怎样进行芯片失效分析？

芯片失效分析常用方式FIB X光probe；RIE；EMMI；decap；IV by0M(h
1.OM 显微镜观测，外观分析 8yn}|Y9Fu
2.C-SAM（超声波扫描显微镜） jsnk*>j
（1）材料内部的晶格结构，杂质颗粒，夹杂物，沉淀物， ekhx?rz
（2） 内部裂纹。 （3）分层缺陷。（4）空洞，气泡，空隙等。 0|@*`-:VO
3. X－Ray 检测IC封装中的各种缺陷如层剥离、爆裂、空洞以及打线的完整性，PCB制程中可能存在的缺陷如对齐不良或桥接，开路、短路或不正常连接的缺陷，封装中的锡球完整性。（这几种是芯片发生失效后首先使用的非破坏性分析手段） K,L
4.SEM扫描电镜/EDX能量弥散X光仪（材料结构分析/缺陷观察，元素组成常规微区分析，精确测量元器件尺寸） N?krlR
5.取die，开封 使用激光开封机和自动酸开封机将被检样品(不适用于陶瓷和金属封装)的封装外壳部分去除，使被检样品内部结构暴露。 x9VR>ux&
6. EMMI微光显微镜/OBIRCH镭射光束诱发阻抗值变化测试/LC 液晶热点侦测（这三者属于常用漏电流路径分析手段，寻找发热点，LC要借助探针台，示波器）  a 9
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7.切割制样:使用切割制样模块将小样品进行固定，以方便后续实验进行6$*Z
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8.去层:使用等离子刻蚀机(RIE)去除芯片内部的钝化层，使被检样品下层金属暴露，如需去除金属层观察下层结构，可利用研磨机进行研磨去层。uj9IK
9. FIB做一些电路修改，切点观察 q3-V_~5^/z
10. Probe Station 探针台/Probing Test 探针测试。 eNw9"X}g
11. ESD/Latch-up静电放电/闩锁效用测试（有些客户是在芯片流入客户端之前就进行这两项可靠度测试，有些客户是失效发生后才想到要筛取良片送验）这些已经提到了多数常用手段。 r__Y{&IO
除了常用手段之外还有其他一些失效分析手段，原子力显微镜AFM ，二次离子质谱 SIMS，飞行时间质谱TOF － SIMS ，透射电镜TEM ， 场发射电镜，场发射扫描俄歇探针， X 光电子能谱XPS ，L-I-V测试系统，能量损失 X 光微区分析系统等很多手段，不过这些项目不是很常用。

问：帮我看下TO-220，CTCT500后 IDSS BVDSS失效，分析有一颗芯片表面有类似烧伤，其余未见异常，这种封装上还有什么可能会造成呢？ 

答：以下供你参考，可以ZD考虑粘片工艺控制过程造成异常。（塑封料与引线框架分层，形成水汽进入通路。此模式短期内可使器件的漏电增大，长时间可以引起电极电化学腐蚀。） 

TO220封装的芯片背面电极与引线框架的物理连接及电连接是通过粘片工艺实现的。粘片工艺实现情况的好坏直接影响到器件的参数与可靠性，特别是对于功率器件的影响更加明显。对于TO-220、TO-263封装的功率型器件而言，现在一般采用融点焊锡丝，焊锡拍扁成型，芯片放置，焊锡冷却成型等几个步骤来实现粘片工艺。 

