9、半导体测试与失效分析技术研究

半导体测试与失效分析技术研究

在半导体行业中，失效分析是确保产品质量和可靠性的关键环节。而其中的截面分析、光晶体管增益降低问题以及焊点热疲劳测试等技术，对于解决实际生产中的问题具有重要意义。下面将详细介绍这些技术的相关内容。

1. 可旋转样品块的截面分析技术

截面分析一直是半导体行业失效分析的重要工具，它能让我们深入了解样品的深度相关特征。传统的截面分析方法存在耗时的问题，尤其是对于硅 - 蓝宝石芯片，而可旋转样品块的设计则有效解决了这一难题。

1.1 传统截面分析步骤

传统的截面分析通常包括三个基本步骤：物理安装、粗磨和最终抛光。
- 物理安装 ：
1. 加热样品架。
2. 在加热的样品架上放置一小块蜡。
3. 将待截面的半导体芯片在热的样品架上对齐。
4. 用样品架螺丝将样品架固定到黄铜截面块上。
5. 让蜡在样品架上冷却。
- 粗磨 ：将黄铜样品块放在合适介质的砂轮上，选择所需的速度。通常使用 600 目或更细的砂纸进行粗磨，一般以 90 度角对芯片表面进行粗磨，目的是快速去除样品材料，接近感兴趣的区域。
- 最终抛光 ：使用玻璃抛光轮去除剩余材料，直至达到所需的截面区域，同时尽量减小截面表面的粗糙度。这一步通常也以 90 度角对芯片表面进行，会对整个截面边缘进行抛光，所需时间取决于多种因素，如样品的基板成分、厚度和宽度等。

对于硅 - 蓝宝石（SOS）芯片，由于蓝宝石基板比硅硬很多，甚至比用于抛光的玻璃轮还硬，而 SOS 截面分析的关键信息位于蓝宝石表面的硅层，因此只需对芯片的硅部分进行截面分析。传统的“90 度研磨和 90 度抛光”方法可能需要 30 分钟到数小时不等。

1.2 倾斜截面分析

倾斜截面分析并不是一个新概念，其原理是去除芯片感兴趣部分下方的一些底层基板，从而减少需要抛光的厚度，显著缩短抛光步骤。采用 65 度研磨后再进行 90 度抛光的方法能取得很好的效果，最终抛光时间最多只需几分钟。这种方法的优势在于只需对基板的一小部分进行 90 度抛光。

然而，倾斜样品架存在一些不便之处。在金相显微镜下对截面进行定期目视检查时，需要 90 度的入射角才能使光线通过显微镜的光学系统正确反射，这就需要将安装好的 65 度样品在显微镜载物台上倾斜，会导致镜片间隙问题以及难以将感兴趣区域保持在视野内的稳定性问题。此外，将样品从 65 度重新安装到 90 度也需要花费时间。

1.3 可旋转样品架块

为了减少重新安装时间并消除显微镜观察问题，设计了一种带有内置枢轴轴的可旋转样品架块。它可以连接到标准黄铜样品架上，有两个对应 65 度和 90 度位置的键控“定位”孔。通过按下角度转换器的“推”针并将样品架旋转到所需角度，就可以选择相应的角度。样品架通过弹簧张力和定位销固定在任一角度。

此外，该样品架块还增加了一个水平校正机构，用于微调样品的倾斜角度，以调整截面的接近角度到感兴趣的位置。

使用这种可旋转样品架块，粗磨在 65 度角下进行，通常使用 600 目砂纸，直到截面距离所需位置 5 - 10 微米。此时，可在正常的 90 度下使用玻璃轮或 0.04 微米的抛光盘进行精细抛光，这一步通常不超过 5 分钟。如果需要更长时间，可以轻松将样品旋转到 65 度位置进行进一步的粗磨。

这种改进将平均截面分析时间减少了 50 - 75%，特别是对于硅 - 蓝宝石样品，效果显著。例如，对于一个特定的硅芯片，90 度研磨后用玻璃轮抛光 5 微米需要 20 分钟，平均每分钟 0.25 微米；而 65 度研磨后，5 分钟可以抛光 20 微米，平均每分钟 4 微米。

