在芯片失效分析中，开路（Open Circuit）或高阻连接是最常见却最难定位的故障类型之一。这类问题往往表现为功能完全失效，但无烧毁痕迹、无漏电、无热斑，传统热成像（如OBIRCH）或光发射（EMMI）技术难以奏效。
此时，被动电压对比（Passive Voltage Contrast, PVC） 技术便成为失效分析工程师的“透视眼”。作为一种基于扫描电子显微镜（SEM）的无源、非破坏性检测方法，PVC无需外部供电，仅通过电子束与样品表面电势的相互作用，即可直观显示导电通路是否连续，精准锁定金属线断裂、通孔缺失或接触不良等缺陷。
本文将系统解析PVC的工作原理、适用场景、操作要点及其在FA流程中的关键价值。
一、PVC是什么？原理简明解析
PVC是扫描电子显微镜（SEM）中的一种电压衬度成像模式，属于“被动”检测——即样品不施加任何外部电源，仅依靠其内部残留电荷或浮空节点的电学状态成像。
🔬 基本原理：
- 当SEM的电子束扫描芯片表面时，会向样品注入负电荷；
- 导电良好的区域（如完整金属线）能迅速将电荷导走，表面电位稳定，呈现暗色（低二次电子产额）；
- 开路或高阻区域（如断线、未连接通孔）无法泄放电荷，表面电位负向漂移，导致二次电子发射增强，在图像中呈现亮白色；
- 由此形成鲜明的“明暗对比”，直接揭示电气连通性异常。
✅ 优势：
- 无需去层即可观察多层金属（若顶层透明或已部分去除）；
- 非破坏性，可重复扫描；
- 分辨率可达纳米级，适用于先进工艺节点。
二、PVC最适合哪些失效场景？
PVC对以下故障类型高度敏感：
| 失效类型 | 典型表现 | PVC响应特征 |
|---|---|---|
| 金属线断裂 | 功能开路，IV测试呈高阻 | 断点处明显亮斑，两端暗色 |
| 通孔（Via）缺失/空洞 | 层间连接失效 | Via位置异常发亮，周围金属正常 |
| 接触孔（Contact）未打开 | 晶体管栅/源/漏未连接 | 接触区域亮，有源区暗 |
| 焊盘/引线键合不良 | 封装级开路 | 键合点或焊盘局部发亮 |
⚠️ 注意：PVC不适用于短路或漏电类故障，此类问题需结合OBIRCH、TIVA或EMMI。
三、PVC测试的关键操作流程
要获得清晰、可靠的PVC图像，需严格遵循以下步骤：
| 步骤 | 操作要点 |
|---|---|
| 1. 样品准备 | 去除封装顶部（Decap），必要时进行化学或等离子去钝化层（如SiN/SiO₂），暴露金属层；避免过度腐蚀损伤线路 |
| 2. SEM参数设置 | – 加速电压：1–5 kV（低电压减少穿透，提升表面灵敏度） – 束流：适中（避免充电过强） – 探测器：使用Everhart-Thornley二次电子探测器 |
| 3. 扫描模式选择 | 启用“Voltage Contrast”或“Passive Mode”，关闭样品台偏压 |
| 4. 图像判读 | 亮区 = 浮空/高阻；暗区 = 接地/导通；需结合版图（GDS）确认物理位置 |
💡 技巧：对多层金属结构，可逐层去层后重复PVC扫描，实现Z轴精确定位。
四、PVC vs 其他定位技术：如何协同使用？
单一技术往往难以覆盖所有失效模式。PVC常与以下方法联用，构建完整FA路径：
| 技术 | 优势 | 与PVC的协同方式 |
|---|---|---|
| FIB（聚焦离子束） | 精准剖面、电路修补 | PVC定位疑似区域 → FIB截面验证 |
| OBIRCH | 定位短路/漏电热点 | 先用OBIRCH排除电性异常，再用PVC查开路 |
| X-ray / SAM | 无损检测封装内部 | 初筛焊接/空洞问题，再用PVC分析芯片级开路 |
| Nano-probing | 直接电性测量 | PVC定位后，用探针验证节点电位 |
🌟 典型工作流：
IV测试确认开路 → Decap去层 → PVC扫描锁定亮区 → FIB截面确认断线 → 根因分析（如刻蚀过量、CMP凹陷）。
五、PVC的局限性与应对策略
尽管强大，PVC也有其边界：
| 局限 | 应对方案 |
|---|---|
| 仅适用于导体层 | 对多晶硅、有源区等半导体区域效果弱，需结合其他手段 |
| 表面污染干扰信号 | 测试前用氧等离子或溶剂清洁表面 |
| 多层金属信号叠加 | 采用逐层去层+分层扫描策略 |
| 浮空节点误判 | 结合电路设计判断是否为正常浮空（如未使能模块） |
总结
被动电压对比（PVC）技术以其无源、高分辨、直观可视化的优势，已成为现代芯片失效分析中定位开路与高阻故障的“标准动作”。尤其在先进制程下，金属线宽仅几十纳米，传统电性探针难以介入，PVC的价值愈发凸显。
掌握PVC的原理与实操技巧，不仅能快速锁定断点，还能为工艺改进（如刻蚀、CMP、CVD）提供直接证据。在上海德垲检测的FA实践中，PVC常作为开路分析的第一道“筛子”，大幅压缩排查范围，提升整体效率。
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