芯片失效分析基本流程和关键设备

引言

在半导体产业中，芯片失效分析是一项至关重要的工作。当芯片发生功能失效或可靠性问题时，失效分析工程师需要通过一系列技术手段，定位失效位置、查明失效机理，最终为设计改进和工艺优化提供依据。本文将系统介绍芯片失效分析的基本流程，并介绍分析过程使用的国际主流设备。

一、芯片失效分析的基本流程

芯片失效分析通常遵循从非破坏性分析到破坏性分析、从宏观定位到微观观察的逻辑顺序，一般包括以下主要步骤：1. 失效确认：首先需要通过电性测试复现失效现象，确认失效模式，排除误判可能。这一步骤通常使用半导体参数分析仪或自动测试设备（ATE）完成。2. 非破坏性分析：在保持样品完整的前提下，利用各种无损检测技术获取芯片内部结构信息。超声波扫描显微镜和X射线检测系统是这一阶段的核心设备。3. 定位分析：通过热探测显微镜等设备，精确定位芯片上的发热点或异常区域，缩小分析范围。4. 样品制备：为后续微观观察做准备，包括激光开封、化学开封、等离子开封去除塑封料，以及切割、研磨抛光、离子研磨等截面制备工艺。5. 微观分析与观察：利用扫描电子显微镜和聚焦离子束等高分辨率设备，对失效位置进行形貌观察和成分分析，最终确定失效机理。

二、非破坏性分析设备

1.无目镜显微镜

无目镜显微镜为工程师提供了舒适、高效的立体观察体验。英国VISION Engineering公司是该领域的领xian者，其LYNX EVO、和Mantis系列产品广泛应用于电子行业的检测和返工任务。传统双目显微镜需要使用者将眼睛精确对准目镜，任何轻微移动都会导致图像丢失。而扩瞳技术将出射光路扩展到比传统显微镜宽10倍的程度，使用者无需精确对准，只需坐在设备前方，图像即可直接映入眼中。这种技术消除了双目显微镜常见的眼睛疲劳、颈部劳损等问题，环境光线可以进入眼睛，减少瞳孔收缩

核心优势：

• 人机工效学设计：显著减少长时间工作带来的眼睛疲劳、肩颈肌肉痉挛，提高准确率和生产效率。LYNX系列的无目镜技术使成像视距与观察实物距离完quan相同，避免了使用者眼睛重新对焦的必要。

• 完mei的眼手协调：无目镜设计使手与眼睛之间的工作距离与没有放大时一样，操作更加自然流畅，特别适合精密的返工和操作任务。

• 模块化设计：支持多种配件组合，包括360度旋转观察器（允许偏离垂直方向34度观测）、固定角度观测器、图像采集系统等。

• 灵活的光学配置：可通过更换物镜和倍增器实现不同放大倍率和视野的组合，满足多样化的观察需求。

• 长寿命LED照明： LED照明装置提供真彩色、无阴影的观察条件。

2.超声波扫描显微镜（SAT）

超声波扫描显微镜是检测芯片内部分层、空洞、裂纹等缺陷的shou选设备。SONIX作为全球超声波检测设备的领xian制造商，其ECHO-VS系列专为高精度复杂元器件设计，广泛应用于倒装芯片、堆叠芯片、键合晶圆等先进封装的分析。该设备扫描分辨率小于1微米，能够探测到薄至0.1微米的分层缺陷。设备通过压电陶瓷换能器将电信号转换为高频超声波，超声波穿透样品后在不同材料的界面上发生反射。由于超声波在空气或真空气隙处的反射系数与在致密材料中完quan不同，因此能够清晰识别内部的分层、空洞等缺陷。接收到的反射信号经软件处理后形成图像。

核心优势：

• TAMI断层显微成像技术：无需精确选择波形，可任意设定扫描深度及等分厚度，一次扫描获得多达200张断层图像，极大提升分析效率。

• FSF表面跟踪功能：即使样品表面不平整，也能自动跟踪平面，获取同一层面的清晰图像。

• 波形模拟器与波束仿真：针对复杂 molding 结构优化图像质量，特别适用于MUF（模塑底部填充）封装的分析。

• PETT技术：可同时进行反射法和透射法扫描，提高检测效率。

• 自动检测：Sonix WINIC软件分析可自动计算出气泡所占的面积比例。

3. X射线检测系统（X-Ray）

X射线检测系统能够穿透芯片封装，观察内部布线结构、焊接质量和缺陷。Comet Yxlon工业X射线系统覆盖20kV至600kV能量范围，适用于从半导体微纳器件到大型发动机部件的检测。其微焦点和纳焦点技术可实现亚微米级分辨率。

