引言

在半導體產業(yè)中，芯片失效分析是一項至關重要的工作。當芯片發(fā)生功能失效或可靠性問題時，失效分析工程師需要通過一系列技術手段，定位失效位置、查明失效機理，最終為設計改進和工藝優(yōu)化提供依據。本文將系統(tǒng)介紹芯片失效分析的基本流程，并介紹分析過程使用的國際主流設備。

一、芯片失效分析的基本流程

芯片失效分析通常遵循從非破壞性分析到破壞性分析、從宏觀定位到微觀觀察的邏輯順序，一般包括以下主要步驟：1. 失效確認：首先需要通過電性測試復現(xiàn)失效現(xiàn)象，確認失效模式，排除誤判可能。這一步驟通常使用半導體參數(shù)分析儀或自動測試設備（ATE）完成。2. 非破壞性分析：在保持樣品完整的前提下，利用各種無損檢測技術獲取芯片內部結構信息。超聲波掃描顯微鏡和X射線檢測系統(tǒng)是這一階段的核心設備。3. 定位分析：通過熱探測顯微鏡等設備，精確定位芯片上的發(fā)熱點或異常區(qū)域，縮小分析范圍。4. 樣品制備：為后續(xù)微觀觀察做準備，包括激光開封、化學開封、等離子開封去除塑封料，以及切割、研磨拋光、離子研磨等截面制備工藝。5. 微觀分析與觀察：利用掃描電子顯微鏡和聚焦離子束等高分辨率設備，對失效位置進行形貌觀察和成分分析，最終確定失效機理。

二、非破壞性分析設備

1.無目鏡顯微鏡

無目鏡顯微鏡為工程師提供了舒適、高效的立體觀察體驗。英國VISION Engineering公司是該領域的領先者，其LYNX EVO、和Mantis系列產品廣泛應用于電子行業(yè)的檢測和返工任務。傳統(tǒng)雙目顯微鏡需要使用者將眼睛精確對準目鏡，任何輕微移動都會導致圖像丟失。而擴瞳技術將出射光路擴展到比傳統(tǒng)顯微鏡寬10倍的程度，使用者無需精確對準，只需坐在設備前方，圖像即可直接映入眼中。這種技術消除了雙目顯微鏡常見的眼睛疲勞、頸部勞損等問題，環(huán)境光線可以進入眼睛，減少瞳孔收縮

核心優(yōu)勢：

• 人機工效學設計：顯著減少長時間工作帶來的眼睛疲勞、肩頸肌肉痙攣，提高準確率和生產效率。LYNX系列的無目鏡技術使成像視距與觀察實物距離完全相同，避免了使用者眼睛重新對焦的必要。

• 完美的眼手協(xié)調：無目鏡設計使手與眼睛之間的工作距離與沒有放大時一樣，操作更加自然流暢，特別適合精密的返工和操作任務。

• 模塊化設計：支持多種配件組合，包括360度旋轉觀察器（允許偏離垂直方向34度觀測）、固定角度觀測器、圖像采集系統(tǒng)等。

• 靈活的光學配置：可通過更換物鏡和倍增器實現(xiàn)不同放大倍率和視野的組合，滿足多樣化的觀察需求。

• 長壽命LED照明： LED照明裝置提供真彩色、無陰影的觀察條件。

2.超聲波掃描顯微鏡（SAT）

超聲波掃描顯微鏡是檢測芯片內部分層、空洞、裂紋等缺陷的首選設備。SONIX作為全球超聲波檢測設備的領先制造商，其ECHO-VS系列專為高精度復雜元器件設計，廣泛應用于倒裝芯片、堆疊芯片、鍵合晶圓等先進封裝的分析。該設備掃描分辨率小于1微米，能夠探測到薄至0.1微米的分層缺陷。設備通過壓電陶瓷換能器將電信號轉換為高頻超聲波，超聲波穿透樣品后在不同材料的界面上發(fā)生反射。由于超聲波在空氣或真空氣隙處的反射系數(shù)與在致密材料中完全不同，因此能夠清晰識別內部的分層、空洞等缺陷。接收到的反射信號經軟件處理后形成圖像。

