【博主簡介】本人“愛在七夕時”，系一名半導體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時間不定期的分享半導體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎應用等相關知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當之處，還請大家海涵，當前在各網(wǎng)絡平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學習！

失效分析（FA）技術是一門發(fā)展中的新興學科，近年開始從軍工向普通企業(yè)普及。它一般根據(jù)失效模式和現(xiàn)象，通過分析和驗證，模擬重現(xiàn)失效的現(xiàn)象，找出失效的原因，挖掘出失效的機理的活動。在提高產(chǎn)品質(zhì)量，技術開發(fā)、改進，產(chǎn)品修復及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義。

失效分析（FA）是對已失效的芯片或模塊產(chǎn)品進行的一種事后檢查。根據(jù)需要，使用電測試及必要的物理、化學分析技術，來探究和驗證所報告的失效行為，確定其失效模式、找出失效機理。

所以，失效分析（FA）的目的就是明確失效機理、查找失效原因、提出改進措施、從而提高產(chǎn)品最終的可靠性。其方法分為有損分析，無損分析，物理分析，化學分析等。

一、失效分析技術的概述

隨著科學技術的飛速發(fā)展，機械產(chǎn)品的品種、數(shù)量不斷增加，各種產(chǎn)品的功能雖然千差萬別，但都有一個共同的屬性——具有某種規(guī)定的功能。例如，汽車的功能是載重和運輸；機床的功能是加工零件等。出于種種原因，機械產(chǎn)品失去其原有的功能的現(xiàn)象時常發(fā)生。按照國際通用的定義，“產(chǎn)品喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效”。而機械產(chǎn)品在何時、以何種方式發(fā)生失效，是隨機事件，人們完全無法預料。機械產(chǎn)品的失效是經(jīng)常發(fā)生的，某些失效往往會帶來災難性的破壞，造成人民生命和經(jīng)濟財產(chǎn)的巨大損失，這在國內(nèi)外工業(yè)發(fā)展史上屢見不鮮。例如：

1986年1月28日，美國佛羅里達州的卡納維拉爾角上空，剛剛升空73秒的挑戰(zhàn)者號航天飛機突然發(fā)生爆炸，事件造成7名宇航員全部遇難，給美國航天事業(yè)帶來了沉痛的打擊。類似的案例數(shù)不勝數(shù)。從以上事例可以看出，失效不僅威脅人們的生命安全，同時帶來巨大的經(jīng)濟損失。

失效分析是分析引起機械產(chǎn)品失效的原因，并提出對策，以防止其在發(fā)生的技術活動和管理活動。

分析引起產(chǎn)品失效的原因是失效分析的核心。失效產(chǎn)品的殘骸就是失效分析的客觀依據(jù)，通過失效分析工作，可以從殘骸上找到被“記錄”下的失效信息，迅速而準確地找到產(chǎn)品失效的原因，并采取有效措施。實際面對的失效往往是多層次的，通過較明顯的失效現(xiàn)象，找到更深入的失效原因，如此往復，最終確定引起失效的根本原因。各層次失效原因的分析均屬于失效分析的范疇，失效分析需要進行到哪一個層次的深度，則需要根據(jù)實際需要和情況來確定。

失效分析的目的在于提出對策，以防止同類失效事件再次發(fā)生。所謂對策是指在工程上可能采取有效的改進或補救措施。失效分析一方面十分重視滿足工程的需要，另一方面在實施改革時還必須兼顧經(jīng)濟利益。

失效分析不僅是技術活動，也是管理活動。據(jù)日本質(zhì)量管理統(tǒng)計資料報道，由于管理不當而造成的失效約占失效總數(shù)的70%。只有管理活動與技術活動緊密結合，才能順利完成任務。

二、失效分析技術的介紹

失效分析，英文全稱：Failure Analysis，簡稱：FA。它是指對已失效器件進行的一種事后檢查。即便是高可靠器件或是已經(jīng)長期穩(wěn)定供貨的產(chǎn)品，也會有偶發(fā)失效。這是由于器件與器件之間、批次與批次之間，存在質(zhì)量一致性的差異。這些差異可能來源于生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、微組裝操作的規(guī)范執(zhí)行程度、人員的更換、環(huán)境的波動、設備的異常，甚至來源于同種原材料的不同批次。差異是普遍存在且不可避免的，但是由差異而引發(fā)的質(zhì)量問題是可以避免的。通過建立良好的質(zhì)量體系，從人、機、料、法、環(huán)等方面，識別差異、管理差異、控制差異來確保產(chǎn)品的可靠性不受影響。

