22、半导体失效分析：挑战与解决方案

半导体失效分析：挑战与解决方案

在当今竞争激烈的半导体市场中，失效分析（FA）作为提升产品质量和可靠性的关键手段，正发挥着越来越重要的作用。本文将深入探讨失效分析的多个方面，包括其业务考量、面临的挑战以及相应的解决方案。

失效分析的业务视角

如今，越来越多的公司将提高质量目标作为开展业务的必要条件。客户期望产品没有应用问题、质量问题和测试遗漏。供应商与客户之间的合作对于早期发现问题和预防质量事故至关重要，而及时且有价值的失效分析则是这一过程的重要信息来源。

然而，目前存在一些问题。例如，微处理器失效分析的周转时间通常显著超过30天，且根本原因识别率较低。此外，为了建立可追溯的供应商绩效记录，目标和测量指标往往被简化为仅考虑失效分析报告的周转时间，而忽略了报告的质量和信息的有用性。

为了更有效地利用失效分析实验室和分析实验室等关键且昂贵的资源，测量指标应综合考虑多个因素，如设备的各种属性、失效的性质以及相对分析工作量。例如，分析周转时间与设备复杂度（以门的数量衡量）之间存在明确的相关性，同时也与分析步骤的数量、所需设备的类型和复杂程度有关。

失效分析的流程与挑战

失效分析是一项科学或准科学任务，需要多学科的分析师参与。以下是一些关键方面：
- 多学科团队 ：进行复杂的失效分析工作需要具备材料科学、冶金学、分析化学、有机和无机化学、化学工程、电气工程、计算机科学和机械工程等多方面的专业知识。如果仅依靠单个分析师，可能会导致实验室数据库中“未知”结论的数量大幅增加。
- 报告输入与周转时间预测 ：预测工作周转时间非常复杂，它取决于可用的背景信息。如果信息不完整或缺失，工作调度将变得不准确。以下是一些需要考虑的情况：
- 无需提交失效分析的情况 ：
- 背景信息不足的请求。
- 工作目的不明确的请求。
- 仅为生成报告以填充文件柜的请求。
- 部件已被他人部分分析过的请求。
- 可能的失效机制已被充分理解和记录的请求。
- 获取完整失效分析报告所需的信息 ：对于微处理器或微控制器，理想情况下应提供以下信息：
- 显示所有功能电路块位置的拓扑芯片图。
- 任何EEPROM、DAC、RAM、ROM等电路的拓扑地址图。
- 至少500倍的标记复合图，所有层堆叠时可清晰辨别。
- 标记的原理图和逻辑图。
- 完整的功能概述描述。
- 所有电路及其相互作用的完整描述（设计备忘录）。
- 所有测试模式和条件的描述。
- 完整的功能和参数测试信息，列出所有失败的测试及其详细描述和可能的相互作用。
- 带有横截面图的晶圆制造工艺流程。
- 封装类型的键合图或任何产品类型的引脚排列。
- 失败的特定代码序列，最好存储在磁盘上。
- 配备无盖插座的产品测试板，以便进行微探针测试。
- 复制失效模式所需的硬件和软件，如实际应用电路板、演示套件或应用板。
- 与设计工程人员进行口头咨询的途径。
- 至少一个用于对比的良品。

失效分析报告的撰写

正式的书面失效分析报告可能是与客户的唯一沟通方式，因此报告的质量至关重要。以下是一些撰写报告的一般准则和建议：
- 背景信息 ：应尽可能完整，包括失效的影响、问题的历史、问题的严重性或级别、部件的来源、显示部件使用情况的电路图、相关失效的发生情况以及已知的过应力条件（如瞬变）。
- 失效验证 ：应根据客户的要求验证部件的失效情况，避免因不当的故障排除方法（如“复活节彩蛋”式的替换法）导致误分析。
- 分析步骤记录 ：应明确记录所有使用的程序和分析步骤，以及相关的工具和仪器。分析过程应遵循从粗略到精细、从一般到具体、从非破坏性到破坏性的“安全序列”。
- 电气特性记录 ：电气特性应进行照片记录，关键术语应明确定义。应包含所有自动测试数据打印件的副本作为支持文档。
- 照片和图表 ：所有照片应与失效机制或调查相关，并在文本讨论中提及。照片应曝光良好、对比度适中，且应配有足够详细的说明。图表和坐标轴应进行标记，最好从零点开始，并使用标准单位。
- 明确的原因陈述 ：如果可能，应给出明确的原因陈述，包括设备操作的简要物理原理、可能的失效机制及其物理原理、模拟结果、对失效机制的可靠性或质量威胁的估计等。

无处不在的EOS问题

EOS（电气过应力）是半导体失效分析中常见的问题，自20世纪60年代以来，许多失效分析实验室都将其视为“故事的结尾”。EOS有多种来源，其对设备的物理影响包括开路、短路、泄漏和设备结构熔化等。

然而，EOS问题往往较为复杂。一方面，低水平的EOS可能是由设备缺陷被后续EOS的物理效应掩盖所致，这种情况很难检测。另一方面，应用或设计问题也可能导致EOS问题。例如，客户系统中的小风扇轴承部分卡死，导致气流减少，功率器件逐渐退化，最终引发灾难性的EOS。

