芯片(IC)知识与芯片失效分析技术

芯片失效分析主讲人：胡敏
目录
一、相关概念
二、IC工艺
三、IC结构
四、失效分析原则
五、失效分析方法
六、失效分析注意事项
七、案例总结
失效：产品失去规定的功能。

失效模式：失效的表现形式。

可靠性：指在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。

分固有可靠性和使用可靠性，固有可靠性指通过设计和制造形成的内在可靠性，使用可靠性指在使用过程中发挥出来的可靠性。

它受环境条件，使用操作，维修等因素的影响，使用可靠性总小于固有可靠性。

失效机理：导致器件失效的物理，化学变化过程。

失效原因：导致发生失效的原因，包括设计，制造，使用和管理等方面问题。

失效分析目的：通过失效分析验证器件是否失效，识别失效模式，确定失效机理和失效原因，根据失效分析结论提出相应对策，包括器件生产工艺，设计，材料，使用和管理等方面的改进，消除失效分析报告中所涉及到的失效模式或机理，防止类似失效的再次发生。

¾晶圆的形成
晶种插入硅熔体中晶种旋转拉升
得到晶棒切割成晶圆
¾成型后晶圆结构
保护层（钝化层）
电极层（金）
多晶硅
栅氧化层
掺杂硅
氧化层
硅衬底
磨片—划片—装片—球焊—包封—后固化—电镀—打印冲切成型—测试—包装
磨片—将芯片的反面（非布线的一面）根据工艺标准要求磨去一层，使芯片的厚度达到要求。

划片—用划片刀（或其它手段如激光）在圆片上的划片槽中割划，使整个大圆片分割成很多细小的晶片（单个芯片），以利装片。

装片—将已划好片的大圆片上的单个芯片用吸嘴取下后装在引线框的基岛上。

此时芯片背面上须用粘接剂粘在基岛上。

球焊—用金丝（在一定的温度，超声，压力下）将芯片上某一点（压焊区）与引线框适当位置（第二点）相连。

包封—用树脂体将装在引线框上的芯片封起来，对芯片起保护作用和支撑作用。

后固化—使包封后的树脂体进一步固化。

电镀—在引线条上所有部位镀上一层锡，保证产品管脚的易焊性。

打印—在树脂体上打上标记，说明产品的型号和其它相关信息。

冲切成形—将整条产品切割成形为单只产品。

测试—筛选功能。

三、IC结构介绍
键合丝
导电胶
晶圆
基岛
管脚
树脂封装
铝线
氧化硅
金球
金丝
未腐球压区
四、失效分析原则
1.先无损，后有损。

2.先电测试，外观检，后开盖。

3.开盖后要先无损（不引入新破坏），后破坏。

X-RAY检查
X-RAY射线是一种波长很短的电磁辐射，一般电子能量发生很大变化时放出的短波辐射，能透过许多普通光不能透过的固态物质。

利用可靠性分析室里的X-RAY分析仪，可检查产品的金丝情况和树脂体内气孔情况，以及芯片下面导电胶内的气泡，导电胶的分布范围情况。

超声清洗
清洗用来分析电性能有异常的，失效可能与外壳或芯片表面污染有关的器件。

此时应确认封装无泄漏，目的是清除外壳上的污染物。

清洗前应去除表面上任何杂物，再重测电参数，如仍失效再进行清洗，清洗后现测电参数，对比清洗前后的电参数变化。

清洗剂应选用不损坏外壳的，通常使用丙酮，乙醇，甲苯，清洗后再使用纯水清洗，最后用丙酮，无水乙醇等脱水，再烘干。

清洗要确保不会带来由于清洗剂而引起的失效。

开盖
高分子的树脂体在热的浓硝酸（98%）或浓硫酸作用下，被腐去变成易溶于丙酮的低分子化合物，在超声作用下，低分子化合物被清洗掉，从而露出芯片表层。

开盖方法一：
使用不锈钢板，上铺一层薄薄的黄沙加热，砂温达100-1５0度，将产品放在砂子上，芯片正面方向向上，用吸管吸取少量的发烟硝酸（浓度>98%）。

滴在产品表面，树脂表面起化学反应，且冒出气泡，反应稍止再滴，连滴5-10滴后，用镊子夹住，放入盛有丙酮的烧杯中，在超声机中清洗2-5分钟后，取出再滴，直到露出芯片为止，最后必须以干净的丙酮反复清洗确保芯片表面无残留物。

