IC 失效分析方法 --Part2 常见破坏性FA方法解析
时间:2025-07-31 22:04来源:FreyaW 半导体ATE测试 作者:ictest8_edit 点击:
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如果说，非破坏性FA是起点，那么破坏性FA就是深入探索，破坏性FA通常 在非破坏定位的基础上，通过物理手段暴露内部结构，利用高倍显微技术（SEM）和微区分析技术（EDS, Probe）揭示失效的微观机理和根本原因。
常用组合：开封/切片 -> SEM/EDS观察 -> 去层 -> 微探针测试 -> (必要时)更高端分析（如FIB, TEM）
破坏性失效分析(破坏性FA)
破坏性失效分析需要破坏样品的物理结构，通常用于深入观察失效点的微观形貌、成分、结构，或访问内部节点进行电学测试。在非破坏性分析定位失效区域后进行。常见的破坏性FA 按Cost 由低到高 list 如下：
1. 开封/切片（Decapsulation/Cross-Sectioning）
· 检测模式：
o 针对塑封封装（环氧树脂）IC，采用化学开封模式，使用发烟硝酸（HNO₃）或浓硫酸（H₂SO₄）加热腐蚀塑封料，保留芯片和键合线，针对对酸敏感的器件，可采用等离子刻蚀方式，用氧等离子体缓慢去除有机物
o 针对BGA焊点、芯片截面、界面分层等失效, 可采用金刚石锯 沿目标位置切割样品(切割前可用环氧树脂包裹样品，保护边缘），逐级使用砂纸（粗→细）研磨目标位置，再用金刚石/氧化铝抛光液抛光至镜面，最后可使用化学试剂（如Keller试剂）凸显金属晶界或缺陷。
· 应用场景：
o 焊点可靠性测试（温度循环(TCT)后裂纹分析）
o 芯片粘接空洞（Die Attach Void）检测
o 键合线偏移/断裂原因调查
· 结果读取：
o 光学显微镜：初步观察切片后截面结构（键合线断裂、焊点空洞、分层位置)
o SEM/EDS：高倍形貌观察（裂纹路径、IMC厚度）及元素成分分析（焊点污染、腐蚀产物）
2. IMC (Intermetallic Compound Analysis - 金属间化合物分析)
· 检测模式：需要先进行机械研磨+抛光 (Cross-Sectioning - 切片) 或化学刻蚀，暴露需要观察的焊接界面（如芯片凸块UBM与焊料之间、焊球与PCB焊盘之间、引线键合球与焊盘/Al线之间）。然后主要使用SEM (扫描电子显微镜) 和 EDS (能量色散X射线光谱仪)
· 典型应用： 评估焊接互连的可靠性和老化状态。IMC过厚、形貌粗化、孔洞聚集、特定脆性相过多都可能导致焊点机械强度下降，在热应力或机械应力下开裂失效
· 观察内容：
o IMC层厚度： 测量界面处IMC层的总厚度及各相（如Cu₆Sn₅, Cu₃Sn, Ni₃Sn₄, Ag₃Sn等）的厚度
o IMC形貌： 观察IMC晶粒的尺寸、形状、分布（扇贝状、层状、块状等）
o IMC成分： 使用EDS确定IMC的化学组成
o 孔洞/裂纹： 观察IMC层内部或界面处是否存在Kirkendall孔洞或微裂纹
o 界面完整性： 评估IMC层与焊料/金属焊盘之间的界面是否平整、有无剥离
· 结果读取：
· SEM图像： 高倍率下显示IMC层微观结构的背散射电子（BSE）图像（成分衬度，重元素亮）
· 厚度测量： 在SEM图像上直接测量IMC层厚度
· EDS谱图/面扫图： 显示特定点或区域的元素组成及分布
· IMC相鉴定： 结合形貌、成分和相图知识判断IMC类型
3. PROBE (Micro-probing - 微探针测试)
· 检测模式： 在非破坏性FA（如VI/IR/EMMI）定位到芯片内部的失效点或可疑节点后，需要去层（Deprocessing）：通常是机械研磨或化学/等离子刻蚀，逐层去除芯片上方的钝化层和金属层，直到暴露出需要测试的下层金属线、多晶硅栅、扩散区或接触孔。然后使用极其精密的微探针台（带高倍显微镜），操纵钨针或纳米探针与暴露出的节点进行物理接触，使用SMU进行精确的I-V特性测试
· 典型应用： 对芯片内部（Die Level）电路进行深入的电气诊断和失效点精确定位，是分析复杂集成电路（IC）功能失效、性能劣化、闩锁、ESD/EOS损伤等的关键步骤。常在EMMI/OBIRCH定位后进行
· 观察内容：
o 节点电特性： 测量暴露点的电压、电流、电阻、电容、晶体管特性等
o 信号波形： 在动态工作模式下，使用示波器或逻辑分析仪捕获信号波形
o 定位精确失效点： 通过在不同节点测试，精确定位开路、短路、漏电或功能异常的具体位置（如某条金属线、某个接触孔、某个晶体管）
· 结果读取：
o I-V曲线图/C-V曲线图： 与IV分析类似，但针对的是芯片内部特定节点
o 波形图： 捕获的信号时序图
o 电阻/电压值： 测量得到的精确电学参数
o 物理定位： 在显微镜图像上标注测试点的精确位置
