文章来源：半导体工程师
原文作者：芯片失效分析
窥探芯片电学特性的窗口
IV 测试，简单来说，就是通过对芯片施加不同的电压，并测量相应的电流变化，从而绘制出芯片的电流-电压特性曲线。这条曲线就像是芯片电学特性的 “指纹”，蕴含着丰富的信息，能够反映出芯片在不同工作状态下的性能表现。
对于正常工作的芯片，其 IV 特性曲线通常具有特定的形状和规律。例如，在半导体器件中，常见的二极管在正向偏置时电流随电压迅速增加，而在反向偏置时电流极小，呈现出典型的非线性特性。通过与标准的 IV 特性曲线进行对比，我们可以快速判断芯片是否存在电学性能方面的异常。
IV测试的具体应用场景
2.1 检测短路和开路故障
芯片内部的电路连接出现短路或开路情况是导致芯片失效的常见原因之一。IV 测试在检测这类故障时表现得尤为出色。
当芯片存在短路故障时，在施加一定电压后，电流会出现异常的大幅增加。这是因为短路使得电流绕过了正常的电路路径，直接从短路点通过，导致电阻急剧减小，根据欧姆定律（I=V/R），电流就会显著升高。通过 IV 测试，我们可以观察到这种电流的异常变化，进而确定短路故障的存在，并根据测试数据大致推测出短路发生的区域。
相反，当芯片出现开路故障时，电路被切断，电流无法正常流通。在进行 IV 测试时，无论施加多大的电压，电流都将趋近于零。这种电流始终为零的特征可以帮助我们明确判断芯片存在开路故障，然后结合其他分析工具（如显微镜等）进一步确定开路点的具体位置。
例如，在一款复杂的集成电路芯片中，出现了部分功能失效的情况。通过 IV 测试，发现某一模块在施加正常工作电压时，电流异常高，初步判断存在短路故障。随后，利用显微镜对该模块进行详细检查，最终找到了短路发生在两条相邻金属布线之间的具体位置，为修复工作指明了方向。
2.2 评估晶体管性能
晶体管作为芯片的核心元件之一，其性能的好坏直接影响着芯片的整体性能。IV 测试可以通过测量晶体管在不同栅极电压下的源极 - 尾极电流，来评估晶体管的各项性能指标，如跨导、阈值电压等。
跨导反映了晶体管对输入信号的放大能力，通过 IV 测试得到的电流 - 电压数据，可以计算出晶体管的跨导值。如果跨导值偏离了正常范围，说明晶体管的放大能力出现了问题，可能是由于制造工艺缺陷、老化等原因导致的。
阈值电压则是晶体管从截止状态转变为导通状态所需的最小栅极电压。IV 测试能够准确测量出晶体管的阈值电压，当阈值电压发生变化时，也意味着晶体管的工作状态可能受到了影响。例如，在一批芯片生产过程中，发现部分芯片性能下降，通过 IV 测试对芯片内的晶体管进行评估，发现有些晶体管的阈值电压明显升高，经过进一步调查，原来是制造工艺中的杂质掺入问题导致的，这为改进生产工艺提供了重要依据。
2.3 分析芯片功耗异常
在芯片的实际应用中，功耗问题一直是备受关注的焦点。过高的功耗不仅会影响芯片的续航能力（针对移动设备等应用场景），还可能导致芯片过热，进而引发一系列性能问题甚至失效。
IV 测试可以通过测量芯片在不同工作状态下的电流和电压，计算出芯片的功耗（P=IV）。当芯片出现功耗异常时，通过对比正常芯片的功耗数据以及分析 IV 测试得到的电流 - 电压特性曲线，可以找出导致功耗异常的原因。
例如，某款移动设备中的芯片在使用过程中出现了电池续航时间明显缩短的情况，怀疑是芯片功耗过高所致。通过 IV 测试，发现该芯片在某些工作状态下的电流明显高于正常芯片，进一步分析发现是因为芯片内部的部分电路存在漏电现象，使得电流白白流失，从而导致功耗增加。通过定位到漏电问题，就可以采取相应的措施进行修复或改进设计。
与其他分析工具的协同作战
在芯片失效分析的“战场”上，IV 测试并非孤军奋战，它常常与其他分析工具协同配合，发挥出更强大的分析能力。
例如，与显微镜结合使用。显微镜可以提供芯片表面和内部微观结构的图像，帮助我们了解芯片的物理形态和结构布局。当 IV 测试发现芯片存在电学性能异常时，结合显微镜观察到的芯片结构，可以更全面地分析出导致异常的原因。比如，IV 测试发现晶体管性能下降，通过显微镜观察到晶体管的外观可能存在缺陷（如金属氧化物半导体晶体管（MOSFET）的栅极氧化层有破损等），这样就可以确定是由于物理结构问题导致的电学性能下降，从而为修复工作提供更准确的指导。
又如，与热分析工具协同。热分析工具可以测量芯片在工作状态下的温度分布情况。当 IV 测试发现芯片存在功耗异常时，结合热分析工具测量的温度数据，可以更深入地了解功耗异常对芯片温度的影响，进而判断是否因为过热导致了芯片的进一步失效。例如，通过 IV 测试确定芯片功耗过高，结合热分析工具发现芯片的某一区域温度过高，这就提示我们需要关注该区域的散热问题，可能需要对散热设计进行调整或改进。
IV 应用的挑战与未来展望
尽管 IV 在芯片失效分析中有着诸多重要应用，但它也面临着一些挑战。
一方面，IV 测试结果的解读需要一定的专业知识和经验。不同的芯片失效模式可能会导致相似的电流-电压特性曲线变化，如何准确地区分这些变化所对应的真正失效原因，是摆在分析人员面前的一道难题。
另一方面，对于复杂的芯片系统，进行 IV 测试时需要考虑到各种因素的影响，如不同模块之间的相互作用、外部电路的影响等。要想获得准确的测试结果，就需要精心设计测试方案，确保测试环境的稳定性和测试数据的准确性。
然而，随着科技的不断发展，我们有理由相信这些挑战都将逐步得到解决。未来，IV 测试有望在智能化结果解读、优化测试方案设计、与更多分析工具深度融合等方面取得更大的突破，从而在芯片失效分析领域发挥更加重要的作用。
IV 作为芯片失效分析的重要手段，通过测量芯片的电流-电压特性，为我们检测短路和开路故障、评估晶体管性能、分析芯片功耗异常等提供了极为重要的手段。尽管目前还存在一些挑战，但随着技术的不断进步，它必将在保障芯片质量、推动芯片产业发展方面做出更大的贡献。
