一文详解半导体芯片失效分析,含案例分析(附资料+PPT)!

文摘   2024-11-26 07:31   北京  

前言


本篇文章分为三部分内容:半导体芯片失效分析概述、针对芯片失效的详细案例分析集成电和路芯片失效模式及分析详解,欢迎收藏学习!




01 

元器件5A试验介绍(中英文)

  • PFA (Physical Feature Analysis)物理特征分析

  • DPA (Destructive Physical Analysis)破坏性物理分析

  • CA (Constructional Analysis)结构分析

  • FA (Failure Analysis)失效分析

  • EA (Evaluation Analysis)适用性评价分析



02 

PFA

1. PFA (Physical Feature Analysis)物理特征分析
针对进口器件采购及使用过程中遇到的仿冒、翻新问题,为验证和鉴别器件的标识、材料、结构、芯片版图和制造质量是否符合原厂规定或工艺特征,通过对采购批抽取器件样本的方式,采用系列试验对器件进行检查和分析,并对识别为非原厂工艺(假冒/后期翻新/改标等)的样品批进行剔除。

2. 要素
  • 样品抽样
  • 破坏性试验
  • 针对采购批
  • 原厂特征数据库


表一 器件仿冒翻新的典型类别


3. 典型缺陷

图一 典型缺陷


03 

DPA介绍!

1. DPA ( Destructive Physical Analysis )破坏性物理分析

针对元器件生产批的工艺水平及过程控制水平,以验证元器件的设计、结构、材料和制造质量是否满足有关规范的要求或预定用途为目的,通过生产批抽样的方式,采用一系列方法对元器件进行非破坏性和破坏性的检查和分析,从中获取元器件的批质量信息。

2. 要素
  • 样品抽样
  • 破坏性试验
  • 针对工艺过程形成的缺陷
  • 不可筛选缺陷
  • 结果代表生产批质量情况

图二


图三

04 

CA介绍!

1. 概述

元器件的固有可靠性是由元器件的结构设计和生产控制所决定的。


如果生产控制不严,就会导致器件内部存在工艺缺陷,如果不能通过有效手段剔除,也会造成可靠性影响。——DPA剔除


如果结构设计不合理,就会导致元器件的固有可靠性不高,由此带来的问题如果发生在使用阶段,就会给型号任务造成重大影响。——结构分析剔除


2. CA (Constructional Analysis)结构分析
针对元器件结构设计的潜在隐患,从元器件的设计、工艺选择和评价等阶段先期介入,通过对元器件结构、工艺、材料的综合评价,分析是否存在对于预定使用环境(如宇航应用)的可靠性隐患和潜在失效机理,最终给出元器件设计对于预定使用环境的适用/限用/禁用结论。

3. 要素
  • 选取典型样品

  • 破坏性试验(横向纵向解剖)

  • 针对结构设计、材料选取、工艺实现原理

  • 结合失效机理和失效分析数据库

  • 结论针对使用环境给出(适用/限用/禁用)

4. 流程

图五 半导体器件结构分解


6. 结构要素识别

图六 结构要素识别

7. 典型结构设计缺陷

图七 典型结构设计缺陷


8. 典型工艺设计缺陷

图八 典型工艺设计缺陷



05 

FA ( Failure Analysis )失效分析

针对产品全寿命周期过程中的失效问题,以确定失效原因为目标,通过对失效模式的综合性试验分析,定位失效部位、明确失效机理,并基于失效机理提出纠正措施,预防失效的再发生。作为贯穿型号或产品质量控制全流程的重要环节,失效分析对于追溯产品的设计(含选型)、制造、使用、质量管理等各环节的不良因素或潜在隐患都具有重要的意义。


1. 要素

  • 样品唯一性
  • 公正(第三方)
  • 失效分析、设计、厂家共同参与
  • 试验不可逆
  • 关键过程(方案)

2. 试验方法
QJ3065.5-98元器件失效分析管理要求
GJB3233-98集成电路失效分析程序方法
GJB4157-98分立器件失效分析方法

3. 技术途径

图九 失效分析技术路径


4. 电子、材料案

图十

06 

EA评估分析!

