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半导体开放世界

半导体失效分析流程与证据保全

Semiconductor Failure Analysis Workflow and Evidence Preservation（FA / RCA / Chain of Evidence）也称 失效分析流程、根因分析、证据保全、故障复现、failure analysis workflow

可信失效分析从故障背景、受控复现与样品状态保全开始，按全局到局部、无损到有损逐级收敛，并用电学症状、物理证据、失效机制和触发原因闭合根因。

专深出处 3 份资料
报告问题

速览

约 1 分钟

失效位置不是根因，看到烧毁也不等于找到了第一触发点。分析前应固定样品身份、批次、使用历史、偏置、温度、固件和拆装状态；先用外观、电测、X射线或声学等低破坏方法缩小范围，再有计划地开封、切片和材料分析。每一步都要设置停止点，避免下一步把原始证据抹掉。

系统理解

约 3 分钟

失效分析首先回答发生了什么，而不是立即回答为什么。应收集器件型号、晶圆/封装批次、板卡位置、任务剖面、故障日志、异常波形、温湿度、返修与上电历史，并保留未失效同批样品和已知良品作为对照。若无法在受控条件下复现，也要把不可复现作为结果保存，禁止用更高应力强行制造一个相似但不同的故障。

分析顺序通常由整体到局部、无损到有损：外观和电性确认之后，先做封装内部无损检查与电/光定位，再决定开封、去层、截面或薄片。每次有损操作前应拍照、保存原始数据、记录坐标和样品状态，并预判该操作会破坏哪些后续观察量。多只样品可采用分支策略，而不是把唯一失效样品连续消耗。

症状、异常位置、物理缺陷、失效机制和根本原因是不同层级。例如某逻辑输出短路只是症状，热点是位置，金属桥连是物理缺陷，电迁移是机制，而设计电流密度过高或工艺残留才可能是根因。外部电源、时序、EOS/ESD、软件配置和板级连接也可能制造器件内部可见后果，因此不能默认根因必在芯片。

可信结论需要相关性闭环：异常电学网络与定位坐标一致，物理缺陷能解释观测症状，材料/结构证据支持所提机制，批次或应用条件能解释触发，纠正措施又能降低复现率。结论若只满足其中一环，应标为候选原因，并安排独立方法、良品对照或追加样本反证。

承接可靠性、ATE、封装与制造异常，向后连接电学/光学定位、材料结构分析、纠正措施和统计验证。

公式提示

逐级定位的面积收缩比可写R=A0/Af，只表达搜索空间收敛，不代表根因置信度；根因仍需症状—位置—机制—触发—纠正措施的独立证据闭环。

关键参数

关键参数
参数单位含义
样品身份、批次与状态—维持证据链和对照关系
故障条件与复现窗口V / A / °C / s确认症状而不引入新损伤
分析步骤、坐标与停止点— / µm控制从无损到有损的证据消耗
良品、同批和系统对照piece排除共性结构与外部原因
纠正措施后的复现率% / count验证根因而非停留在相关性

常见误区

  • 把热点或烧毁位置直接当作根本原因
  • 为复现而提高应力并忽略新损伤
  • 先开封再补做X射线和声学检查
  • 只保留截图而不保存原始波形与设置
  • 默认芯片内部缺陷而不排查系统外因

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

问题定义

定义

故障现象、缺陷位置、失效机制和根因是四个层级

输出短路是现象，热点是候选位置，金属桥连是缺陷，电迁移是机制，而过高电流密度或工艺残留才可能是根因。12

成立条件 层级术语在报告中分别填写；结论允许保持候选状态

背景采集

机制

失效历史决定复现条件和候选机制

型号、批次、板位、偏置、温湿度、日志、返修和上电历史共同限定故障窗口，缺少背景会使后续图像失去因果解释。12

成立条件 样品接收时立即登记；原始日志和配置可追溯

受控复现

边界

复现不能靠提高应力制造新的相似故障

超出现场电压、温度或时序可能产生二次EOS、热击穿或闩锁，使分析对象从原故障变成实验损伤。12

成立条件 设定最大安全应力和停止点；记录每次复现后的参数漂移

外因排查

边界

芯片内部损伤可能由外部系统触发

供电瞬变、板级开短路、负载反灌、时序、固件或ESD/EOS可在芯片留下可见后果，ASIC出现内部热点不证明设计或工艺是首因。12

成立条件 系统和器件并行调查；保留板卡与外围器件

分析顺序

机制

整体到局部和无损到有损可减少证据丢失

先外观、电测、X射线或声学，再定位、开封、去层和截面，可以在消耗样品前固定宏观状态并缩小搜索区。13

成立条件 每一步定义输入输出；有损前完成可用无损项目

证据保全

边界

开封去层和切片都可能不可逆地删除证据

化学开封可移除腐蚀产物，机械抛光可拖曳金属，离子束可形成损伤层，因此操作前必须记录表面、坐标和原始数据。13

成立条件 保存操作前影像；登记药剂、束流和加工量

样品策略

关联

多样品分支分析优于把唯一样品连续消耗

同症状样品可分别承担无损复核、截面、材料分析和破坏性验证，良品与同批对照帮助区分设计共性和异常。12

成立条件 样品症状可比；每支路线保留样品身份

相关闭环

机制

物理异常必须与电学网络和故障条件相关

共性工艺结构、正常空洞或制样伪影也可能显眼；只有位置、电性、机制和触发条件一致时，物理发现才接近因果证据。12

成立条件 有良品或邻区对照；定位坐标与版图配准

纠正措施

关联

根因结论应由纠正措施降低复现率来验证

修版、工艺调整或系统保护若不能改变受控复现和批次统计，原根因仍可能只是伴随相关。12

成立条件 变更前后条件可比；监测原故障和副作用

报告

边界

原始数据与未支持假设都应进入报告

仅保留精选图片会隐藏负结果和设置变化；报告需保存波形、图像元数据、偏置、分析顺序、排除项和仍待验证的解释。12

成立条件 数据文件具有不可变标识；结论与证据逐条关联

停止规则

边界

证据不足时应停在候选原因而非补写确定结论

如果缺陷不能解释全部症状、缺少对照或纠正措施未验证，应明确置信边界并安排下一项独立检查。12

成立条件 评审允许未知结论；下一步能区分竞争假设

搜索空间

公式

三级定位可把一百平方毫米搜索区缩到零点零一平方毫米

面积收缩量化了定位效率，但不等于根因概率。13

R=A0/Af=100/0.01=10000

R
搜索面积收缩比

成立条件 A0=100 mm²；Af=0.01 mm²；各级坐标已配准

例题：动手算一次教学假设，可复算

封装级搜索区100 mm²，经电光定位和版图配准缩到0.01 mm²，面积收缩多少？

已知

  1. A0=100 mm²
  2. Af=0.01 mm²

步骤

  1. R=100÷0.01=10000，以初始面积除以最终候选面积。
结果 搜索空间缩小10000倍。

这说明后续截面更有针对性。

不能外推到 定位响应可能偏移；面积缩小不证明候选区内的显眼异常就是根因。

出处

3 份资料 · 3 处引用
  1. 1

    彩图解入门半导体器件缺陷与失效分析技术精讲

    上田修、山本秀和

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  2. 2
  3. 3

    Examination of Advanced Technologies in Semiconductor Device Failure Analysis

    Advantest Corporation · 2017

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