以下是传统截面分析和可旋转样品块截面分析的对比表格：
|分析方法|物理安装耗时|粗磨耗时|最终抛光耗时|总耗时|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|传统截面分析|较长|较长|长|长|
|可旋转样品块截面分析|短|短|短|短|

mermaid 流程图展示可旋转样品块截面分析步骤：

graph LR
    A[物理安装] --> B[65 度粗磨]
    B --> C{是否接近目标区域}
    C -- 是 --> D[90 度精细抛光]
    C -- 否 --> B

2. 金属化掩模未对准导致硅光电晶体管增益降低问题

一批用于机载系统的 NPN 硅平面光电晶体管因响应率低而被拒收。这些晶体管采用密封猪尾金属封装，金属罐顶部装有半球形透镜，罐壁连接发射极，猪尾柱连接集电极。

2.1 初步分析

最初，根据用户反馈，在猪尾弯曲后出现故障，因此首先对封装结构、芯片附着完整性以及光电参数与入射辐射光束几何形状的相关性进行了更深入的研究，但未发现好的和有缺陷的器件之间存在显著差异。

2.2 实验过程

• 外部目视检查 ：在封装层面未观察到异常，透镜和密封玻璃完好，集电极柱对齐正确。
• 初始电气测试 ：击穿电压和泄漏电流在规格范围内，但有缺陷的器件响应率较低，在规定的光电条件下，集电极电流的平均值约为规定值的三分之一。
• 高温存储测试 ：将两个有缺陷的器件和一个好的器件在 250°C 下存储 16 小时，未观察到光电特性的变化。
• 打开封装测试 ：用砂纸研磨透镜打开封装后，击穿电压和泄漏电流保持不变。打开封装后的功能测试显示，好的和有缺陷的器件集电极电流平均值都有所提高，但有缺陷的器件响应率仍然较低。
• 内部目视检查 ：发现有缺陷的器件发射极金属化系统未对准，部分发射极扩散边界未被金属化覆盖，而好的器件发射极金属化与发射极扩散边界系统对齐。
• 电气参数测试 ：通过在连接到晶体管基极的内部金属垫上放置微探针进行纯电气参数测量，未发现好的和有缺陷的晶体管之间存在显著差异。
• 去除钝化层和抗反射涂层测试 ：通过选择性湿法蚀刻去除有缺陷和好的器件的氮化物钝化层和抗反射涂层，电气特性和故障模式保持不变。
• 电子束感应电流（EBIC）成像检查 ：EBIC 成像显示，有缺陷的器件部分发射极扩散未被发射极金属化覆盖，而好的器件发射极扩散完全被金属化覆盖，且在两个器件的有源区域均未观察到晶体缺陷。

2.3 问题原因

金属化掩模未对准导致发射极 - 基极结部分暴露，部分发射极扩散暴露于入射辐射会在发射极 - 基极结中产生感应光电流，该电流与基极 - 集电极结中感应的光电流方向相反。基极 - 发射极结中的额外光电流会降低发射极 - 基极的正向极化，从而导致光电晶体管的响应率降低。

以下是实验过程的列表总结：
1. 外部目视检查
2. 初始电气测试
3. 高温存储测试
4. 打开封装测试
5. 内部目视检查
6. 电气参数测试
7. 去除钝化层和抗反射涂层测试
8. EBIC 成像检查

mermaid 流程图展示故障分析过程：

graph LR
    A[发现响应率低故障] --> B[初步分析]
    B --> C[实验过程]
    C --> D{是否找到原因}
    D -- 否 --> C
    D -- 是 --> E[确定金属化掩模未对准原因]

3. 空间用焊点热疲劳测试方法研究

在空间应用中，电子设备面临各种热条件，焊点承受着较大的热应力。为了确保航天器电子硬件的可靠性，需要对焊点的热疲劳寿命进行评估。

3.1 测试背景

在太空中，卫星暴露在阳光下时温度常超过 100°C，电子设备的焊点受到高温、低温和热循环的影响。随着电子设备小型化和轻量化的发展，焊点的热应力不断增加，因此研究焊点的热疲劳寿命评估方法至关重要。