核心優(yōu)勢：

• TAMI斷層顯微成像技術：無需精確選擇波形，可任意設定掃描深度及等分厚度，一次掃描獲得多達200張斷層圖像，極大提升分析效率。

• FSF表面跟蹤功能：即使樣品表面不平整，也能自動跟蹤平面，獲取同一層面的清晰圖像。

• 波形模擬器與波束仿真：針對復雜 molding 結構優(yōu)化圖像質量，特別適用于MUF（模塑底部填充）封裝的分析。

• PETT技術：可同時進行反射法和透射法掃描，提高檢測效率。

• 自動檢測：Sonix WINIC軟件分析可自動計算出氣泡所占的面積比例。

3. X射線檢測系統(tǒng)（X-Ray）

X射線檢測系統(tǒng)能夠穿透芯片封裝，觀察內部布線結構、焊接質量和缺陷。Comet Yxlon工業(yè)X射線系統(tǒng)覆蓋20kV至600kV能量范圍，適用于從半導體微納器件到大型發(fā)動機部件的檢測。其微焦點和納焦點技術可實現(xiàn)亞微米級分辨率。

核心優(yōu)勢：

• 微焦點與納焦點技術：針對半導體器件可實現(xiàn)高分辨率成像，清晰顯示微米級的鍵合線和焊點缺陷。

• Geminy軟件平臺：通過自動化向導和預設參數(shù)簡化檢測流程，內置濾波器減少偽影，確保圖像質量。

• 計算機層析成像功能：對于無法旋轉的平面組件（如芯片），層析成像技術可快速獲得多層結構信息。

• 準直器技術：減少散射輻射干擾，提高圖像對比度和清晰度。

三、熱點定位設備

1.制冷型熱探測顯微鏡（LIT）

當芯片存在漏電或短路時，失效點往往伴隨局部發(fā)熱現(xiàn)象，熱探測顯微鏡通過高靈敏度溫度成像實現(xiàn)失效定位。設備通過探測芯片工作時的紅外輻射分布，生成溫度分布圖。MicroScan技術通過快速旋轉的掃描輪，每轉一圈獲取四個相互偏移半像素的單次曝光，實時合成為四倍圖像格式的熱像圖。 ImageIR系列高端熱像儀采用制冷型FPA光子探測器，配備MicroScan技術可將圖像格式提升至（2560×2048）紅外像素，實現(xiàn)520萬像素的熱成像分辨率。所有高于絕對零度的物體都會發(fā)射紅外輻射。

核心優(yōu)勢：

• 超高幾何分辨率：MicroScan技術使每個像素都代表真實的溫度測量值，而非插值計算點，極大提升細節(jié)分辨能力。

• 高速成像：可對動態(tài)過程或溫度變化中的樣品進行熱分析。

• 低噪聲表現(xiàn)：成像極低噪聲，邊緣過渡清晰，即使放大圖像也能精確還原物體邊緣和曲線。

• 適用于微熱分析：特別適合半導體器件的微觀熱點檢測。

四、樣品制備設備（Decap）

開封是將芯片從塑封料中暴露出來的過程，為后續(xù)微觀分析打開通道。根據工藝不同，可分為激光開封、化學開封和等離子開封。

1.激光開封機（Laser Decap）

高能激光束聚焦在芯片塑封料表面，通過光熱作用使環(huán)氧樹脂氣化蝕刻，逐層去除封裝材料。Filaser Etch II-SE激光開封機配備進口高精度激光掃描頭。激光系統(tǒng)與CCD視覺系統(tǒng)同軸共焦，實現(xiàn)所見即所得的實時觀測。

核心優(yōu)勢：

• 無損內部結構：精確控制激光參數(shù)。

• 高效精準：單次開封深度0.01-1mm可調，且避免了強酸暴露。

• 智能化軟件：可直接導入圖像進行復雜定點開封，支持任意圖形繪制。

• 環(huán)保安全：高性能煙塵過濾系統(tǒng)可過濾98%以上0.3μm直徑的環(huán)氧樹脂顆粒，設備為Class I安全等級。

2.化學開封機（Chemical Decap）

在惰性氣體壓力下，將加熱的硝酸、硫酸或混合酸噴射到芯片封裝表面，通過化學腐蝕去除塑封料。系統(tǒng)精確控制溫度、酸量和噴射方式，實現(xiàn)對不同材料的選擇性去除。 JetEtch Pro自動塑封開封系統(tǒng)采用專利的ACTIVE溫控技術和CuPROTECT技術，可編輯存儲100組程序。

