Анализ отказов микросхем

Комплексный технический ресурс по методологиям, инструментам и примерам анализа отказов полупроводниковых устройств.

Ознакомьтесь с техническими руководствами. Просмотрите примеры успешных проектов.

Что такое анализ отказов интегральных схем?

Анализ отказов интегральных схем (ИС) — это систематический процесс, используемый для выявления, локализации и определения первопричины отказов полупроводниковых устройств. Эта важнейшая инженерная дисциплина объединяет передовые методы визуализации, электротехническое тестирование и материаловедение для решения проблем в интегральных схемах в различных отраслях промышленности.

Эффективный анализ отказов повышает надежность продукции, снижает производственные затраты, ускоряет вывод продукции на рынок и обеспечивает соответствие отраслевым стандартам. Он играет жизненно важную роль в контроле качества, проектировании надежности и циклах совершенствования продукции.

Основные цели анализа отказов интегральных схем

Выявление первопричин отказов интегральных схем посредством систематического исследования.
Определите, связаны ли отказы с особенностями конструкции, производства или применения.
Разработайте корректирующие действия для предотвращения будущих сбоев.
Проверка надежности и производительности интегральных схем.
Поддержка отчетности о сбоях и анализа данных о надежности.

Технические руководства и методологии

Диагностическая блок-схема

Систематический подход от выявления симптомов неисправности к определению первопричины.

Отсутствие пути устранения неисправности питания/выхода.

1. Проверьте наличие повреждений от электростатического разряда с помощью анализа SEM/EDS.
2. Проверьте качество паяных соединений с помощью 3D-рентгеновского контроля.
3. Проверка на пробой оксида затвора с помощью EMMI.
4. Проведите проверку целостности цепи с помощью OBIRCH.
5. Анализ целостности пакета с помощью C-SAM

Путь сбоя при периодических неполадках

1. Исключить микротрещины в BGA с помощью C-SAM.
2. Проверка на наличие термических напряжений с помощью инфракрасной съемки.
3. Проверка наличия эффекта защелкивания, связанного с особенностями конструкции, с помощью моделирования схемы.
4. Проверка целостности сети распределения электроэнергии.

Руководство по эксплуатации EMMI

Пошаговая инструкция по проведению анализа с помощью эмиссионной микроскопии.

Подготовка устройства

Включите устройство в состоянии, воспроизводящем ошибку, и обеспечьте надлежащее охлаждение.

Оборудование для фотолаборатории

Расположите устройство под микроскопом EMMI, обеспечьте правильное выравнивание.

Конфигурация камеры

Установите подходящее время экспозиции (обычно 10-60 секунд) и чувствительность.

Получение изображений

Для достижения оптимальных результатов сделайте несколько снимков с разной выдержкой.

Анализ и наложение

Наложите точки излучения на проектную схему, чтобы выявить неисправные конструкции.

Совет по устранению неполадок

Если очаги перегрева не появляются, убедитесь, что микросхема находится в состоянии, воспроизводящем сбой, и проверьте, вызывает ли механизм отказа излучение фотонов (разомкнутые цепи обычно этого не делают).

Типичные ошибки анализа отказов

Упущение из виду повреждений от электростатического разряда

Не следует учитывать повреждения от электростатического разряда при обращении с устройствами, особенно с микросхемами CMOS. Всегда проверяйте работоспособность браслета и протоколы заземления.

Недостаточное снижение мощности

Резистор может сгореть при работе с нагрузкой более 80%. Рекомендуется снижать номинальную мощность на 50% для обеспечения надежности в различных условиях.

Неправильное воспроизведение ошибки

Анализ устройств в условиях, которые неточно воспроизводят сценарий отказа в полевых условиях, приводит к неправильному определению первопричины.

Игнорирование проблем упаковки

Сосредоточение внимания исключительно на проблемах на уровне кристалла, игнорируя при этом отказы, связанные с корпусом, такие как расслоение, коррозия выводов или усталость паяных соединений.