核心优势：

• 微焦点与纳焦点技术：针对半导体器件可实现高分辨率成像，清晰显示微米级的键合线和焊点缺陷。

• Geminy软件平台：通过自动化向导和预设参数简化检测流程，内置滤波器减少伪影，确保图像质量。

• 计算机层析成像功能：对于无法旋转的平面组件（如芯片），层析成像技术可快速获得多层结构信息。

• 准直器技术：减少散射辐射干扰，提高图像对比度和清晰度。

三、热点定位设备

1.制冷型热探测显微镜（LIT）

当芯片存在漏电或短路时，失效点往往伴随局部发热现象，热探测显微镜通过高灵敏度温度成像实现失效定位。设备通过探测芯片工作时的红外辐射分布，生成温度分布图。MicroScan技术通过快速旋转的扫描轮，每转一圈获取四个相互偏移半像素的单次曝光，实时合成为四倍图像格式的热像图。 ImageIR系gao端热像仪采用制冷型FPA光子探测器，配备MicroScan技术可将图像格式提升至（2560×2048）红外像素，实现520万像素的热成像分辨率。所有高于绝对零度的物体都会发射红外辐射。

核心优势：

• 超高几何分辨率：MicroScan技术使每个像素都代表真实的温度测量值，而非插值计算点，极大提升细节分辨能力。

• 高速成像：可对动态过程或温度变化中的样品进行热分析。

• 低噪声表现：成像极低噪声，边缘过渡清晰，即使放大图像也能精确还原物体边缘和曲线。

• 适用于微热分析：特别适合半导体器件的微观热点检测。

四、样品制备设备（Decap）

开封是将芯片从塑封料中暴露出来的过程，为后续微观分析打开通道。根据工艺不同，可分为激光开封、化学开封和等离子开封。

1.激光开封机（Laser Decap）

高能激光束聚焦在芯片塑封料表面，通过光热作用使环氧树脂气化蚀刻，逐层去除封装材料。Filaser Etch II-SE激光开封机配备进口高精度激光扫描头。激光系统与CCD视觉系统同轴共焦，实现所见即所得的实时观测。

核心优势：

• 无损内部结构：精确控制激光参数。

• 高效精准：单次开封深度0.01-1mm可调，且避免了强酸暴露。

• 智能化软件：可直接导入图像进行复杂定点开封，支持任意图形绘制。

• 环保安全：高性能烟尘过滤系统可过滤98%以上0.3μm直径的环氧树脂颗粒，设备为Class I安全等级。

2.化学开封机（Chemical Decap）

在惰性气体压力下，将加热的硝酸、硫酸或混合酸喷射到芯片封装表面，通过化学腐蚀去除塑封料。系统精确控制温度、酸量和喷射方式，实现对不同材料的选择性去除。 JetEtch Pro自动塑封开封系统采用zhuan利的ACTIVE温控技术和CuPROTECT技术，可编辑存储100组程序。

核心优势：

• 工艺灵活性：支持硝酸、硫酸及13种混酸比例选择，适应不同封装材料。

• 专li温控技术：ACTIVE技术确保高温蚀刻的稳定性和重复性。

• 铜线保护：CuPROTECT专li技术可保持敏感元件的完整性，减少对铜键合线的损伤。

• 多种蚀刻模式：支持涡流蚀刻和脉冲蚀刻两种流向选择。

3.等离子开封机（Plasma Decap）

利用微波激发氧气和专li氢气配方产生低温等离子体，等离子体中的活性自由基与塑封材料发生化学反应，生成挥发性产物被真空系统抽走，从而实现各向异性刻蚀。JIACO-MIP微波诱导等离子芯片开封系统是一款突破性创新产品，可在非抽真空的常规气压下工作，是目前唯1不损伤银线的芯片开封技术。

核心优势：

• 无损伤开封：对银线、银质球焊接头、接合焊盘、钝化层和芯片完quan不造成损伤。

• 保留原始失效特征：完quan保留污染杂质和失效点，有利于后续失效机理分析。

• 效率提升：相比传统等离子开封，时间减少70%，且无需使用CF4等对钝化层有损伤的气体。

• 维护成本低：常规气压工作，无需复杂的真空系统。

• 广泛适用性：支持Cu、PCC、Ag等引线的各类先进封装，包括ED、SiP、WLCSP、BOAC等。

4.切割与研磨抛光设备

Allied公司提供从切割到研磨抛光的完整样品制备解决方案，在半导体市场拥有超过一半的市场chang占you率。

切割机：TechCut 系列

工作原理：采用精密步进电机控制切割过程，锯片速度可调，配有冷却系统。

优势：可预置切割深度，自动进给率根据样品硬度优化，切割完成后自动停止并回位，配备防喷溅保护罩和电子安全联锁。

手动/半自动/自动研磨抛光机：-Prep系列

工作原理：测微计控制样品设置，精确轴设计保证样品垂直于研磨盘，数字千分显示样品行程精度达1微米。

优势：

• 双轴测微计控制样品角坐标（斜度和摆度），10°幅度，0.02°增量。

• 支持平行抛光、精确角抛光、定点抛光等多种模式。

• 6倍速样品自动摆动，8倍速自动旋转。

• 控制单元实现转速5-350RPM精确控制。

5. 离子研磨仪（IM）

当机械研磨无法去除细微划痕或需要无损伤截面时，离子研磨仪成为必bei工具。离子研磨是在真空中用氩离子束轰击样品表面，通过物理溅射作用去除材料。由于离子束对硬度和取向差异大的材料具有均匀的研磨速率，因此可获得平滑的截面。HITACHI 的IM4000II是日立推出的标准机型，可同时进行截面研磨和平面研磨，配备高效率离子枪，截面研磨速度可达500μm/h以上（Si片）。