日本国家宇宙开发机构（NASDA）采用两种规范作为空间用设备焊接的可靠性评估测试方法：
- NASDA - STD - 3A ：作为通孔型器件的耐热评估测试，进行 200 次热循环测试，测试温度为 - 55°C（低温）到 100°C（高温），温度梯度小于 5°C/分钟，通过裂纹水平判断焊点寿命。
- 标准计划 ：作为表面贴装器件的耐热评估测试，进行 1000 次热冲击测试，停留时间为 15 分钟，转移时间小于 5 分钟，停留时间为 30 分钟，同样通过裂纹水平判断焊点寿命。

3.2 实验条件

将用于空间的表面贴装器件用 63Sn - 37Pb 焊料回流焊接到玻璃环氧印刷电路板上。实验使用了陶瓷芯片电容器、陶瓷芯片电阻器和陶瓷电阻器阵列等器件，对它们进行热循环测试和热冲击测试，测试条件如下表所示：
|测试方法|条件 1|条件 2|条件 3|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|热循环测试（TIC）|- 30°C 到 100°C，1000 次循环|- 55°C 到 100°C，1000 次循环|- 55°C 到 125°C，1000 次循环|
|热冲击测试（TIS）|- 30°C 到 100°C，1000 次循环|- 55°C 到 100°C，1000 次循环|- 55°C 到 125°C，1000 次循环|

3.3 实验结果

• 陶瓷芯片电容器 ：热冲击测试在低循环时的裂纹水平似乎高于热循环测试，热循环测试中裂纹出现较晚，但二次裂纹进展迅速。在宽温度范围内，两种测试方法的热疲劳寿命几乎相等，但在窄温度范围内差异较大。这可能是因为陶瓷芯片电容器的电极材料为 Ag - Pb，且没有镍阻挡层，高温环境下银会扩散，而热循环测试的周期时间长，总高温暴露时间长，银扩散会抑制晶粒生长。
• 陶瓷芯片电阻器和芯片电阻器阵列 ：热冲击测试的裂纹水平比热循环测试更严重，但裂纹出现时间相似，两种测试方法的热疲劳寿命也相似。

通过比较不同测试条件下的热疲劳寿命，发现条件 3（T/S）是比条件 2（T/C）更严格的测试方法，可以减少测试时间。同时，实验还表明，最低温度不宜过低，停留时间会影响焊点的退化。

以下是不同器件在不同测试条件下的疲劳寿命和裂纹出现时间总结表格：
|器件|测试条件|热冲击测试（TIS）寿命|热循环测试（TIC）寿命|热冲击测试（TIS）裂纹出现时间|热循环测试（TIC）裂纹出现时间|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|CDS56|条件 1|1019|1112|230|500|
|CDS56|条件 2|1155|1833|207|500|
|CDS56|条件 3|1260| - |500| - |
|GR250|条件 1|1054|1080|208|500|
|GR250|条件 2|1043|1235|378|500|
|GR250|条件 3|1000| - |500| - |
|RMS15|条件 1|889|1175|183|202|
|RMS15|条件 2|1162|1260|473|468|
|RMS15|条件 3|1387|1539|437|500|
|RZCS16|条件 1|924|1000|400|500|
|RZCS16|条件 2|1522|1776| - |500|
|RZCS16|条件 3|1355|1640|460|462|

mermaid 流程图展示热疲劳测试过程：

graph LR
    A[准备样品] --> B[选择测试条件]
    B --> C[进行热循环测试或热冲击测试]
    C --> D[观察裂纹水平]
    D --> E{是否达到寿命标准}
    E -- 否 --> C
    E -- 是 --> F[记录疲劳寿命和裂纹出现时间]

综上所述，这些半导体测试与失效分析技术对于提高半导体产品的质量和可靠性具有重要意义。可旋转样品块的截面分析技术提高了截面分析的效率；金属化掩模未对准问题的研究有助于解决光电晶体管响应率低的故障；空间用焊点热疲劳测试方法的研究为确保航天器电子硬件的可靠性提供了依据。在实际应用中，我们应根据具体情况选择合适的测试方法和技术，以提高产品的性能和稳定性。