一旦產(chǎn)品偶發(fā)失效，失效分析（FA）環(huán)節(jié)便開始啟動，對失效模式、失效原因和失效機理進行定位，從人、機、料、法、環(huán)的角度，層層展開，逐一排查。這種基于質(zhì)量體系的失效分析（FA），往往需要建立故障分析樹或魚骨圖，以便更加有條理地進行失效分析（FA）。故障分析樹或魚骨圖的正確展開，首先要做的工作就是對失效現(xiàn)象進行正確的描述，而后才能排查引起這種失效現(xiàn)象可能的原因。依靠經(jīng)驗可以加快失效分析（FA）的進程，有助于快速定位問題的根源，但經(jīng)驗有時也會蒙蔽發(fā)現(xiàn)問題的眼睛，無法發(fā)現(xiàn)相近的失效現(xiàn)象背后的微小差別。這樣，同樣的質(zhì)量問題在下一個批次中還會發(fā)生，從而給人們帶來血淋淋的一教訓。失效分析（FA）的目的，是找到問題的本質(zhì)，確定失效模式和失效機理，提出有效的改進措施，提高成品率和可靠性。進一步，要做到舉一反三。

失效分析（FA）技術是電子封裝領域一種常用的分析手段。當器件完全喪失功能、功能衰退或失去可靠性與安全性時，需要通過失效分析（FA）來研究失效機理、失效模式，找到解決和預防措施。

有人提出，器件一旦失效，千萬不要敬而遠之，而是如獲至寶。這是因為，失效器件攜帶著寶貴的缺陷信息，這些缺陷信息是設計、制造過程中的矛盾、不適應、不合理問題的最直接反映。創(chuàng)根問底地研究這些缺陷信息，有利于了解封裝技術的本質(zhì)，也有利于學習封裝技術中力學、熱學、電氣學、材料學、機械學等基礎原理。

三、失效分析（FA）的表現(xiàn)層次

半導體器件的失效可以根據(jù)失效發(fā)生的階段劃分為三個層次：

1、設計芯片（裸片）層次

芯片層次的失效是目前出現(xiàn)概率最高的階段，因為現(xiàn)在芯片工藝與設計的復雜性，工藝偏差，設計不到位等多方面因素，都會造成芯片在制造、運輸?shù)冗^程中發(fā)生失效。

2、制程封裝層次

封裝過程中鍵合失效，打線過重，粘連失效，空洞過多等因素都會造成封裝層次上的失效，隨著現(xiàn)在封裝技術愈發(fā)先進，封裝過程中出現(xiàn)失效的風險也在上升。

3、客戶應用層次

下游客戶在芯片應用端造成的失效。諸如PCB板設計不合理、超出極限的應用場景等，這種情況在我前期分享的文章里就有詳細講解，這里就不再贅述了。

四、失效分析（FA）的主要內(nèi)容

失效分析的主要內(nèi)容包括：明確分析對象、確認失效模式、失效定位和機理分析、尋求失效原因、提出預防措施等。

1、明確分析對象

失效分析首先就要明確分析對象及失效發(fā)生時的背景，在對失效樣品進行具體的失效分析操作之前，需要詳細了解失效發(fā)生時的狀況，使用環(huán)境等，同時獲得該樣品的技術規(guī)范和性能指標，學習掌握其工作原理、材料、結構和工藝。

簡單來說就是要將芯片失效的“癥狀”記錄下來，諸如短路、開路、漏電、性能異常、功能異常、時好時壞等。很多失效原因其表現(xiàn)出的“癥狀”是相似的，例如漏電，物理損壞能造成漏電，隔離不到位也能造成漏電，Latch-up問題也會造成漏電。

2、確認失效模式

失效模式是器件失效的外在表現(xiàn)形式。開展失效分析的第一步就是對失效樣品的失效現(xiàn)象和模式進行確認，主要是外觀檢查和電學性能參數(shù)的測試分析，有時還需要開展應力試驗。確認在交付后的應用端發(fā)生失效，還是封裝后失效，亦或是裸片自身就有問題。三種不同層次對應不同的失效分析思路。

3、失效定位和機理分析

失效模式確認后，需要對失效發(fā)生的區(qū)域進行定位。如：正常功能測試中出現(xiàn)失效；高低溫測試出現(xiàn)失效；ATE出現(xiàn)失效；ESD失效，封裝造成失效。（如果測試工程師能嚴格遵守靜電防護要求進行測試和設計測試板，芯片在測試過程中面臨ESD/EOS的風險很低）。