核心优势：

• 复合功能：一台设备同时支持截面研磨和平面研磨两种模式。

• 高效加工：加速电压0-6kV可调，多种摆动角度可选，适应不同加工需求。

• 低温控制选配：通过液氮间接冷却样品，温度可设定0°C至-100°C，适合热敏性材料。

• 真空转移功能：加工后的样品可不接触空气直接转移到SEM或AFM，避免污染和氧化。

• 广泛适用性：可处理最大20mm×12mm×7mm样品。

五、微观分析与观察设备

1.扫描电子显微镜（SEM）

在高真空状态下，加速的高能电子束照射样品表面，入射电子与样品原子相互作用产生二次电子、背散射电子等信号。二次电子对样品表面形貌极其敏感，通过探测器收集这些信号并同步成像，即可获得样品表面的高分辨率形貌图像。日立（HITACHI）场发射扫描电镜具有超高分辨率。

核心优势：

• 超高分辨率：纳米级分辨率，适合观察表面细节。

• 元素分析能力：配备高性能X射线能谱仪，可同时进行微区点、线、面元素的定性、半定量和定量分析。

• 宽放大倍率：5倍至30万倍的放大范围，满足从宏观定位到纳米级观察的需求。

• 多样化样品适应性：加速电压连续可调，可根据样品特性优化观察条件。

2.聚焦离子束和扫描电子显微镜（FIB-SEM）

蔡司（ZEISS）聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）双束系统将高分辨率场发射扫描电镜与聚焦离子束集成于一体，是目前芯片失效分析中zui强大的工具之一。设备包含两个主要束流：

• 电子束：用于高分辨率成像，原理同扫描电镜。

• 离子束（通常为镓离子）：通过强电场将液态金属离子源发射的离子聚焦成纳米级束斑，轰击样品表面时产生溅射效应，实现纳米级精度的切割和加工。

核心优势：

• 精准定点切割：可在电镜观察下精确定位到失效点，然后利用离子束在该位置切割截面，实现“边看边切"。

• TEM样品制备：可制备厚度小于100纳米的透射电镜样品，且位置精度达纳米级。

• 三维重构能力：通过连续切片和成像，重构芯片内部的三维结构。

• 电路修复：利用离子束沉积和刻蚀功能，可对芯片内部电路进行微纳加工和修复。

• 多功能集成：同一设备内完成成像、切割、沉积、刻蚀等多种操作，极大提升分析效率。

六、半导体失效分析设备的专业方案提供商：似空科学仪器（上海）有限公司

似空科学仪器（上海）有限公司成立于2018年，是一家gao端仪器设备的方案提供商，致力于为中国制造业和研发机构提供高性能、符合人体工学设计的仪器设备及解决方案。似空科学仪器的名字蕴含深刻的服务理念："仪器设备发展的极zhi是探测手段和传感器不对被测目标产生任何干扰，企业管理的极zhi是一切以市场为核心，不以自我的意愿抗拒市场的趋势，代替客户的喜好，于是我们取名'似空'，希望以忘我的精神服务客户"。

1. 一站式解决方案整合者

似空科学仪器在半导体失效分析领域构建了完整的产品矩阵，覆盖从非破坏性分析到微观观察的全流程需求：

这种全面的产品覆盖能力，使客户能够通过单一供应商获得完整的实验室解决方案，避免了多品牌分散采购带来的兼容性风险和服务协调难题。

2. 专业咨询与定制开发能力

似空科学仪器不仅提供标准设备，还可以根据客户的设备应用场景、生产和研发规划，为仪器选型提供专业的咨询。公司的技术团队具备激光加工、机器视觉、电子控制、系统软件以及特定失效分析仪器的定制开发能力。

3. 技术与售后支持

作为多家国际知ming品pai在中国的重要合作伙伴，似空科学仪器提供从安装调试、操作培训到应用方法开发的全fang位技术支持。公司秉持"忘我的精神服务客户"的理念，致力于帮助客户充分发挥设备效能，提升失效分析工作效率。

结语

芯片失效分析是一项系统工程，需要多种分析设备的协同工作。从非破坏性的超声波扫描和X射线检测，到破坏性的开封和研磨制样，再到高分辨率的电子显微镜观察，每一步都需要选择合适的设备和工艺参数。随着芯片制程不断缩小、封装形式日趋复杂，失效分析技术也在持续进步，为半导体产业的可靠性和质量提升提供坚实支撑。