4. 弹坑 (Cratering - 弹坑效应检查)
· 检测模式：弹坑效应检查是引线键合（特别是球焊）的一种特定失效模式分析。当进行拉力测试（Wire Pull） 或推球测试（Ball Shear） 时，键合球可能从芯片焊盘上被拉/推掉。如果键合工艺不当（如超声能量过大、参数不匹配）或焊盘结构脆弱（如下方有低压器件），键合球脱离时可能连带将芯片硅衬底或下层金属/介质撕裂，在焊盘下方硅中形成一个“弹坑”状损伤
· 典型应用： 评估引线键合工艺（尤其是球焊）对芯片衬底造成的潜在损伤风险。弹坑是导致芯片早期失效或可靠性问题（如漏电）的严重隐患
· 观察内容：
o 硅衬底上是否存在裂纹、碎裂、凹坑（即弹坑）
o 焊盘金属层是否被撕裂或翘起
o 下层介质或多晶硅是否暴露或损伤
· 结果读取：
o 光学/SEM图像： 清晰显示焊盘区域是否存在弹坑损伤及其严重程度（大小、深度、裂纹延伸情况）
o 损伤评级： 根据标准（如MIL-STD-883）或内部规范对弹坑程度进行评级
5. SEM (Scanning Electron Microscopy - 扫描电子显微镜)
· 检测模式： SEM本身是观察工具，但为了获得高质量的图像和进行成分分析（EDS），通常需要对样品进行破坏性制备,包括但不限于：切片，开封，去层，断裂面观察，需注意此过程中需要对样品喷镀导电层（金、铂、碳） 以防止荷电效应。
· 典型应用： 提供失效点的终极微观形貌和成分信息。用于分析焊点断裂模式（脆性/韧性）、IMC特征、裂纹路径、腐蚀产物、金属迁移、电迁移空洞、芯片结构缺陷（栅氧击穿孔、接触孔问题）、污染物成分鉴定等。是破坏性FA中最核心、应用最广泛的分析工具之一
· 观察内容：
o 微观形貌（Topography）： 使用二次电子（SE）信号，提供极高的景深和分辨率，观察表面或截面的精细结构（如晶粒、台阶、裂纹、孔洞、断裂特征）
o 成分衬度（Composition Contrast）： 使用背散射电子（BSE）信号，亮度与原子序数相关（重元素亮，轻元素暗），用于区分不同材料相（如焊料、IMC、铜线、硅）
o 元素成分与分布： 配合EDS，进行点分析、线扫描、面扫描（Mapping），确定材料的元素组成及其空间分布
· 结果读取：
o 高分辨率形貌图像（SE）： 显示纳米级表面细节
o 成分衬度图像（BSE）： 清晰显示不同材料相的位置和形态
o EDS谱图： 显示某点的元素种类及大致含量（半定量）
o EDS元素面分布图（Mapping）： 直观显示各元素在选定区域内的分布情况
o 尺寸测量： 精确测量特征尺寸（线宽、层厚、缺陷大小等）
6. FIB（聚焦离子束，Focused Ion Beam）
· 检测模式：用镓离子（Ga⁺）束轰击样品表面，实现纳米级加工（刻蚀/沉积） 与 高分辨率成像（如同SEM）
· 典型应用：
o 截面加工（Cross-Section)：在精确位置（如EMMI热点）垂直刻蚀，暴露内部缺陷（纳米级空洞、晶格损伤）
o 透射样品制备（TEM Lamella）:提取＜100nm薄片，用于TEM分析
o 电路修改（Circuit Edit）：沉积铂（Pt）连接断路，或刻蚀断开短路线路，验证设计修复方案
o 高分辨成像: 离子束成像（材料衬度）与电子束成像（形貌）互补
· 局限：
o 离子束损伤（可能改变器件电性能）
o 速度慢（加工一个截面需30分钟至数小时）
o 成本高（设备及维护费用）
· 结果读取：
o 截面SEM图：揭示纳米级缺陷（如电迁移空洞、栅氧击穿点）
o 元素面分布图（EDS Mapping）：定位污染物（Cl、S引起腐蚀）或扩散阻挡层失效
o 典型案例：CPU电迁移：金属线内空洞导致开路（FIB截面可见）
7. TEM（透射电子显微镜，Transmission Electron Microscopy）
· 检测模式：电子束穿透超薄样品（＜100nm），通过衍射与透射信号获得原子级结构信息
· 典型应用：
o IC 栅氧完整性确认：击穿点局部形貌（HRTEM）→ 区分本征击穿（晶格缺陷）与外在损伤（如静电放电导致的熔融）
o 先进封装界面损伤确认：3D IC TSV（硅通孔）的Cu/绝缘层界面→ EELS检测界面扩散（如Cu污染SiO₂）
o 封装材料相变研究：焊点老化后IMC转变（Cu₃Sn取代Cu₆Sn₅）→ SAED衍射斑标定晶体结构
· 样品制备流程（依赖FIB）：
o 粗提取：FIB在目标区域两侧刻蚀深槽，提取10μm厚片
o 减薄：离子束从两面轰击样品，逐渐减薄至电子束可穿透（＜100nm）
o 最终抛光：低能离子束（2-5kV）减少表面损伤
注：实际分析需遵循 "非破坏先行，破坏递进" 原则：先用SAT/X-ray定位，再通过切片/FIB逐层深入，最终用TEM揭示原子级机理~
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