我们发现器件生产中或者器件可靠性的多种失效模式都产生于粘片工艺。我们认为以下缺陷与粘片工艺有关： 

a、焊料缩锡， 

b、焊料空洞率高， 

c、焊料热疲劳能力差， 

d、芯片背裂。  

塑封料与引线框架、芯片分层，以及在各种应力条件下分层情况加重是塑封器件的Z重要的失效模式之一。塑封分层可引起器件的多种失效，一般有以下几种： 

a、塑封料与引线框架分层，形成水汽进入通路。此模式短期内可使器件的漏电增大，长时间可以引起电极电化学腐蚀。 

b、塑封料与碳化硅二芯片表面分层，可以使键合点与芯片金属层分离，或者接触不良，引起器件失效。 

c、在塑封料与引线框架分层的条件下，某些外力作用于器件，可以使芯片分层（芯片底部的衬底开裂）或者使焊料分层，使器件的正向电压异常升高。 

器件受到以下几种应力时，分层情况可能加剧： 

a、器件安装时受到的机械或者热应力。 

b、器件受到一定物理冲击。例如跌落或者其他对背面散热片的物理冲击。在大量的产品生产过程中遇到过多次此种现象。此种可能容易被忽略。 

c、温度冲击，主要指一些使用环境温度的急速变化。芯片、焊料、键合丝、塑封料、引线框架等的材质不同，其线膨胀系数不同，在温度变化时各部分间都会产生应力使分层现象加剧。

X-RAY检查: 
X-RAY射线又称伦琴射线，一种波长很短的电磁辐射，由德国物理学家伦琴在1895年发现。一般指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。 
X-RAY检查原则 
 
不良情况     原因或责任者  
球脱      组装  
点脱      如大量点脱是同一只脚，则为组装不良。如点脱金丝形状较规则，则为组装或包封之前L/F变形，运转过程中震动，上料框架牵拉过大，L/F打在予热台上动作大，两道工序都要检查。如点脱金丝弧度和旁边的金丝弧度差不多，则为组装造成。  
整体冲歪，乱，断     为包封不良，原因为吹模不尽，料饼沾有生粉，予热不当或不均匀，工艺参数不当，洗模异常从而导致模塑料在型腔中流动异常。  
个别金丝断     组装擦断或产品使用时金丝熔断。  
只有局部冲歪     多数为包封定位时动作过大，牵拉上料框架时造成，也有部份为内部气泡造成。  
金丝相碰     弧度正常，小于正常冲歪率时，为装片或焊点位置欠妥  
内焊脚偏移     多数为组装碰到内引脚。  
塌丝     多数为排片时碰到。  
导电胶分布情况     应比芯片面积稍大，且呈基本对称情形。 
 
超声清洗: 
 
清洗仅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，Z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。 
超声检测分析 
 
SAT—即超声波形显示检查。 
超声波，指频率超过20KHZ的声波（人耳听不见，频率低于２０HZ的声波称为次声波），它的典型特征：碰到气体反射，在不同物质分界面产生反射,和光一样直线传播。 
SAT就是利用这些超声波特征来对产品内部进行检测，以确定产品密封性是否符合要求，产品是否有内部离层。 
超声判别原则 
 
芯片表面不可有离层 
镀银脚精压区域不可有离层 
内引脚部分离层相连的面积不可超过胶体正面面积的20%或引脚通过离层相连的脚数不可超过引脚总数的1/5　 
芯片四周导电胶造成的离层在做可靠性试验通过或做Bscan时未超出芯片高度的2/3应认为正常。 
判断超声图片时要以波形为准，要注意对颜色黑白异常区域的波形检查  
 
超声检查时应注意  
 
对焦一定要对好，可反复调整，直到扫描出来的图像很“干脆”，不出现那种零零碎碎的红点。 
注意增益，扫描出来的图像不能太亮，也不能太暗。 
注意产品不能放反，产品表面不能有任何如印记之类造成的坑坑洼洼，或其它杂质，气泡。 
探头有高频和低频之分，针对不同产品选用不同的探头（由分析室工作人员调整）。通常树脂体厚的产品，采用低频探头，否则采用高频探头。因频率高穿透能力差。 
 
开帽 
 
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。 
开帽方法： 
取一块不锈钢板，上铺一层薄薄的黄沙（也可不加沙产品直接在钢板上加热），放在电炉上加热，砂温要达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，这时树脂表面起化学反应，且冒出气泡，待反应稍止再滴，这样连滴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，如此反复，直到露出芯片为止，Z后必须以干净的丙酮反复清洗确保芯片表面无残留物。 
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。 
 