1. EA ( Evaluation Analysis )评价分析
针对低等级或缺陷元器件的高可靠应用,根据器件工艺、结构特点或缺陷隐患,结合实际使用可靠性要求或寿命要求,通过系列试验程序设计,采用专项应力试验或加速试验的方式进行模拟考核,结合相应的检测分析手段给出器件的使用风险评估结论。

2. 要素
  1. 母体筛选
  2. 抽样(最差样品)
  3. 环境特点与敏感因素
  4. 专项或加速应力试验
  5. 三方风险评估

3. 试验方法
  • 基于现有评价标准(合格性结论)
  • 基于实际环境的应用模拟加速试验(适用性结论)
  • 现有试验条件进行组合,根据试验结果进行风险评估

4. 典型案例
界面疲劳试验(湿热试验、温度循环/冲击)

①按照基于Coffin-Manson模型的温度循环加速因子,经验公式如下:

②按照修正的Coffin-Manson模型

图十一

图十二



07 

5A的联系与区别

表二 5A的联系与区别


08 

PCB板检测分析

图十三 PCB板检测分析



09 

材料检测分析

图十四 材料检测分析



10 

元器件应用验证

图十五 元器件应用验证



11

家电产品可靠性分析


图十六 家电产品可靠性分析


12 

知识产权及司法鉴定


图十七 知识产权及司法鉴定



13 

芯片失效分析(案例分析)

失效分析工作是一个及其复杂的过程,它需要多学科相互交叉。

芯片失效分析的步骤:
  • 外观检查。
  • X-ray。
  • 声学扫描显微镜检查。
  • I-V曲线测试。
  • 化学解封装后内部视检。
  • 微光显微镜检查。

1. 案例背景
收到客户样品2Pcs芯片,客户描述1Pc为NG样品,另1Pc为OK样品,根据客户要求进行失效分析原因。

图十八 客户样品

2.分析方法简述

外观检查

 图十九 OK芯片外观形貌


图二十 NG芯片外观形貌


说明:光学显微镜检查显示OK样品正面、背面以及侧面无其他明显外观异常。检查显示NG样品正面、背面及侧面均有助焊剂残留及黑胶残留。
X-射线检查

图二十一 OK芯片X-Ray形貌


图二十二 NG芯片X-Ray形貌


说明:X-射线检查显示OK样品与NG样品内部形貌一致,内部键合线不一致,无其他明显内部异常。
声学扫描显微镜检查

图二十三 OK芯片C-SAM形貌


图二十四 NG芯片C-SAM形貌


说明:声学扫描显微镜检查显示OK样品与NG样品芯片表面及引线框面均无明显异常。

I-V曲线测试  

图二十五 OKI-V曲线测试图


图二十六 NGI-V曲线测试图

说明:I-V测试曲线分析(电流500uA/电压500mV),NG样品测试曲线有VCC对GND存在差异,可能存在微漏电情况。

化学解封装后内部视检

图二十七 OK芯片化学解封装后内部形貌


 图二十八 NG芯片化学解封装后内部形貌

说明:化学解封装后光学显微镜检查显示OK样品与NG样品形貌一致,无其他异常特征。

微光显微镜检测

图二十九 NG样品微光显微镜检测形貌

说明:微光显微镜检测(5V电压、1mA电流)显示NG样品芯片GND对VCC间存在漏电异常现象。
3. 失效分析结论
对客户提供的NG样品芯片进行外观检查,I-V测试曲线分析以及结合微光显微镜检测结果,推测芯片失效的原因是芯片内部轻微漏电,导致工作异常。

接下来,分享完整版《集成电路芯片失效模式及分析详解》培训教材(66页PPT中文版),欢迎收藏学习!





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