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芯片失效分析常用设备与方法

 楼主| 半导体学者 发表于 2021-6-23 22:46  
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前言:
随着社会不断进步,电子支付在我们的生活中越来越广泛,电子支付在给我们带来便利的同时,也面临着随之而来的风险。安防领域的安全提升离不开芯片技术的发展,为能让更多人了解芯片失效分析,本文主要介绍芯片失效分析相关的设备及方法。
一、为什么要进行芯片测试?
芯片测试是一个比较大的问题,直接贯穿整个芯片设计与量产的过程中。 首先芯片fail可以是下面几个方面:功能fail,某个功能点点没有实现,这往往是设计上导致的,通常是在设计阶段前仿真来对功能进行验证来保证,所以通常设计一块芯片,仿真验证会占用大约80%的时间。 性能fail,某个性能指标要求没有过关,比如2G的cpu只能跑到1.5G,数模转换器在要求的转换速度和带宽的条件下有效位数enob要达到12位,却只有10位,以及lna的noise figure指标不达标等等。这种问题通常是由两方面的问题导致的,一个是前期在设计系统时就没做足余量,一个就是物理实现版图太烂。这类问题通常是用后仿真来进行验证的。生产导致的fail。这个问题出现的原因就要提到单晶硅的生产了。学过半导体物理的都知道单晶硅是规整的面心立方结构,它有好几个晶向,通常我们生长单晶是是按照111晶向进行提拉生长。但是由于各种外界因素,比如温度,提拉速度,以及量子力学的各种随机性,导致生长过程中会出现错位,这个就称为缺陷。缺陷产生还有一个原因就是离子注入导致的,即使退火也未能校正过来的非规整结构。这些存在于半导体中的问题,会导致器件的失效,进而影响整个芯片。所以为了在生产后能够揪出失效或者半失效的芯片,就会在设计时加入专门的测试电路,比如模拟里面的testmux,数字里面的scan chain(测逻辑),mbist(测存储),boundry scan(测io及binding),来保证交付到客户手上的都是ok的芯片。而那些失效或半失效的产品要么废弃,要么进行阉割后以低端产品卖出。 这些芯片fail要被检测出来,就必须要进行芯片测试了。
二、芯片测试在什么环节进行?
现在芯片面积越来越大,测试相当具有挑战性。所以如何测试其实是一门很深的学问。由于信号过多,不可能把每个信号都引出来测试,所以肯定在设计的时候就要做可测性实际,就是DFT。 DFT简而言之,DFT就是通过某种方法间接观察内部信号的情况,例如scan chain之类。然后通过特定的测试仪器来测试这种仪器不是简单的示波器,它要能产生各种测试波形并检测输出,所以一套平台大概要上百万。而且这些DFT比较适合于小芯片,大芯片像CPU之类的还会使用内建自测试(built-in self test),让芯片自己在上电后可以执行测试,这样就大大减小了测试人员的工作量。 DFT测试通过之后,就到正式的芯片测试环节了。 一般是从测试的对象上分为WAT、CP、FT三个阶段,简单的说, 因为封装也是有cost的, 为了尽可能的节约成本, 可能会在芯片封装前, 先进行一部分的测试, 以排除掉一些坏掉的芯片. 而为了保证出厂的芯片都是没问题的, final test也即FT测试是最后的一道拦截, 也是必须的环节. WAT: Wafer Acceptance Test,是晶圆出厂前对testkey的测试。采用标准制程制作的晶圆,在芯片之间的划片道上会放上预先一些特殊的用于专门测试的图形叫testkey。这跟芯片本身的功能是没有关系的,它的作用是Fab检测其工艺上有无波动。因为代工厂只负责他自己的工作是无误的,芯片本身性能如何那是设计公司的事儿。只要晶圆的WAT测试是满足规格的,晶圆厂基本上就没有责任。如果有失效,那就是制造过程出现了问题。

芯片失效分析常用设备与方法
 楼主| 半导体学者 发表于 2021-6-23 22:47   显示全部楼层
三、失效分析基本概念
1.进行失效分析往往需要进行电测量并采用先进的物理、冶金及化学的分析手段。
2.失效分析的目的是确定失效模式和失效机理,提出纠正措施,防止这种失效模式和失效机理的重复出现。
3.失效模式是指观察到的失效现象、失效形式,如开路、短路、参数漂移、功能失效等。
4.失效机理是指失效的物理化学过程,如疲劳、腐蚀和过应力等。
四、芯片失效分析常用的设备
1.OM 显微镜观测,外观分析
2.C-SAM(超声波扫描显微镜)
(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。
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)
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)
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。
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)
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
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。
9. FIB做一些电路修改,切点观察
10. Probe Station 探针台/Probing Test 探针测试。
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