开帽注意点： 
所有一切操作均应在通风柜中进行，且要戴好防酸手套。 
产品开帽越到Z后越要少滴酸，勤清洗，以避免过腐蚀。 
清洗过程中注意镊子勿碰到金丝和芯片表面，以免擦伤芯片和金丝。 
根据产品或分析要求有的开帽后要露出芯片下面的导电胶.,或者第二点. 
另外，有的情况下要将已开帽产品按排重测。此时应首先放在80倍显微镜下观察芯片上金丝是否断，塌丝，如无则用刀片刮去管脚上黑膜后送测。 
注意控制开帽温度不要太高。 
附:分析中常用酸： 
 
1，浓硫酸。这里指98%的浓硫酸,它有强烈的脱水性,吸水性和氧化性。开帽时用来一次性煮大量的产品，这里利用了它的脱水性和强氧化性。 
2，浓盐酸。指37%（V/V）的盐酸，有强烈的挥发性，氧化性。分析中用来去除芯片上的铝层。 
3，发烟硝酸，指浓度为98%（V/V）的硝酸。用来开帽。有强烈的挥发性，氧化性，因溶有NO2而呈红褐色。 
4，王水，指一体积浓硝酸和三体积浓盐酸的混合物。分析中用来腐金球，因它腐蚀性很强可腐蚀金。  
 
内部目检: 
 
视产品不同分别放在200倍或500倍金相显微镜下或立体显微下仔细观察芯片表面是否有裂缝，断铝，擦伤，烧伤，沾污等异常。对于芯片裂缝要从反面开帽以观察芯片反面有否装片时顶针顶坏点，因为正面开帽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。 
 
腐球分析 
 
将已开帽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（注意勿碰到芯片），如发现金球仍牢牢地粘在芯片上，则说明还需再腐球，千万不要硬拉金丝，以免造成人为的凹坑，造成误判。 
 
分析过程中要检查的内容 
 
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。4．1，用30-50倍立体显微镜检查：键合线过长而下塌碰坏芯片；键合线尾部过长而引起短路；键合线颈部损伤或引线断裂；键合点或键合线被腐蚀；键合点尽寸或位置不当；芯片粘接材料用量不当或裂缝；芯片抬起，芯片取向不当，芯片裂缝；多余的键合线头或外来颗粒等。4.2，金属化，薄膜电阻器缺陷在50-200倍显微镜下检查，主要有腐蚀，烧毁，严重的机械损伤；光刻缺陷，电迁移现象，金属化层过薄，台阶断铝，表面粗糙发黑，外来物沾污等。4.3 金属化覆盖接触孔不全，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。  主要目的是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。此时对其它部位可检查可忽略。 

芯片失效分析方法有哪些？

　　1 、C-SAM（超声波扫描显微镜)，无损检查:１.材料内部的晶格结构，杂质颗粒．夹杂物．沉淀物．2. 内部裂纹. 3.分层缺陷.4.空洞,气泡,空隙等. 德国

　　2 、X－Ray（这两者是芯片发生失效后首先使用的非破坏性分析手段），德国Fein

　　微焦点Xray用途：半导体BGA，线路板等内部位移的分析 ；利于判别空焊，虚焊等BGA焊接缺陷.　参数：标准检测分辨率＜500纳米 ；几何放大倍数: 2000 倍 Z大放大倍数: 10000倍 ；　辐射小: 每小时低于1 μSv ；电压: 160 KV, 开放式射线管设计

　　防碰撞设计；BGA和SMT（QFP）自动分析软件，空隙计算软件，通用缺陷自动识别软件和视频记录。这些特点非常适合进行各种二维检测和三维微焦点计算机断层扫描(μCT)应用。