开盖方法二：
将所有产品一次性放入98%的浓硫酸中煮沸。

这种方法对于量多且只要看芯片是否破裂的情况较合适。

缺点是操作较危险。

要掌握要领。

内部目检：
产品放在金相显微镜下或立体显微下仔细观察晶圆表面是否有裂缝，断铝，擦伤，烧伤，沾污等异常。

对于晶圆裂缝要从反面开盖以观察芯片反面有否装片时顶针顶坏点，因为正面开盖取下芯片时易使芯片破裂。

反面的导电胶可用硝酸慢慢腐，再用较软的细铜丝轻轻刮去。

五、失效分析方法
腐球分析：
将已开盖的产品放在加热到沸腾的10%—20%的KOH（或NaOH）溶液中或加热到沸腾的王水（即3：1的浓盐酸和浓硝酸混合溶液）中。

浸泡约3到5分钟（个别产品浸泡时间要求较长，达10分钟以上）。

在100到200倍显微镜下用细针头轻轻将金丝从芯片上移开，如发现金球仍牢牢地粘在芯片上，则说明还需再腐球，不要硬拉金丝，以免造成人为的凹坑，造成误判。

外部目检：是否有树脂体裂缝，管脚间杂物致短路，管脚是否被拉出树脂体，管脚根部是否露铜，管脚和树脂体是否被沾污，管脚是否弯曲变形等不良。

X-RAY：是否有球脱、点脱、整体冲歪，金丝乱，断、局部冲歪、塌丝、金丝相碰、焊脚偏移、胶体空洞、焊料空洞，焊料覆盖面积，管脚间是否有杂物导致管脚短路等异常。

超声检测：是否有芯片表面、焊线第二点、胶体与引线框之间等的内部离层。

开帽后的内部目检：键合线过长而下塌引起短路、键合线颈部损伤或引线断裂、芯片裂缝、光刻缺陷、电迁移、台阶断铝，、氧化层/钝化层缺陷出现在金属化条下面或有源区内、钝化层裂纹或划伤。

腐球分析：检查球焊时采用的工艺是否对压焊区造成不良影响如弹坑即压区破裂。

开帽后的内部目检：键合线过长而下塌引起短路、键合线颈部损伤或引线断裂、芯片裂缝、光刻缺陷、电迁移、台阶断铝，、氧化层/钝化层缺陷出现在金属化条下面或有源区内、钝化层裂纹或划伤。

腐球分析：检查球焊时采用的工艺是否对压焊区造成不良影响如弹坑即压区破裂。

镜检能发现的问题：
1.寻找多余物和外来沾污物如残留金丝，芯片边缘碎裂留
下的硅碴，焊料碴，残存光刻胶，灰尘。

2.判断金属化层表面有无钝化层。

如果方形键合电极周围
有方框则说明表面有钝化层，与键合点下的电极相比有明显的色差。

同时有钝化层时的芯片各扩散区之间的颜色不如无钝化层时鲜艳，如果钝化层呈现浅黄色，说明钝化层是聚酰亚胺有机涂层。

镜检能发现的问题：
3.根据颜色寻找工艺缺陷。

芯片表面的二氧化硅钝化层不
同的厚度有不同的干涉颜色，如灰0.01微米，黄褐色
0.03微米，茶色0.05微米,蓝0.08微米，紫色0.1微米,绿色
0.18微米,黄色0.21微米,橙色0.22微米,红色0.25微米(指一
次干涉颜色)，故根据芯片表面的颜色可判断不同扩散区，或根据芯片表面上反常的颜色斑点来判断钝化层和光刻/扩散缺陷。

镜检能发现的问题：
4.根据几何形状判断判断线路设计结构缺陷，金属化伤痕
和裂断，金属化烧毁，键合点形状和位置，键合线与芯片的夹角，MOS管的沟道露出，接触孔的覆盖情况，芯片缺口或裂缝接近有源区。

镜检能发现的失效模式：
1.电损伤痕迹和静电击穿点。

2.键合线或金属化焊接区的开路及短路。

3.金属电迁移和金属化缺损或剥皮。

4.氧化层污染，变色，缺陷，裂缝。

5.芯片表面或芯片衬底的裂缝。

6.管脚腐蚀或镀层脱落。

7.经过介质层或氧化层的短路。

七、案例总结
引起漏电和短路失效的主要原因：
1.颗粒引发短路、介质击穿、PN结微等离子击穿、Si －Al
互溶
七、案例总结
EOS：
电源开关瞬间、交流电源的电压波动或接地不良等情况下，器件受到瞬间高电压或大电流冲击，此时瞬时功率远远超过器件的额定功率，此类损伤属于过电应力损伤。

EOS损伤现象：
器件发生误动作、器件pn结或介质层漏电、甚至金属化互连线或内引线发热烧毁和开路等。

七、案例总结
ESD：
由于摩擦和感应作用，人和物体可能带有高压静电，带电体接触MOS 器件、CMOS电路和双极器件、会引起介质层、pn结的潜在或明显的损伤。

EOS和ESD的失效分析方法
1.比较失效器件和正常器件不同管脚对地端和对电源端的I-V特性
2.打开封装对芯片进行镜检，寻找内引线、金属化互连线的熔断点、pn
结缺陷、金属热电迁移的痕迹。

3.对正常样品进行过电应力和静电放电损伤的模拟试验，比较实效器件
和模拟器件的电测结果和显微图象。