许多工程师对EOS或ESO（静电过应力）问题感到“不舒服”，部分原因是心理因素而非技术因素。此外，“故事结束”的处理方式可能导致对EOS问题的调查不完整，因此需要采取措施来解决这一问题。分析师可以通过相对简单的技术帮助客户识别和消除特定的电气损坏问题，例如使用模拟来显示EOS对良品的影响，并提供对比照片证明。

失效分析实验室的设备与周转时间

失效分析实验室的设备选择受设备价格和实验室预算的影响。通常，成本较低的设备更容易被购买和使用，且使用频率也较高。

然而，先进的失效分析工作与生产操作不同，其周转时间难以预测。这是因为典型的失效分析问题往往不常见，超出了正常的统计和实时过程导向的问题解决范围。分析步骤的数量和类型、设备队列以及可能的循环和嵌套循环都会影响分析的周转时间。

例如，对于复杂的分析任务，所需的时间不仅更长，而且时间的可变性也更大。分析师通常不会操作实验室中的所有工具，特别是先进工具，这些工具通常由工具所有者操作和维护，并设有单独的队列和优先级。

失效分析面临的新挑战

随着半导体技术的不断发展，失效分析面临着新的挑战：
- 设备复杂度增加 ：设备的层数不断增加，包括接地层，这使得分析师难以访问硅表面（有源组件所在位置）。内置自测试（BIST）可能是一种解决方案，但也存在一定的局限性。
- 机械探测困难 ：在尺寸小于约0.65微米时，机械探测变得不切实际，因为探针可能比设备尺寸大，会引入不可接受的电容负载，且光学显微镜在高倍率下的景深较短，难以定位探针。
- 安全和环境考虑 ：诸如洛杉矶县的规则66等立法行动正在逐步限制失效分析实验室中许多化学程序的使用。由于许多半导体和电子设备的拆卸需要强大的化学品，寻找替代程序将阻碍失效分析的速度和实用性。

纠正措施

纠正措施旨在解决受影响部件的遏制和处置问题，以及识别的机制的长期影响或风险。以下是一些常见的纠正措施类型：
| 类型 | 描述 | 优先级 |
| — | — | — |
| 现场和保修失效 | 仅在应用中经过相当长的运行时间后才出现问题的失效，最为严重，需要立即关注 | 10 |
| 高级别、多次发生 | 短时间内多次提交的失效，表明制造过程中存在严重疏忽，需要问题解决团队立即采取行动 | 10 |
| 高级别、单次发生 | 由于单个已知的过去异常制造事件导致的失效，可能会发现具有相同失效机制的其他设备 | 8 |
| 低级别、长期 | 正常的制造损耗，已知的低级别问题，生产线已经有迭代的纠正行动计划（如8 - D） | 5 |
| 单次发生、短期 | 孤立的或偶然的设备失效，之前未观察到，隔离真正原因的机会较小，投入的努力与可能的收益不成比例 | 2 |

结论与建议

为了应对失效分析中的各种挑战，提出以下建议：
- 快速响应 ：许多客户要求在24小时内进行遏制，48小时内进行电气验证，并在10个工作日内提供根本原因和纠正行动计划。可以通过分层响应的方式，逐步完成这些任务。例如，产品工程师在生产测试仪上重新测试部件的时间相对较短，可以通过自定义响应表单和电子邮件快速通知客户测试结果。
- “快速周转”失效分析报告 ：失效分析实验室可以提供“快速周转”和“高级”两种报告。“快速周转”分析可以满足客户的时间要求，其包含的分析步骤如曲线跟踪、化学开封、光学显微镜检查、液晶测试、SEM照片、FIB切割等，可以检测到诸如EOS、ESD、导线弯曲或变形、键合问题、分层、芯片开裂或破损等失效机制。这些机制与半导体工艺的后端相关，其修复或纠正措施通常可以更快、更经济地实施。
- 客户 - 供应商合作的高级失效分析 ：对于复杂的失效分析，客户和供应商之间的合作至关重要。由于先进的失效分析工作难以像生产操作一样进行时间预测，因此需要双方协商确定报告的优先级和预期周转时间。问题解决团队应包括双方的经验丰富的失效分析专业人员，通过协商过程，客户可以了解内部部件操作和整体失效分析工作的细微差别，供应商可以了解问题的详细性质。通过提供分层响应，客户可以在等待团队更详细的分析信息时做出明智的生产决策。
- 实验室结构 ：建议实验室分为“快速周转”部门和“高级分析”部门。“快速周转”部门提供快速响应，使用有限的工具集，对某些失效机制敏感；“高级分析”部门提供解决问题的方案，使用先进的工具集，通常需要团队合作。
- 失效分析报告的质量 ：响应外部客户的请求需要提供书面报告，报告应完整，包含必要的元素。报告质量可能是客户判断公司专业知识的重要标准，因此应认真对待报告的撰写。