　　Fein微焦点X射线（德国）

　　Y.COUGAR F/A系列可选配样品旋转360度和倾斜60度装置。

　　Y.COUGAR SMT 系列配置140度倾斜轴样品，选配360度旋转台

　　3 、SEM扫描电镜/EDX能量弥散X光仪（材料结构分析/缺陷观察，元素组成常规微区分析，精确测量元器件尺寸）, 日本电子

　　4 、EMMI微光显微镜/OBIRCH镭射光束诱发阻抗值变化测试/LC 液晶热点侦测(这三者属于常用漏电流路径分析手段,寻找发热点，LC要借助探针台，示波器）

　　5 、FIB 线路修改，切线连线，切点观测，TEM制样，精密厚度测量等

　　6 、Probe Station 探针台/Probing Test 探针测试，ESD/Latch-up静电放电/闩锁效用测试（有些客户是在芯片流入客户端之前就进行这两项可靠度测试，有些客户是失效发生后才想到要筛取良片送验）这些已经提到了多数常用手段。失效分析前还有一些必要的样品处理过程。

    7 、取die,decap（开封，开帽）,研磨,去金球 De-gold bump,去层,染色等，有些也需要相应的仪器机台，SEM可以查看die表面，SAM以及X－Ray观察封装内部情况以及分层失效。

　　除了常用手段之外还有其他一些失效分析手段，原子力显微镜AFM ,二次离子质谱 SIMS,飞行时间质谱TOF － SIMS ,透射电镜TEM , 场发射电镜,场发射扫描俄歇探针, X 光电子能谱XPS ,L-I-V测试系统，能量损失 X 光微区分析系统等很多手段，不过这些项目不是很常用。

芯片失效分析步骤:

    1、非破坏性分析：主要是超声波扫描显微镜（C-SAM）--看有没delamination，xray--看内部结构，等等；

    2 、电测：主要工具，万用表，示波器，sony tek370a，现在好象是370b了；

    3 、破坏性分析：机械decap，化學 decap芯片開封機

　　半導體器件芯片失效分析 芯片內部分層，孔洞氣泡失效分析

　　C-SAM的叫法很多有，掃描聲波顯微鏡或聲掃描顯微鏡或掃描聲學顯微鏡或超聲波掃描顯微鏡(Scanning acoustic microscope）總概c-sam(sat)测试。

　　微焦点Xray用途：半导体BGA，线路板等内部位移的分析 ；利于判别空焊，虚焊等BGA焊接缺陷. 　参数：标准检测分辨率＜500纳米 ；几何放大倍数: 2000 倍 Z大放大倍数: 10000倍 ；　辐射小: 每小时低于1 μSv ；电压: 160 KV, 开放式射线管设计防碰撞设计；BGA和SMT（QFP）自动分析软件，空隙计算软件，通用缺陷自动识别软件和视频记录。这些特点非常适合进行各种二维检测和三维微焦点计算机断层扫描(μCT)应用。　　

芯片开封机DECAP主要用于芯片开封验证SAM，XRAY的结果。

        化验金属锭块、钢铁样品、有色金属样品时一般采用钻、刨、割、切削、击碎等方法，按照锭块或制件的采样规定采取试样。如无明确规定，则从锭块或制件的纵横各部位采取。

一般分为炉前样和成品样：        

1、 炉前样   可用一把烘热的铁铲快速地横向掠过从样勺中正倒下的熔融的细金属流，形成薄片试样，取其中部试样，用剪样机切碎供分析用。也可通过成块钻样分析。

 2、 成品样     可用台钻或手电钻在样品的中间部分取三点钻取相同深度的孔，线材类体积较小的样品可垂直于纵轴钻至ZX，钻孔数视分析用量而定。也可用车刨法加工制备。对于较硬的样品可选合金钻头进行制备。              

  注：样品制备现场的工具设备和盛样器具应保持清洁而无油污，以保持试样纯净。钢铁试样有缩孔及气泡应及时更换样品，重新制取。(这种样品成分往往会严重偏析)制取有色类金属转速不能台快，以防止金属材料表面氧化。

                     南京诺金高速分析仪器厂

                            2020年2月25日