点进行检测并确定失效部位时， 可采用二 次效应失效定位技术， 主要包括液晶热点检测技 术和光发射显微技术。
ＤＩＡＮＺＩ ＣＨＡＮＰ ＩＮ ＫＥＫＡＯＸＩＮＧ ＹＵ ＨＵＡＮＪ ＩＮＧ Ｓ ＨＩＹＡＮ
３
电子产品可靠性与环境试验
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ＩＣ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｗａｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｗｉｔｈ
ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｃａｓｅｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｃｉｎｇ， ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｆｆｅｃｔ， ｓａｍｐｌｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂａｃｋ ｓｉｄｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ．
或低密度区
失效分析用 Ｘ 射线透视技术的原理与医用完全 相同。样品局部缺陷造成该处吸收系数异常， 引 起 Ｘ 射线透视像的局部衬度异常。此技术主要用 于电子元器件的内引线断裂、金属化层断裂的观 察。Ｘ 射线透视像的横向分辨率为 １０ μｍ， 这是由 Ｘ 射线的波长决定的。过电应力引起的 ＦＰＧＡ 电源 内引线烧断的 Ｘ 射线透视照片如图 １ 所示。
２００５年
液晶是一种既具有液体的流动性， 又具有晶 体各向异性的物质。当它受热而温度高过某一临 界 温度 ＴＣ （ 相 变 温 度 ） 时 ， 就 会 变 成 各 向 同 性 的 液体。利用液晶的这一特性， 在正交偏振光下， 可以通过观察液晶的相变点来检测芯片热点。实 验时， 把液晶涂在芯片的表面， 然后把芯片粘贴 在样品台上并加偏置。这时应控制样品台的温度， 使芯片的温度低于临界温度并接近临界温度 （ 只 要缺陷的温度稍微增加就会超过临界温度） 。液晶 热点检测技术是一种快速的分析方法， 它的空间 分辨率和热分辨率较高， 目前已分别达到 １ μｍ 和 ３ μＷ。
Ｃ－ ＳＡＭ 利用超声脉 冲探测样品 内部空隙等 缺 陷， 是无损检测技术中的一项重要的技术手段。 其工作原理是： 超声换能器发出一定频率 （ ５～２００ ＭＨｚ） 的超声波， 经过声学透镜聚焦， 由耦合介质 传到样品上。超声换能器由电子开关控制， 使其 在发射方式和接收方式之间交替变换。超声脉冲 透射进入样品内部并被样品内的某个界面反射形 成回波， 其往返的时间由界面到换能器的距离决 定， 由示波器显示的回波波形是样品不同界面的 反射时间－ 距离的关系。通过控制时间窗口的时 间， 采集某一特定界面的回波而排除其它回波，
失效样品含有重要的信息， 但数量极少。进 行样品加工时， 必须避免引进人为制造的失效， 避免失效信息的丢失。为达到此目的， 制备样品 时， 应研究样品制备时的检测和监控技术。
２．１ 无损失效分析技术
无损失效分析技术可定义为： 不必打开封装 就可对样品进行失效定位和失效分析的技术。由 于失效样品数量有限， 破坏性失效分析过程， 有
电子产品可靠性与环境试验 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＰＲＯＤＵＣＴ ＲＥＬＩＡＢＩＬＩＴＹ ＡＮＤ ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ ＴＥＳＴＩＮＧ
专家论坛
Ａ ｕｇ．２００５ Ｎ ｏ．４ ２００５年 ８ 月 第 ４ 期
集成电路失效分析新技术
费庆宇 １， ２
（ １． 信息产业部电子第五研究所， 广东 广州 ５１０６１０； ２． 电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室， 广东 广州 ５１０６１０）
务， 从而加快产品的研制速度； 它既能为整机厂提 供索赔或选择元器件供应商的依据， 也能在电路的 可靠性设计中， 提供如何正确使用元器件的依据， 从而提高整机的合格率和可靠性。