Недостаточно документации

Отсутствие тщательного документирования каждого этапа анализа затрудняет воспроизведение результатов или проведение анализа тенденций в условиях множественных отказов.

Проблемы с калибровкой инструмента

Использование неправильно откалиброванного оборудования приводит к неточным измерениям и ошибочным выводам об анализе причин отказов.

Примеры из практики в отрасли

Автомобильная силовая электроника

Выход из строя IGBT-модулей в электромобилях

Симптом

Внезапное отключение питания во время зарядки, без видимых внешних повреждений силовой установки электромобиля.

Процесс анализа

Тепловизионное исследование выявило очаги перегрева в модуле IGBT во время циклов включения/выключения питания.
Анализ методом сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом (SEM/EDS) выявил чрезмерный рост интерметаллических соединений (Cu₆Sn₅) в паяных соединениях.
Поперечное сечение показало образование пустот Киркендалла на границе раздела припой-подложка.
Моделирование методом конечных элементов показало, что причиной отказа является недостаточный профиль оплавления припоя.

Решение и результат

Скорректирован профиль оплавления для обеспечения надлежащего смачивания, добавлены никелированные контактные площадки для контроля роста интерметаллических соединений.

Результат: частота отказов в полевых условиях снизилась на 0,58% в год, что позволило сэкономить 2 миллиона долларов на гарантийных расходах.

Соответствующие стандарты

AEC-Q100 JEDEC JESD22-A104 ISO 16750-4

Результаты тепловизионной съемки

Тепловое изображение, показывающее зоны перегрева в модуле IGBT.

СЭМ-изображение роста ИМК

SEM Micrograph of Intermetallic Compound IMC Growth

Инструменты и оборудование

Инструмент	Основной вариант использования	Ограничение разрешения	Лучше всего подходит для	Ограничение
ЭММИ	Локализация очагов возгорания (утечки, поломки)	~1 мкм	CMOS/FinFET-транзисторы	Нет сигнала для разомкнутых цепей
C-SAM	Обнаружение расслоения/пустот	50 нм	Перевернутый чип, BGA	Требуется жидкостное соединение.
3D рентгеновская КТ	Контроль TSV/многослойных кристаллов	100 нм	3D интегральные схемы	Высокая стоимость за высокое разрешение
Термография с синхронным детектированием	термическое картирование в диапазоне ниже °C	0,1°C	Силовые интегральные схемы (IGBT)	Медленное время сканирования
СЭМ/ЭДС	Характеризация материалов, визуализация дефектов	1-5 нм	Физический анализ на уровне кристалла	Требуется проводящее покрытие для изоляторов.
FIB-SEM	Поперечное сечение, редактирование цепей	5 нм	3D-микросхемы, передовая упаковка	Разрушительный, отнимающий много времени процесс.

Руководство по подбору инструментов и техник

Соответствие инструментов конкретным сценариям отказов обеспечивает эффективный и точный анализ первопричин:

Анализ повреждений от электростатического разряда

Начните с EMMI для обнаружения мест утечек.
Для получения наноразмерных изображений повреждений используйте FIB-SEM.
Используйте EDS для проверки загрязнения в местах повреждений.
Подтвердите с помощью электрофизиологических исследований (анализ вольт-амперной характеристики).

Взломы 3D IC TSV

Используйте трехмерную рентгеновскую компьютерную томографию для неразрушающего контроля.
Подтвердите результаты с помощью поперечных срезов, полученных методом фиброоптической микроскопии (FIB), в критических местах.
Проведите исследование с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) для характеристики морфологии трещин.
Примените метод конечных элементов для определения источников напряжений.

Неисправности, связанные с перегревом

Начните с термографии с синхронным детектированием для создания теплового картирования.
Используйте C-SAM для проверки наличия расслоения, вызванного термическим напряжением.
Проведите поперечное сечение для проверки целостности паяного соединения.
Подтвердите результаты с помощью испытаний на термоциклирование.

Периодические сбои

Используйте климатическую камеру для воспроизведения условий отказа.
Примените метод OBIRCH для анализа динамических путей протекания тока.
Используйте тепловизионную съемку во время стресс-тестирования.
При подозрении на механическое напряжение необходимо провести вибрационные испытания.