半导体测试与失效分析技术研究

4. 不同测试方法对焊点热疲劳寿命评估的影响深入探讨

在前面已经了解了空间用焊点热疲劳测试的基本情况，接下来进一步深入探讨不同测试方法对焊点热疲劳寿命评估的具体影响。

4.1 温度范围对热疲劳寿命的影响

为了研究温度范围对焊点热疲劳寿命的影响，进行了一系列对比实验。实验中固定了部分参数，改变最大和最小温度来观察热疲劳寿命的变化。具体实验条件如下表所示：
|测试名称|最大温度（°C）|最小温度（°C）|温度范围（°C）|停留时间（分钟）|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|最大温度固定|100|-55|155|5|
|最大温度固定|100|-30|130|5|
|最大温度固定|100|-10|110|5|
|最小温度固定|120|-30|150|5|
|最小温度固定|100|-30|130|5|
|最小温度固定|80|-30|110|5|

从实验结果来看，塑料应变幅度似乎与温度范围成正比。当最大温度较高时，疲劳寿命会缩短。然而，当最小温度大幅降低时，疲劳寿命并不与温度范围成正比。这是因为在低温下，焊料材料的屈服应力增加，导致塑料应变幅度减小。例如，在某些实验中，将最小温度从 -30°C 降低到 -55°C 时，疲劳寿命并没有随着温度范围的增大而显著缩短。这表明在分析疲劳寿命时，必须考虑焊料材料的温度依赖性，如屈服应力和杨氏模量等因素。

4.2 停留时间对热疲劳寿命的影响

除了温度范围，停留时间也是影响焊点热疲劳寿命的重要因素。通过改变停留时间进行实验，具体实验条件如下：
|测试名称|最大温度（°C）|最小温度（°C）|温度范围（°C）|停留时间（分钟）|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|变化停留时间|100|-30|130|5|
|变化停留时间|100|-30|130|10|
|变化停留时间|100|-30|130|15|

实验结果表明，焊点的疲劳寿命与停留时间存在一定的关联。随着停留时间的增加，焊点的疲劳寿命呈现出一定的变化规律。具体来说，焊点的疲劳寿命与停留时间的关系可以近似表示为 (N_f \propto t^{0.28})（其中 (N_f) 为疲劳寿命，(t) 为停留时间，单位为分钟）。这说明停留时间越长，焊点受到的蠕变变形越大，从而导致疲劳寿命缩短。例如，当停留时间从 5 分钟增加到 15 分钟时，焊点的疲劳寿命明显降低。

以下是温度范围和停留时间对热疲劳寿命影响的总结表格：
|影响因素|对热疲劳寿命的影响|
| ---- | ---- |
|温度范围|一般情况下，温度范围增大，疲劳寿命缩短，但低温时屈服应力影响使关系复杂|
|停留时间|停留时间增加，焊点蠕变变形增大，疲劳寿命缩短|

mermaid 流程图展示温度范围和停留时间实验过程：

graph LR
    A[确定实验参数] --> B{改变温度范围或停留时间}
    B -- 温度范围 --> C[进行热疲劳测试 - 温度范围实验]
    B -- 停留时间 --> D[进行热疲劳测试 - 停留时间实验]
    C --> E[记录疲劳寿命数据]
    D --> E
    E --> F[分析数据得出结论]

5. 半导体失效分析技术的综合应用与优化建议

在实际的半导体生产和研发过程中，需要综合应用上述各种失效分析技术，并根据具体情况进行优化。

5.1 综合应用策略

• 截面分析与其他技术结合 ：在对半导体芯片进行失效分析时，可以先使用可旋转样品块的截面分析技术快速获取芯片内部的结构信息。然后结合电子束感应电流（EBIC）成像等技术，进一步分析芯片内部的电学特性，确定是否存在晶体缺陷或金属化掩模未对准等问题。例如，在分析硅光电晶体管增益降低问题时，先通过截面分析观察芯片的结构，再用 EBIC 成像确定发射极扩散是否被金属化覆盖。
• 热疲劳测试与材料研究结合 ：在进行空间用焊点热疲劳测试时，可以结合对焊料材料的研究。了解焊料材料的成分、性能以及在不同温度和应力条件下的变化规律，有助于更准确地评估焊点的热疲劳寿命。例如，对于陶瓷芯片电容器，由于其电极材料为 Ag - Pb 且无镍阻挡层，在高温下银会扩散，这会影响焊点的热疲劳性能。通过对材料的研究，可以采取相应的措施来改善焊点的可靠性。