目前， 集成电路 （ ＩＣ） 正在向亚微米、深亚微 米、多层布线结构的方向发展， 以机械探针和光发 射显微为主的、传统的失效分析技术已不能满足需 要。
损毁样品和丢失信息的风险。无损失效分析是失 效分析技术的发展方向之一。目前， 除电测失效 分析技术外， Ｘ 射线透视技术和反射式扫描声学显 微 技 术 （ Ｃ－ ＳＡＭ） 是 两 种 主 要 的 无 损 失 效 分 析 技 术。不过， Ｘ 射线透视技术对 ＭＯＳ 器件 有辐射损 伤， 所以无损不是绝对的。两种技术比较如表 １ 所示。
光 发 射 显 微 镜 （ ＥＭＭ） 是 一 种 光 学 显 微 镜 、 现代夜视技术和图像信息处理技术相结合的产物。 它能把通电芯片内的电子空穴对复合时所产生的 微光加以放大成像并与光学显微镜的反射像迭加 而实现失效定位。当 ＭＯＳ 器件发生介质击穿、热 载流子注入、ＰＮ 结反向漏电以及 ＣＭＯＳ 电路发生 闩锁效应时， 都能产生微光， 用光辐射显微镜就 可确定上述效应在 ＩＣ 上的发生位置， 如图 ５、６ 所 示 。 该 仪 器 的 空 间 分 辨 率 ＜１ μｍ， 检 测 灵 敏 度 ＜１ μＡ。使用该技术， 需要打开封 装， 并对芯 片加偏 置， 但不必去除钝化层， 不需真空条件。探头响 应波 长 范 围 是 ２５０￣１ ０５０ ｎｍ。 基 本 在 可 见 光 范 围
用电子束测试技术进行信号寻迹失效定位必 须多次选择探测点。一种叫 Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ 的软件能把 ＥＢＴ 与现代电子设计自动化 （ ＥＤＡ） 技术相结合， 可根据设计版图、网表和线路图在实际芯片的扫 描电镜图像上实时地确定电子束在芯片上的探测 点， 提取被测节点的逻辑波形信号， 进而迅速地 对电路的失效节点进行失效定位或设计验证， 如 图 ３、４ 所示。
收稿日期： ２００５－ ０５－ １８ 作者简介： 费庆宇 （ １９４４－ ） ， 男， 浙江海宁人， 信息产业部电子第五研究所研究分析中心高级工程师， 硕士， 分 别于 １９８９、
１９９２ 和 ２００１ 年赴联邦德国、加拿大和美国作访问学者， 主要从事半导体器件和集成电路的 失效机理和失效分析 技术研究， 曾主持过多次重要课题的研究， 其中 “ＶＬＳＩ 失效分析技术”课题荣获 ２００３ 年度国防科技二等奖。
由于 ＩＣ 的线宽向亚微米／深亚微米发展， 失效 分析技术必须要有足够高的空间分辨率， 对此， 电子束探针技术比机械探针技术有更明显的优势。
由于 ＩＣ 芯片向多层结构的方向发展， 对 ＩＣ 的 失效分析还必须解决多层结构下层的可观察性和 可探测性问题， 具有材料选择性和定向性的反应 离 子腐蚀 技 术 （ ＲＩＥ） 、 具 有 芯 片 局 部 钻 孔 和 电 路 修改能力的聚集离子束 （ ＦＩＢ） 技术等样品制备技 术在失效分析中有重要的用途。
Ｉｎｔｅｇｒ ａｔｅｄ ｃｉｒ ｃｕｉｔ ｆａｉｌｕｒ ｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＦＥＩ Ｑｉｎｇ－ ｙｕ１， ２ （１． ＣＥＰＲＥＩ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６１０， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６１０， Ｃｈｉｎａ）
摘 要： 通过实例综述了目前国内集成电路失效分析技术的现状和发展方向， 包括： 无损失效分析技术、信
号寻迹技术、二次效应技术、样品制备技术和背面失效定位技术， 为进一步开展这方面的工作提供参考。
关键词： 集成电路； 失效分析； 无损分析 中图分类号： ＴＮ ４３．０６ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２－ ５４６８ （ ２００５） ０４－ ０００１－ ０５
图 ４ 某 ＣＭＯＳ 电路发生闩锁效应的芯片局面 ＥＭＭ 像
ＥＢＴ 的 局 限 性 如 下 ： 波 形 测 量 结 果 受 芯 片 表 面电场分布的影响， 而影响该分布的因素较多， 因而电压测量精度较差， 主要用于对电压测量精 度要求不高的场合， 如数字电路。模拟电路的信 号寻迹失效定位可用机械探针， 它在电压和波形 的测量精度上优于电子束探针。
图 ３ 待机电流偏大的某音响电路芯片局部的 ＥＭＭ 像
图 ２ 失效塑封 ＩＣ 的 Ｃ－ ＳＡＭ 像
