一、什么是芯片FA分析？

芯片FA 是 芯片故障分析 的缩写。它是一门涉及电子、物理、化学和材料科学的交叉学科，其核心任务是：

当芯片失效（如功能异常、参数漂移、短路、开路等）时，利用一系列先进的物理和化学技术手段，像“法医”一样，逐层解剖芯片，定位故障点，查明失效的根本原因（Root Cause），并确定其物理失效机理（Failure Mechanism）。

• 目标不是 简单地判断芯片“好”或“坏”，而是回答 “为什么坏？” 和 “怎么坏的？”。

• 最终目的 是反馈给设计、制造、封装或应用环节，从而解决问题，提升产品良率、可靠性和质量。

二、为什么需要进行FA分析？

FA是芯片产业中不可或缺的一环，其主要驱动力包括：

1. 研发阶段：

   • 新产品失效分析： 验证新设计、新工艺的可靠性，发现并修正设计缺陷或工艺弱点。

   • 可靠性测试失败分析： 对HVS（高压应力）、HTOL（高温工作寿命）、EM（电迁移）等可靠性测试中失败的样品进行分析，评估产品寿命和失效模式。

2. 生产制造阶段：

   • 提升良率： 对在线测试或晶圆测试中失效的芯片进行分析，找出制造工艺中的问题（如光刻异常、刻蚀残留、薄膜缺陷等），是提升生产线良率的关键。

   • 质量控制： 监控工艺稳定性，及时发现异常。

3. 客户应用阶段：

   • 客户退货分析： 分析客户在使用过程中失效的芯片，厘清责任（是芯片本身问题，还是应用不当？），并提供改进方案，维护客户关系。

   • 现场失效分析： 对已在市场上出现问题的产品进行紧急分析，防止事态扩大。

4. 竞争性分析和知识产权：

   • 反向工程： 分析竞争对手的产品，了解其设计思路、工艺水平和技术特点。

   • 专利侵权验证： 为知识产权诉讼提供证据。

三、FA分析的核心流程与“法则”

FA分析通常遵循一个标准的、非破坏性优先的流程，可以概括为以下步骤：

第一步：信息收集与非破坏性分析

这是FA成功的基础，旨在不破坏样品的前提下获取尽可能多的信息。

1. 信息收集： 详细了解失效背景，包括芯片型号、批次、失效现象、测试条件、应用环境等。

2. 电性验证：

   • 使用精密测量仪器复现失效现象。

   • 定位故障电路模块（如电源短路、某个IO失效、某个存储单元错误等）。

3. 外观检查：

   • 光学显微镜检查： 观察芯片封装表面是否有裂纹、烧毁、腐蚀、引脚损坏等。

   • X-Ray检查： 透视封装内部，检查引线键合、焊球、芯片贴装等是否存在异常（如键合线断裂、脱落、空洞）。

4. 非接触式检测：

   • 红外热成像： 快速定位芯片表面的热点（短路点通常会产生局部高温）。

   • 发射显微镜： 利用光子发射定位缺陷，对于栅氧泄漏、PN结击穿、 latch-up等故障非常有效。

   • OBIRCH： 利用激光束扫描芯片，通过检测电阻变化引起的热效应，精确定位金属连线、通孔中的短路或高阻点。这是定位金属层缺陷的利器。

第二步：破坏性样品制备

当非破坏性分析无法定位到具体故障点时，需要进行破坏性分析。

1. 开封：

   • 湿法腐蚀： 使用强酸（如发烟硝酸）溶解塑料封装料。

   • 等离子刻蚀： 用于更精确、更干净地去除封装料，特别是对敏感器件。

2. 去层：

   • 使用化学试剂或等离子体，从芯片最上层的钝化层开始，逐层去除金属互连层，暴露出下层金属或多晶硅、晶体管。

   • 这个过程需要极高的精度和控制，以免损坏需要观察的结构。

第三步：精确定位与物理形貌分析

这是找到“犯罪现场”的关键一步。

1. SEM： 提供高分辨率、大景深的二次电子图像，用于观察缺陷的微观形貌（如金属线断裂、通孔缺失、形貌异常等）。

2. FIB： FA实验室的“超级工具”。

   • 截面分析： 可以进行纳米级的精确定位切割，制备出缺陷的横截面样品，用于观察纵向结构（如接触孔底部的状况、栅氧厚度等）。

   • 电路修改： 可以切断或连接金属线，用于功能调试或隔离故障。

   • 透射电镜样品制备： 提取超薄样品，用于后续的TEM分析。

第四步：材料与结构分析

在找到缺陷点后，需要分析其成分和晶体结构，以确定失效机理。

1. EDS： 通常与SEM联用，通过分析特征X射线来定性、半定量地分析缺陷点的元素成分。（例如，分析腐蚀残留物、迁移金属的成分）。

2. TEM： 提供原子级分辨率，可以直观地观察栅氧层的晶格结构、界面状态、位错等，是分析超微细缺陷的终极手段。

3. 其他技术： 如XPS（分析元素化学价态）、SIMS（分析极微量杂质）等，用于更深入的材料分析。

第五步：结论与报告

综合所有分析数据，给出最终结论：

• 失效现象： 芯片表现出什么故障？

• 失效位置： 故障的物理位置在哪里？（如Metal 3与Metal 4之间的Via短路）

• 失效机理： 物理上是什么原因导致的？（如电迁移导致金属线开路、FIB诱导的损伤、栅氧击穿等）

• 根本原因： 深层次的原因是什么？（如工艺配方不当、设计规则违反、材料污染、应用过应力等）

• 改进建议： 提出具体的纠正和预防措施。

四、常见的失效机理与对应FA手段

总结

芯片FA分析是一个系统性的“侦探破案”过程，它结合了：

• 严谨的逻辑思维： 从现象到本质的推理。

• 先进的仪器平台： 从宏观到微观，从表面到内部的观察与分析能力。

• 深厚的专业知识： 对半导体物理、工艺、设计和材料的深刻理解。