FA是什么？
芯片失效分析（Failure Analysis, FA）是一项系统性的技术活动。其核心目标是找出导致芯片功能异常、性能下降或完全失效的物理位置和根本原因（Root Cause）。它如同芯片界的“侦探工作”，对于提升产品良率、改进设计、优化工艺、确保可靠性至关重要。
FA分析流程
失效分析遵循一套逻辑严谨的技术路线图，通常包括以下步骤：
- 信息收集： 了解失效背景，包括芯片型号、应用环境、失效现象、相关测试数据（如ATE报告）等。
- 无损分析： 在不破坏样品的前提下进行外部检查。常用手段有：外观检查（Optical Inspection）、X射线透视（X-Ray）、声学扫描显微镜（CSAM）等，用于发现封装缺陷、内部结构异常。
- 电学测试： 验证失效现象，进行功能测试、参数测试（如曲线追踪 Curve Trace, LVP/IVC），获取失效的电气特征。
- 失效定位： 这是FA的关键环节，目的是精确定位芯片内部发生异常的物理位置。常用技术包括：
- 光/热发射显微镜（EMMI, OBIRCH, TIVA/LIVA, Lock-in Thermography）
- 微探针测试（Micro-probing）
- 液晶热点侦测（Liquid Crystal Analysis）
- 物理分析： 对定位到的失效区域进行物理层面的剖析。常用方法有：
- 开封（Decapsulation）
- 逐层剥离（Delayering，湿法/干法刻蚀，机械抛光）
- 聚焦离子束（FIB）制备截面或定点去除材料
- 扫描电子显微镜（SEM）观察形貌
- 透射电子显微镜（TEM）观察微观结构
- 能谱分析（EDX/EDS）确定元素成分
- 原因判定： 综合所有分析结果，确定导致失效的根本原因（如设计缺陷、工艺偏差、材料问题、静电损伤EOS/ESD等），并出具详细报告。
常见失效模式
FA旨在找出各种类型的失效模式，常见的包括：
- 工艺缺陷： 如颗粒污染、光刻对准不良、薄膜厚度不均、空洞、裂纹等。
- 设计相关： 版图布局问题、时序问题、电路设计裕量不足等。
- 电性损伤： 过电应力（EOS）、静电放电（ESD）造成的物理损伤。
- 封装问题： 芯片与封装之间的分层、引线键合断裂或短路、封装开裂等。
- 材料问题： 金属间化合物异常生长、腐蚀、介质击穿等。
FA分析工具
失效分析依赖一系列高精尖的仪器设备：
- 无损阶段： 光学显微镜、X光机、超声波扫描显微镜（CSAM）。
- 电学阶段： 半导体参数分析仪、ATE测试系统、探针台。
- 定位阶段： EMMI/OBIRCH系统、热成像仪、激光电压探测系统。
- 物理阶段： 开封设备、等离子刻蚀机(RIE/ICP)、化学机械抛光(CMP)、FIB、SEM、TEM、EDX/EDS分析仪。
案例分享简述
案例： 某芯片在高温下功能间歇性失效。 分析路线：
- 电测： 在ATE上复现高温失效现象。
- 定位： 使用OBIRCH在高温下扫描，发现芯片某个逻辑门区域有异常发热点。
- 物分： 利用FIB在该热点位置精确制作截面，通过SEM观察发现一条金属互连线存在微小裂纹（Crack）。
结论： 该裂纹在高温下电阻增大，导致信号传输延迟，引发功能失效。根本原因为金属沉积工艺的某个参数漂移。
总结
芯片失效分析是一个多学科交叉、技术密集型的领域。其技术路线图为解决复杂的芯片问题提供了系统化的方法论。准确高效的FA不仅能挽救当前批次的产品，更能为后续的产品设计、工艺改进提供宝贵的反馈信息，是推动半导体技术不断进步的重要支撑。