Новые инструменты и технологии

EMMI с улучшенной поддержкой ИИ

Алгоритмы машинного обучения, которые автоматически различают нормальные и аномальные паттерны излучения фотонов, сокращая время анализа до 70%.

Маркировка квантовых точек

Флуоресцентные маркеры наноразмерного масштаба, которые выделяют дефектные области в полупроводниках, позволяют на ранней стадии выявлять потенциальные места отказов.

Платформы прогнозной финансовой аналитики

Интегрированные системы, объединяющие производственные данные, отчеты о неисправностях, полученные в полевых условиях, и искусственный интеллект для прогнозирования потенциальных механизмов отказов до их возникновения.

Стандарты и соответствие требованиям

Стандарты JEDEC

JESD22-A121: Тестирование на электростатический разряд

Определяет процедуры проведения испытаний на электростатический разряд с использованием моделей человеческого тела (HBM), машинных моделей (MM) и моделей заряженных устройств (CDM).

Основные требования: испытания HBM при напряжениях 250 В, 500 В, 1 кВ, 2 кВ, 4 кВ, 8 кВ с заданными разрядными токами и временем нарастания.

JESD47: Методы стресс-тестирования интегральных схем

Комплексный стандарт, охватывающий различные стресс-тесты, включая температурные циклы, напряжение-температуру, электромиграцию и зависящий от времени пробой диэлектрика.

Основные требования: температурные циклы от -55°C до 125°C в течение как минимум 1000 циклов для компонентов автомобильного класса.

JESD22-A104: Циклирование температуры

Специальный стандарт для испытаний на температурные циклы с целью оценки надежности компонентов в условиях термических нагрузок.

Отраслевые стандарты

AEC-Q100: Автомобильные интегральные схемы

Технические условия для интегральных схем, используемых в автомобильной промышленности, с жесткими требованиями к надежности.

Классы термостойкости: 0 (-40°C до 150°C), 1 (-40°C до 125°C), 2 (-40°C до 105°C), 3 (-40°C до 85°C) в зависимости от диапазона рабочих температур.

DO-254: Аэрокосмическая авионика

Рекомендации по обеспечению качества проектирования бортового электронного оборудования, включая интегральные схемы, используемые в критически важных для полета системах.

Telcordia GR-468: Телекоммуникации

Требования к обеспечению надежности полупроводниковых приборов, используемых в телекоммуникационном оборудовании.

Анализ данных о надежности

Для эффективного анализа отказов необходим статистический анализ данных о надежности, позволяющий понять распределение отказов и спрогнозировать срок службы изделия:

Распределения отказов

Логарифмически нормальное распределение: характерно для отказов полупроводниковых устройств.
Распределение Вейбулла: полезно для анализа ранних, случайных и износовых отказов.
Экспоненциальное распределение: подходит для областей с постоянной интенсивностью отказов.

Ключевые показатели

MTBF (среднее время между отказами)
Частота отказов (λ) — обычно выражается в FIT (количество отказов за время: 1 FIT = 1 отказ на 10^9 устройство-часов).
Коэффициенты пересчета для ускоренных испытаний на долговечность (ALT)

Пример анализа частоты отказов

Будущие тенденции в анализе отказов интегральных схем

Передовые технологические процессы (2 нм/1 нм)

Анализ на атомном уровне представляет собой сложную задачу, поскольку квантовые эффекты становятся значимыми факторами в механизмах отказов.

Ключевые проблемы

• Эффекты квантового туннелирования
• Дефекты подачи питания с обратной стороны
• Обнаружение загрязнений на атомном уровне

Новые решения

• Криогенный просвечивающий электронный микроскоп для исследования на атомном уровне
• Методы нанозондирования с использованием искусственного интеллекта
• Усовершенствованная томография с использованием атомных зондов

3D IC и гетерогенная интеграция

Сложные механизмы отказов в многослойных кристаллических архитектурах требуют применения новых методов неразрушающего анализа.