具體就是定位到說明失效機理的層次和區(qū)域，如引線鍵和區(qū)域、芯片終端區(qū)域、有源區(qū)等等。顯微觀察和結構分析及物理性能探測是進行失效定位的重要手段。失效定位完成后，就要針對失效區(qū)域和失效形貌特征，從失效樣品的材料、結構、工藝出發(fā)，結合失效發(fā)生的背景信息對失效機理進行分析。

4、尋找失效原因

確定失效機理后，還需要進行失效原因分析。對于同一失效機理來說，導致失效發(fā)生的原因則不一定相同。只有確定失效發(fā)生的主要原因后，才能有針對性地預防和改進。

a.要對失效問題進行復現(xiàn)或追查，確認芯片失效原因，從而幫助推測失效原因。

b.對失效類型做出推斷，從而確定失效分析的方向。如果無法通過失效結果推斷出失效類型，那么只能根據(jù)后續(xù)的測試結果進行推斷。

5、提出預防和改進措施

確定失效原因后，對失效原因有大致推斷后就需要進行實驗去尋找數(shù)據(jù)支撐，如果推斷比較清晰的話實驗就比較好去定位。具體來說應該有針對性地預防和改進措施。這些措施可以從芯片設計、流片工藝、封裝過程等等各個環(huán)節(jié)。

6、總結改善措施

得出失效原因的結論后就需要制定相對應的改善措施，并記錄在冊。每一次的失效結論都是拿錢砸出來的經(jīng)驗教訓，也是產(chǎn)品公司必須要經(jīng)歷的過程。

五、失效分析（FA）技術常見分析方法

失效分析（FA）一般按照先非破壞性分析再破壞性分析的順序開展。這是因為一旦樣品被破壞，就難以還原了，一些可能被忽略掉的信息再也無法追回了。常見的失效分析方法 如下 ：

1、非破壞性分析

（1）目檢—OM（Optica Microscope）

利用高倍數(shù)顯微鏡對芯片或者封裝表面進行視覺檢測。觀察芯片表面沾污、裂紋、腐蝕，金屬外殼絕緣子裂紋，鍍層腐蝕、脫落，鍵合絲缺失、損傷、連接錯誤等。

（2）電測試

測試器件功能、參數(shù)等。

（3）X射線照相—X-Ray/ Computed Tomography (CT) X-Ray

利用X光和CT對芯片進行拍照從而得出內(nèi)部結構圖。如果需要得到更詳細的內(nèi)部結構，可以將樣品進行360°拍照，然后利用圖像處理技術構建出芯片的3D結構圖。X光和CT用于檢查鍵合金絲完整性，焊點與焊盤的焊接情況，密封區(qū)、粘片區(qū)的空洞問題。

（4）超聲掃描—SAT/SAM (Scanning AcousticTomography/Scanning Acoustic Microscopy)

SAT/SAM利用超聲波在不同介質(zhì)中的反射系數(shù)，得出封裝內(nèi)部的結構圖。通過檢測反射波來檢測封裝結構中的分層、空洞、裂紋等問題。且SAM的精度與分辨率是強于SAT的。

（5）密封

通過粗檢漏、細檢漏判斷器件氣密性和漏率。

（6）粒子（顆粒）碰撞噪聲檢測（PIND）

通過顆粒噪聲檢測器件內(nèi)是否存在可動多余物。

（7）內(nèi)部氣氛檢測

測量密封器件內(nèi)部水汽、氧氣、二氧化碳等內(nèi)部氣氛的種類及含量。

2、破壞性分析

（1）開蓋—Decapsulation

大部分封裝所造成失效都能通過上述的非破壞性分析手段檢測出來，但是如果需要對芯片進行檢測就得去封裝（開蓋）。目前Decapsulation的手段有兩種，即：化學法（利用硫酸和硝酸去腐蝕開蓋）和 激光法（利用激光將封裝熔解）。

（2）電氣故障—EFA （Electrical Failture Analysis ）

a、Electrical Testing

利用探針臺+半導體分析儀+電學測試設備，利用探針對芯片內(nèi)部進行采樣和施加激勵，直接對電路模塊進行電學特性分析。這是最普遍的電學失效分析手段，不過探針的扎針落點有很多限制，有時得配合FIB和金屬去層才能對指定的模塊進行電學性能測量。

b、Photo Emission Microscope (EMMI InGaAs OBIRCH)

其中關于EMMI的部分在之前有分享過，傳統(tǒng)EMMI的探頭為CCD，而InGaAs是EMMI的一種探頭，兩者的接收波段有區(qū)別，且InGaAs更加快速與靈敏。