失效分析在半导体行业中具有重要的地位，但也面临着诸多挑战。通过综合考虑业务因素、优化分析流程、加强客户 - 供应商合作以及提高报告质量等方面的措施，可以提高失效分析的效率和效果，为半导体产品的质量和可靠性提供有力保障。

半导体失效分析：挑战与解决方案（续）

快速响应与“快速周转”报告的具体实施

为了实现快速响应，我们可以进一步细化流程。以下是一个 mermaid 格式的流程图，展示了如何在 24 小时内完成遏制，48 小时内完成电气验证的具体步骤：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B{收到客户请求}:::decision
    B -->|是| C(分配产品工程师):::process
    C --> D(安排生产测试仪进行重新测试):::process
    D --> E(记录测试结果):::process
    E --> F(生成自定义响应表单):::process
    F --> G(通过电子邮件通知客户):::process
    G --> H{是否在 24 小时内完成遏制}:::decision
    H -->|是| I(进行电气验证):::process
    I --> J(记录电气验证结果):::process
    J --> K(更新响应表单):::process
    K --> L(再次通知客户):::process
    L --> M{是否在 48 小时内完成电气验证}:::decision
    M -->|是| N([结束]):::startend
    B -->|否| O(等待请求):::process
    O --> B
    H -->|否| P(加快测试进度):::process
    P --> D
    M -->|否| Q(调整验证方法):::process
    Q --> I

“快速周转”报告的分析步骤也可以进一步优化。以下是一个表格，详细列出了每个步骤的作用和可能检测到的失效机制：
| 分析步骤 | 作用 | 可能检测到的失效机制 |
| — | — | — |
| 曲线跟踪 | 测量电气特性，判断电路是否正常工作 | EOS、ESD、短路、开路 |
| 化学开封 | 打开封装，暴露内部结构 | 封装损坏、内部污染 |
| 光学显微镜检查 | 观察表面缺陷和结构 | 芯片开裂、划痕、异物 |
| 液晶测试 | 检测电气不均匀性 | 局部短路、漏电 |
| SEM 照片 | 高分辨率观察微观结构 | 导线变形、键合不良 |
| FIB 切割 | 进行微区分析和修复 | 内部短路、断路 |

客户 - 供应商合作的深入探讨

客户 - 供应商合作不仅仅是协商报告的优先级和周转时间，还包括信息共享和共同解决问题。以下是一个列表，展示了客户和供应商在合作中可以采取的具体行动：
- 客户方面 ：
- 提供尽可能详细的背景信息，包括产品的使用环境、操作条件、测试历史等。
- 参与问题解决团队，提供实际应用中的反馈和建议。
- 对供应商的分析结果和纠正措施进行评估和监督。
- 供应商方面 ：
- 及时向客户反馈分析进度和结果，保持沟通的透明度。
- 根据客户的需求和反馈，调整分析方法和纠正措施。
- 与客户共同制定长期的质量改进计划，预防类似问题的再次发生。

实验室结构的优化与管理

为了确保“快速周转”部门和“高级分析”部门的有效运作，需要进行合理的管理和协调。以下是一个 mermaid 格式的流程图，展示了两个部门之间的协作流程：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([收到分析请求]):::startend --> B{是否适合快速周转分析}:::decision
    B -->|是| C(快速周转部门接收请求):::process
    C --> D(进行快速周转分析):::process
    D --> E{是否需要高级分析}:::decision
    E -->|是| F(将请求和部件移交高级分析部门):::process
    F --> G(高级分析部门进行深入分析):::process
    G --> H(得出分析结果):::process
    H --> I(反馈给快速周转部门):::process
    I --> J(快速周转部门整合结果并报告客户):::process
    E -->|否| K(快速周转部门直接报告客户):::process
    B -->|否| G
    J --> L([结束]):::startend
    K --> L

同时，为了保证“快速周转”程序的非破坏性，培训和监督至关重要。以下是一个列表，列出了培训和监督的要点：
- 培训方面 ：
- 对“快速周转”部门的分析师进行非破坏性分析技术的培训。
- 定期组织案例分析和经验分享会，提高分析师的技能水平。
- 监督方面 ：
- 设立专门的监督岗位，对“快速周转”分析过程进行实时监控。
- 建立反馈机制，及时发现和解决非破坏性问题。

未来展望

随着半导体技术的不断发展，失效分析将面临更多的挑战和机遇。未来，我们可以从以下几个方面进一步改进失效分析工作：
- 技术创新 ：探索新的分析技术和方法，提高分析的准确性和效率。例如，利用人工智能和机器学习算法对失效数据进行分析和预测。
- 跨学科合作 ：加强与材料科学、物理学、化学等学科的合作，深入研究失效机制的本质。
- 标准化建设 ：建立统一的失效分析标准和规范，提高分析结果的可比性和可靠性。
- 人才培养 ：培养更多具有多学科知识和实践经验的失效分析专业人才，满足行业的需求。

总之，半导体失效分析是一个复杂而重要的领域。通过不断优化分析流程、加强合作和创新，我们可以更好地应对各种挑战，为半导体产业的发展提供有力支持。