核心優(yōu)勢：

• 工藝靈活性：支持硝酸、硫酸及13種混酸比例選擇，適應不同封裝材料。

• 專利溫控技術：ACTIVE技術確保高溫蝕刻的穩(wěn)定性和重復性。

• 銅線保護：CuPROTECT專利技術可保持敏感元件的完整性，減少對銅鍵合線的損傷。

• 多種蝕刻模式：支持渦流蝕刻和脈沖蝕刻兩種流向選擇。

3.等離子開封機（Plasma Decap）

利用微波激發(fā)氧氣和專利氫氣配方產生低溫等離子體，等離子體中的活性自由基與塑封材料發(fā)生化學反應，生成揮發(fā)性產物被真空系統(tǒng)抽走，從而實現(xiàn)各向異性刻蝕。JIACO-MIP微波誘導等離子芯片開封系統(tǒng)是一款突破性創(chuàng)新產品，可在非抽真空的常規(guī)氣壓下工作，是目前唯一不損傷銀線的芯片開封技術。

核心優(yōu)勢：

• 無損傷開封：對銀線、銀質球焊接頭、接合焊盤、鈍化層和芯片完全不造成損傷。

• 保留原始失效特征：完全保留污染雜質和失效點，有利于后續(xù)失效機理分析。

• 效率提升：相比傳統(tǒng)等離子開封，時間減少70%，且無需使用CF4等對鈍化層有損傷的氣體。

• 維護成本低：常規(guī)氣壓工作，無需復雜的真空系統(tǒng)。

• 廣泛適用性：支持Cu、PCC、Ag等引線的各類先進封裝，包括ED、SiP、WLCSP、BOAC等。

4.切割與研磨拋光設備

Allied公司提供從切割到研磨拋光的完整樣品制備解決方案，在半導體市場擁有超過一半的市場占有率。

切割機：TechCut 系列

工作原理：采用精密步進電機控制切割過程，鋸片速度可調，配有冷卻系統(tǒng)。

優(yōu)勢：可預置切割深度，自動進給率根據樣品硬度優(yōu)化，切割完成后自動停止并回位，配備防噴濺保護罩和電子安全聯(lián)鎖。

手動/半自動/自動研磨拋光機：-Prep系列

工作原理：測微計控制樣品設置，精確軸設計保證樣品垂直于研磨盤，數(shù)字千分顯示樣品行程精度達1微米。

優(yōu)勢：

• 雙軸測微計控制樣品角坐標（斜度和擺度），10°幅度，0.02°增量。

• 支持平行拋光、精確角拋光、定點拋光等多種模式。

• 6倍速樣品自動擺動，8倍速自動旋轉。 

• 控制單元實現(xiàn)轉速5-350RPM精確控制。

5. 離子研磨儀（IM）

當機械研磨無法去除細微劃痕或需要無損傷截面時，離子研磨儀成為必備工具。離子研磨是在真空中用氬離子束轟擊樣品表面，通過物理濺射作用去除材料。由于離子束對硬度和取向差異大的材料具有均勻的研磨速率，因此可獲得平滑的截面。HITACHI 的IM4000II是日立推出的標準機型，可同時進行截面研磨和平面研磨，配備高效率離子槍，截面研磨速度可達500μm/h以上（Si片）。

核心優(yōu)勢：

• 復合功能：一臺設備同時支持截面研磨和平面研磨兩種模式。

• 高效加工：加速電壓0-6kV可調，多種擺動角度可選，適應不同加工需求。

• 低溫控制選配：通過液氮間接冷卻樣品，溫度可設定0°C至-100°C，適合熱敏性材料。

• 真空轉移功能：加工后的樣品可不接觸空氣直接轉移到SEM或AFM，避免污染和氧化。

• 廣泛適用性：可處理最大20mm×12mm×7mm樣品。

五、微觀分析與觀察設備

1.掃描電子顯微鏡（SEM）

在高真空狀態(tài)下，加速的高能電子束照射樣品表面，入射電子與樣品原子相互作用產生二次電子、背散射電子等信號。二次電子對樣品表面形貌極其敏感，通過探測器收集這些信號并同步成像，即可獲得樣品表面的高分辨率形貌圖像。日立（HITACHI）場發(fā)射掃描電鏡具有超高分辨率。