OBIRCH是利用紅外激光照射局部位置引起熱梯度造成局部電阻變化，從而觀察到電流變化。阻抗異常其電流變化會與其它地方不同，從而定位失效點。EMMI InGaAs OBIRCH是三種應用非常廣泛的FA手段，其結果不如SEM， X-Ray等技術直觀，且依賴偏置條件，但是能快速定位失效點，其應用場景遠比SEM等廣泛，是主流的失效分析手段之一。日后筆者會總結EMMI的分析心得，進行EMMI前最好先對失效點及失效原因有個推斷，然后給予適當?shù)钠脳l件。

（3）PFA （Physical Failure Analysis）

物理失效分析就需要對芯片進行一些物理處理，其中最主要的處理方式一個是縱刨，一個是金屬去層?？v刨的樣品制備包括清洗、安裝然后將樣品放入聚酯或環(huán)氧樹脂中。

去層工藝使用化學溶液/氣體蝕刻和機械拋光來緩慢、精確地去除芯片上的每一層金屬。

（4）聚焦離子束—FIB (Focus Ion Beam)

因為FIB聚焦離子束是一種基于高能離子束的微納加工與分析技術，核心是通過液態(tài)金屬離子源（多為鎵Ga+）產(chǎn)生聚焦離子束，對材料進行納米級操控，廣泛應用于半導體、材料科學、納米技術等領域。同時，F(xiàn)IB聚焦離子束加工分析技術也是微納尺度下的“精準操控工具”，兼具加工與分析能力，是現(xiàn)代半導體、材料科學的核心技術之一，所以由于它是IC設計公司最常用的失效分析手段之一，這里就不贅述了。

（5）掃描電子顯微鏡—SEM（Scanning Electron Microscope ）

SEM也是常用手段之一，因為其放大倍數(shù)很大，所以利用其他手段確認失效點后便可利用SEM進行直觀觀察，從而確認失效原因。SEM可以對表面進行觀察，也可配合縱刨技術對截面進行觀察。

（6）掃描電容顯微鏡—SCM（Scannin Capacitance Microscope）

掃描電容顯微鏡，這種顯微鏡主要是利用探針對半導體器件施加信號，然后測量C-V曲線，從而確定半導體器件的摻雜類型。

而類似AFM、TEM、EDX、XPS、XRD等微觀物相測量手段，一般是Fab進行更深層次的失效分析時才會用到，Design House一般不需要介入如此深的物相表征。

（7）紅外成像

通過紅外成像，觀察芯片表面熱點位置，判斷是否存在擊穿、短路等問題。

六、失效分析（FA）技術基礎知識培訓

以下就是本章節(jié)要跟大家分享的關于失效分析（FA）技術基礎知識的培訓，如有遺漏或是不足之處，希望大家多多包涵，內(nèi)容如下：

http://weixin.qq.com/r/QhAjO9TE64mUrZBY90VQ (二維碼自動識別)

因為本PPT章節(jié)太多，剩下部分如有朋友有需要，可私信我邀請您加入我“知識星球”免費下載PDF版本。注意：此資料只可供自己學習，不可傳閱，平臺有下載記錄，切記！歡迎加入后一起交流學習。

七、失效分析（FA）的技術手段

因為失效分析（FA）的工作就是采用各種測試和分析技術，結合失效分析（FA）技術人員的專業(yè)背景和工程經(jīng)驗，通過一定的分析程序，對失效進行分析、推理和判斷的過程，所以相關的分析技術手段還是挺多，比較常見的如下：

1、失效分析的電氣測試技術

主要是對用于失效現(xiàn)象、失效模式進行確認，以及在失效激發(fā)及驗證試驗前后的電性能測試。通過測試可以進行失效的電學定位，縮小物理分析過程和區(qū)域，而利用光、熱、磁場等進行的物理性能探測也需要電測技術的配合；

2、顯微形貌分析技術

這是對功率器件的進行外觀和內(nèi)部檢查的技術，是進行失效定位和機理分析的最基本和最重要的手段。因功率芯片在微觀結構達到微米甚至納米級別，所以除了光學顯微鏡還包括掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM等電子顯微分析技術和手段。

3、顯微結構分析技術

是指以X射線顯微透視、掃描聲學顯微（SAM）探測等為代表的無損顯微結構探測技術?？梢栽诓黄茐氖悠返那闆r下獲得器件或模塊的內(nèi)部結構，探測其可能存在的缺陷，如空洞、斷線、界面分層、材料裂紋等。