２．２ 信号寻迹失效定位技术
在通常情况下， 确定 ＩＣ 失效部位都采用 信号 寻迹法。在输入端用 ＩＣ 测试系统或电路板激励芯 片， 用机械探针探测芯片内部节点的电压和波形， 根据电压或波形正常与否不断改变探测点， 直至 找出引起故障的源头。目前 ＩＣ 线宽已减少到微米 和亚微米数量级， 由于空间分辨率的限制， 机械 探针难以对准被测节点。由于机械探针是一种接 触性的测试， 被测芯片必须去掉钝化层， 实验方 法复杂， 还会引起电容负载和波形形变并容易划 断金属化层。电子束测试系统 （ ＥＢＴ） 由扫描电镜 的发展而成， 实质是一个非接触的取样示波器。 电子束打在 ＩＣ 管芯内的被测节点上， 该节点发出 的二次电子的能量由被测节点的电位决定。通过 测量二次电子的能量， 可获得被测节点的电压和 波形。用电子束探针 （ ＥＢＴ） 代替机械探针， 具有 空间分辨率高、非接触、非破坏、无负荷、容易
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉｎｔｅｇａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ； ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
１ 引言
失效分析是确定一种产品失效原因的诊断过 程。失效分析技术已经广泛地应用于各种工业部 门。尤其在电子元器件行业中， 失效分析有着特 殊的重要性， 主要表现在对元器件生产、元器件 和整机设计几个方面： 它能为元器件生产厂提供 改进的建议， 有助于提高产品的合格率和可靠性； 它也能为设计部门提供设计验证和设计纠错的服
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电子产品可靠性与环ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ试验
２００５年
２ 目前 国 内 ＩＣ 失 效 分 析 技 术 的 现 状 和发展方向
由于 ＩＣ 的高集成度， 每块芯片的元件数 高达 几十万到几千万， 找到失效部位并进行该部位的 失效机理分析是一项十分困难的任务， 必须发展 失效定位技术。失效定位技术包括电测技术、无 损失效分析技术、信号寻迹技术、二次效应技术 和样品制备技术。电测的主要目的是重现失效现 象， 确定器件的失效模式和大致的失效部位； 可 分为连接性测试、参数测试和功能测试； 所用的 仪器包括万用表、图示仪和 ＩＣ 自动测试系统。无 损失效分析技术主要用于封装缺陷和引线断裂的 失效定位， 采用的仪器包括 Ｘ 射线透视和扫描声 学显微镜， 具有不必打开封装的优点。信号寻迹 技术主要用于芯片级失效定位， 采用该技术必须 打开封装， 暴露芯片， 对芯片进行电激励， 使其 处于工作状态， 然后对芯片内部节点进行电压和 波形测试， 通过比较好坏芯片的电压或波形进行 失效定位， 也可对测试波形与正常样品的波形进 行比较； 主要采用机械探针和电子束探针 （ 电子 束测试系统） 。二次效应失效定位技术是对芯片上 短路或漏电部位引起的发热点或发光点进行检测， 并确定失效部位， 主要包括液晶热点检测和光发 射显微技术。
超声探头的主要技术指标是声波的频率。其 横向分辨率、穿透深度与声波频率有关。频率越 低， 横向分辨率越差， 但穿透深度越大。
用 Ｃ－ ＳＡＭ 来检测塑封 ＩＣ 的照片如图 ２ 所示。 由于再流焊引起的热效应， 渗入塑封材料内的水 汽发生膨胀， 塑料与管脚间出现明显的分层。
对准被测节点、失效分析速度加快的特点， 在钝 化层较薄的情况下可以不去掉钝化层。
图 １ 失效 ＦＰＧＡ 的 Ｘ 射线透视像
ＤＩＡＮＺＩ ＣＨＡＮＰ ＩＮ ＫＥＫＡＯＸＩＮＧ ＹＵ ＨＵＡＮＪ ＩＮＧ Ｓ ＨＩＹＡＮ
第４期
费庆宇： 集成电路失效分析新技术
超声换能器在样品上方以光栅的方式作机械扫描， 通过改变换能器的水平位置， 在平面上以机械扫 描的方式产生一幅超声图像。
在 Ｃ－ ＳＡＭ 的图像中， 与背景相比的衬度变化 构成了重要的信息， 在有空洞、裂缝、不良粘接 和分层剥离的位置产生高的衬度， 因而容易从背 景中区分出来。衬度的高度表现为回波脉冲的正 负极性， 其大小是由组成界面的两种材料的声学 阻抗系数决定， 回波的极性和强度构成一幅能反 映界面状态缺陷的超声图像。
表 １ Ｘ 射线透视技术和反射式扫描声学显微术的比较
名称
应用优势