5.2 优化建议

• 截面分析技术优化 ：不断改进可旋转样品块的设计，提高其精度和稳定性。同时，开发更高效的研磨和抛光材料，进一步缩短截面分析的时间。例如，可以研究新型的砂纸和抛光盘材料，提高研磨和抛光的效率。
• 失效分析流程优化 ：建立一套标准化的失效分析流程，确保在遇到问题时能够快速、准确地进行分析。流程中应包括详细的测试步骤、数据分析方法和决策依据。例如，在分析光电晶体管响应率低的问题时，按照一定的顺序进行外部目视检查、电气测试、内部目视检查等步骤，避免盲目测试，提高分析效率。

以下是综合应用策略和优化建议的列表总结：
1. 综合应用策略：
- 截面分析与其他技术结合
- 热疲劳测试与材料研究结合
2. 优化建议：
- 截面分析技术优化
- 失效分析流程优化

mermaid 流程图展示半导体失效分析综合应用流程：

graph LR
    A[发现半导体失效问题] --> B[选择分析技术组合]
    B --> C[进行各项分析测试]
    C --> D[分析测试数据]
    D --> E{是否找到原因}
    E -- 否 --> C
    E -- 是 --> F[提出解决方案和优化建议]

6. 半导体失效分析技术的未来发展趋势

随着半导体技术的不断发展，失效分析技术也将面临新的挑战和机遇，未来可能会朝着以下几个方向发展。

6.1 高精度和高分辨率分析技术

随着半导体器件的尺寸不断缩小，对失效分析技术的精度和分辨率要求越来越高。未来可能会出现更先进的显微镜技术、成像技术和分析方法，能够更准确地检测和定位微小的缺陷。例如，发展更高分辨率的电子显微镜和原子力显微镜，以及更灵敏的光谱分析技术，能够检测到纳米级别的缺陷和杂质。

6.2 智能化和自动化分析系统

为了提高分析效率和准确性，未来的失效分析系统将朝着智能化和自动化的方向发展。利用人工智能和机器学习算法，对大量的测试数据进行分析和处理，自动识别缺陷类型和原因，并提供相应的解决方案。例如，开发智能分析软件，能够自动分析 EBIC 图像和电气测试数据，快速判断是否存在金属化掩模未对准等问题。

6.3 多物理场耦合分析技术

半导体器件在实际工作中会受到多种物理场的作用，如热场、电场、磁场等。未来的失效分析技术将考虑多物理场的耦合作用，更全面地分析器件的失效原因。例如，研究热 - 电 - 机械多物理场耦合下焊点的热疲劳性能，以及光电晶体管在不同光照和电场条件下的响应特性。

以下是半导体失效分析技术未来发展趋势的表格总结：
|发展趋势|特点|
| ---- | ---- |
|高精度和高分辨率分析技术|检测微小缺陷，提高精度和分辨率|
|智能化和自动化分析系统|利用人工智能处理数据，自动识别问题|
|多物理场耦合分析技术|考虑多种物理场作用，全面分析失效原因|

mermaid 流程图展示半导体失效分析技术未来发展方向：

graph LR
    A[当前失效分析技术] --> B{发展方向}
    B -- 高精度高分辨率 --> C[开发先进显微镜和分析方法]
    B -- 智能化自动化 --> D[应用人工智能和机器学习]
    B -- 多物理场耦合 --> E[研究多物理场作用机制]
    C --> F[实现高精度分析]
    D --> F
    E --> F

综上所述，半导体测试与失效分析技术在不断发展和完善。通过深入研究各种失效分析技术，如可旋转样品块的截面分析、金属化掩模未对准问题分析和空间用焊点热疲劳测试等，并结合未来的发展趋势，我们能够更好地应对半导体生产和研发中的各种问题，提高半导体产品的质量和可靠性，推动半导体行业的持续发展。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的技术和方法，并不断探索和创新，以适应半导体技术的快速发展。