4、物理探測技術

失效定位是決定失效分析是否成功的關鍵，很多時候僅通過電測或顯微形貌和結構觀察無法進行準確的失效定位。因器件內(nèi)部失效區(qū)域和缺陷點在應力或粒子激發(fā)的條件下可能會出現(xiàn)異常的電壓、發(fā)光、發(fā)熱等現(xiàn)象，因此采用探測器件內(nèi)部的電、光、熱等物理性能的方法就可以進行失效定位，具體的技術包括電子束測試EBT、微光探測、顯微紅外熱成像、顯微磁感應技術等。

5、微區(qū)成分分析技術

器件發(fā)生成分變化也會發(fā)生失效，多余的雜質(zhì)玷污也可能是造成失效的原因。因器件的微觀結構和微量成分的特點，這種成分分析技術必須是微區(qū)和微量。具體有能量散射譜儀EDS、俄歇電子譜法AES、二次離子質(zhì)譜法SIMS、X射線光電子譜法XPS、傅里葉紅外光譜法FT-IR、內(nèi)部氣氛分析法IVA等。

6、應力試驗技術

器件失效均與應力有關，這些應力包括溫度、濕度、電壓、電流、功率、機械振動、機械沖擊、恒定加速度、熱沖擊和溫度循環(huán)等。因此，在失效分析時，有時就需要開展一些應力試驗來激發(fā)失效、復現(xiàn)失效模式或觀察在應力條件下失效的變化趨勢，從而有助于分析失效機理、確定失效原因。

7、解剖制樣技術

因功率芯片或模塊的封裝材料和鍵合線的不透明性，對于大部分失效分析技術問題，必須采用解剖制樣技術，實現(xiàn)芯片表面和內(nèi)部的可觀察性和可探測性。例如開封技術、半導體芯片表面去鈍化層和去層間介質(zhì)層技術、機械剖面制備技術和染色技術。而對于開展TEM分析來說，還需要采用聚焦離子束FIB進行微米甚至納米尺度的切割和制樣。

八、失效分析（FA）技術的發(fā)展

隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)水平的提高，失效分析技術在國內(nèi)越來越受到重視，目前我國各行業(yè)的材料工藝及綜合性研究所（如中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空工業(yè)綜合所，航天材料及工藝研究所，電子五所等）；高等院校（如華南理工大學，北京航空航天大學等）的材料學院；各材料工業(yè)部及科學院所屬的研究機構（鋼鐵研究總院，有色金屬總院，中科院金屬所等）以及一些大型企業(yè)內(nèi)部研究單位和中心實驗室，均有能力從事一定程度的失效分析工作?？傊覈氖Х治霭l(fā)展的最大特點就是行業(yè)特征明顯，各大失效分析研究機構較多分布于各行業(yè)內(nèi)部。

1、航空工業(yè)綜合所在失效分析工作方面具有較強的專業(yè)實力。首先，作為一家綜合性研究所，通常以第三方身份參與航空裝備相關的失效分析工作。其次，航空工業(yè)綜合所具有較強的綜合研究力量，基礎研究、應用研究多學科交叉，能夠為失效分析工作遇到的多種類學科問題提供堅實的專業(yè)支撐。

2、電子元器件失效分析作為可靠性物理的核心內(nèi)容，在可靠性工程應用中起重要的支撐作用，但失效分析工作對元器件和整機系統(tǒng)來說，作用有所不同。

對元器件生產(chǎn)廠家來說，失效分析的最終目標是提交合格的產(chǎn)品，保證和改進元器件本身的可靠性，滿足工程應用需求，并提高競爭力。其析出失效的環(huán)節(jié)是產(chǎn)品的全壽命周期，包括初樣試驗、原材料選擇、工藝鑒定、生產(chǎn)過程檢驗、篩選試驗、鑒定檢驗試驗、質(zhì)量一致性檢驗及用戶的試驗和現(xiàn)場使用等，而失效分析的目的也是確定失效與其中哪些環(huán)節(jié)相關，為改進提供依據(jù)。

九、寫在最后的話

鑒于失效分析的重要作用，應將這項工作貫穿于電子元器件設計、研制、生產(chǎn)、試驗和使用全過程，這些技術過程中需要進行失效分析才能得以完成或完善。最簡單的道理就是：因為可靠性是以不斷地與失效做斗爭才能得以維持或提高的，如果對失效的本質(zhì)不了解，就不能做到知己知彼，就難以獲得取勝的條件。

總之，失效分析（FA）技術是連接失效現(xiàn)象與根本原因的關鍵技術，尤其在硅基新能源、半導體等領域，通過系統(tǒng)性分析可解決“材料/器件為何失效”的核心問題，為產(chǎn)品優(yōu)化提供依據(jù)。如需具體案例分析（如電池或器件失效），可進一步結合材料表征與電學測試數(shù)據(jù)深入溯源。

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