主要原理
Ｘ射线透视技术 以 低 密 度 区 为 背 景 ， 透 视 Ｘ 光 被 样 品
观察材料的高密度 局部吸收后成像
区的密度异常点
的异常情况
反 射 式 扫 描 声 以高密度区为背景， 超 声 波 遇 空 隙 受
学显微术
观 察 材 料 内 部 空 隙 阻反射
２．３ 二次效应失效定位技术
如需对芯片上短路或漏电部位引起的发热点 或发光点进行检测并确定失效部位时， 可采用二 次效应失效定位技术， 主要包括液晶热点检测技 术和光发射显微技术。
ＤＩＡＮＺＩ ＣＨＡＮＰ ＩＮ ＫＥＫＡＯＸＩＮＧ ＹＵ ＨＵＡＮＪ ＩＮＧ Ｓ ＨＩＹＡＮ
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ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｃａｓｅｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｃｉｎｇ， ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｆｆｅｃｔ， ｓａｍｐｌｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂａｃｋ ｓｉｄｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ．
或低密度区
失效分析用 Ｘ 射线透视技术的原理与医用完全 相同。样品局部缺陷造成该处吸收系数异常， 引 起 Ｘ 射线透视像的局部衬度异常。此技术主要用 于电子元器件的内引线断裂、金属化层断裂的观 察。Ｘ 射线透视像的横向分辨率为 １０ μｍ， 这是由 Ｘ 射线的波长决定的。过电应力引起的 ＦＰＧＡ 电源 内引线烧断的 Ｘ 射线透视照片如图 １ 所示。
２００５年
液晶是一种既具有液体的流动性， 又具有晶 体各向异性的物质。当它受热而温度高过某一临 界 温度 ＴＣ （ 相 变 温 度 ） 时 ， 就 会 变 成 各 向 同 性 的 液体。利用液晶的这一特性， 在正交偏振光下， 可以通过观察液晶的相变点来检测芯片热点。实 验时， 把液晶涂在芯片的表面， 然后把芯片粘贴 在样品台上并加偏置。这时应控制样品台的温度， 使芯片的温度低于临界温度并接近临界温度 （ 只 要缺陷的温度稍微增加就会超过临界温度） 。液晶 热点检测技术是一种快速的分析方法， 它的空间 分辨率和热分辨率较高， 目前已分别达到 １ μｍ 和 ３ μＷ。
Ｃ－ ＳＡＭ 利用超声脉 冲探测样品 内部空隙等 缺 陷， 是无损检测技术中的一项重要的技术手段。 其工作原理是： 超声换能器发出一定频率 （ ５～２００ ＭＨｚ） 的超声波， 经过声学透镜聚焦， 由耦合介质 传到样品上。超声换能器由电子开关控制， 使其 在发射方式和接收方式之间交替变换。超声脉冲 透射进入样品内部并被样品内的某个界面反射形 成回波， 其往返的时间由界面到换能器的距离决 定， 由示波器显示的回波波形是样品不同界面的 反射时间－ 距离的关系。通过控制时间窗口的时 间， 采集某一特定界面的回波而排除其它回波，
失效样品含有重要的信息， 但数量极少。进 行样品加工时， 必须避免引进人为制造的失效， 避免失效信息的丢失。为达到此目的， 制备样品 时， 应研究样品制备时的检测和监控技术。
２．１ 无损失效分析技术
无损失效分析技术可定义为： 不必打开封装 就可对样品进行失效定位和失效分析的技术。由 于失效样品数量有限， 破坏性失效分析过程， 有
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Ａ ｕｇ．２００５ Ｎ ｏ．４ ２００５年 ８ 月 第 ４ 期
集成电路失效分析新技术
费庆宇 １， ２
（ １． 信息产业部电子第五研究所， 广东 广州 ５１０６１０； ２． 电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室， 广东 广州 ５１０６１０）
务， 从而加快产品的研制速度； 它既能为整机厂提 供索赔或选择元器件供应商的依据， 也能在电路的 可靠性设计中， 提供如何正确使用元器件的依据， 从而提高整机的合格率和可靠性。
目前， 集成电路 （ ＩＣ） 正在向亚微米、深亚微 米、多层布线结构的方向发展， 以机械探针和光发 射显微为主的、传统的失效分析技术已不能满足需 要。