核心優(yōu)勢：

• 超高分辨率：納米級分辨率，適合觀察表面細節(jié)。

• 元素分析能力：配備高性能X射線能譜儀，可同時進行微區(qū)點、線、面元素的定性、半定量和定量分析。

• 寬放大倍率：5倍至30萬倍的放大范圍，滿足從宏觀定位到納米級觀察的需求。

• 多樣化樣品適應性：加速電壓連續(xù)可調，可根據樣品特性優(yōu)化觀察條件。

2.聚焦離子束和掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）

蔡司（ZEISS）聚焦離子束-掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）雙束系統(tǒng)將高分辨率場發(fā)射掃描電鏡與聚焦離子束集成于一體，是目前芯片失效分析中最強大的工具之一。設備包含兩個主要束流：

• 電子束：用于高分辨率成像，原理同掃描電鏡。

• 離子束（通常為鎵離子）：通過強電場將液態(tài)金屬離子源發(fā)射的離子聚焦成納米級束斑，轟擊樣品表面時產生濺射效應，實現(xiàn)納米級精度的切割和加工。

核心優(yōu)勢：

• 精準定點切割：可在電鏡觀察下精確定位到失效點，然后利用離子束在該位置切割截面，實現(xiàn)“邊看邊切”。

• TEM樣品制備：可制備厚度小于100納米的透射電鏡樣品，且位置精度達納米級。

• 三維重構能力：通過連續(xù)切片和成像，重構芯片內部的三維結構。

• 電路修復：利用離子束沉積和刻蝕功能，可對芯片內部電路進行微納加工和修復。

• 多功能集成：同一設備內完成成像、切割、沉積、刻蝕等多種操作，極大提升分析效率。

六、半導體失效分析設備的專業(yè)方案提供商：似空科學儀器（上海）有限公司

似空科學儀器（上海）有限公司成立于2018年，是一家高端儀器設備的方案提供商，致力于為中國制造業(yè)和研發(fā)機構提供高性能、符合人體工學設計的儀器設備及解決方案。似空科學儀器的名字蘊含深刻的服務理念："儀器設備發(fā)展的極致是探測手段和傳感器不對被測目標產生任何干擾，企業(yè)管理的極致是一切以市場為核心，不以自我的意愿抗拒市場的趨勢，代替客戶的喜好，于是我們取名'似空'，希望以忘我的精神服務客戶"。

1. 一站式解決方案整合者

似空科學儀器在半導體失效分析領域構建了完整的產品矩陣，覆蓋從非破壞性分析到微觀觀察的全流程需求：

這種全面的產品覆蓋能力，使客戶能夠通過單一供應商獲得完整的實驗室解決方案，避免了多品牌分散采購帶來的兼容性風險和服務協(xié)調難題。

2. 專業(yè)咨詢與定制開發(fā)能力

似空科學儀器不僅提供標準設備，還可以根據客戶的設備應用場景、生產和研發(fā)規(guī)劃，為儀器選型提供專業(yè)的咨詢。公司的技術團隊具備激光加工、機器視覺、電子控制、系統(tǒng)軟件以及特定失效分析儀器的定制開發(fā)能力。

3. 技術與售后支持

作為多家國際知名品牌在中國的重要合作伙伴，似空科學儀器提供從安裝調試、操作培訓到應用方法開發(fā)的全方位技術支持。公司秉持"忘我的精神服務客戶"的理念，致力于幫助客戶充分發(fā)揮設備效能，提升失效分析工作效率。

結語

芯片失效分析是一項系統(tǒng)工程，需要多種分析設備的協(xié)同工作。從非破壞性的超聲波掃描和X射線檢測，到破壞性的開封和研磨制樣，再到高分辨率的電子顯微鏡觀察，每一步都需要選擇合適的設備和工藝參數(shù)。隨著芯片制程不斷縮小、封裝形式日趨復雜，失效分析技術也在持續(xù)進步，為半導體產業(yè)的可靠性和質量提升提供堅實支撐。