标签: 失效分析

半导体产业的核心在于制造，制造的核心在于工艺，而工艺的核心是设备和材料。半导体其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应晶体管。 半导体设备行业与半导体行业密切相关，且市场规模波动幅度更大。长期来看，半导体行业将会保持旺盛生命力，作为产业链上游的半导体设备行业市场规模也会不断扩大。据SEMI统计数据显示，2021年全球半导体设备市场规模达1026.4亿美元，较2020年同比增长44.16%，预计2023年全球半导体设备市场规模将达1425.5亿美元，保持高速增长趋势。 数据来源：SEMI、中商产业研究院整理 半导体行业高度全球化，大量国家 /地区的企业在半导体生产的多个方面展开竞争，从半导体设计到制造，再到ATP(组装、测试和封装)。那么关于 半导体检测与量测技术区别，你了解多少呢？ 基础介绍 ● 检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷； ● 量测指对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。 检测和量测应用示意图，（资料来源：华经产业研究院） 市场占比 根据数据，2020年半导体检测和量测设备市场各类设备占比中，检测设备包括无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备（可细分为微米级和纳米级）、掩膜检测设备等；量测设备包括三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备（晶圆介质薄膜量测设备）、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等。 2020年全球半导体检测和量测设备细分设备规模及占比，资料来源：中科飞测招股书，华经产业研究院整理 技术分类 从技术原理上看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术等。 （1）检测环节光学检测技术分类情况 在检测环节，光学检测技术可进一步分为无图形晶圆激光扫描检测技术、图形晶圆成像检测技术和光刻掩膜板成像检测技术。 资料来源：公开资料整理 （2）量测环节光学检测技术分类状况 在量测环节，光学检测技术基于光的波动性和相干性实现测量远小于波长的光学尺度，集成电路制造和先进封装环节中的量测主要包括三维形貌量测、薄膜膜厚量测、套刻精度量测、关键尺寸量测等。 资料来源：公开资料整理 随着集成电路器件物理尺度的缩小同时逐渐向三维结构发展，需要检测的缺陷尺度和测量的物理尺度也在不断缩小的同时三维空间的检测业在持续渗透。为满足检测和量测技术向高速度、高灵敏度、高准确度、高重复性、高性价比的发展趋势和要求，行业内进行了许多技术改进。 关于广电计量半导体服务 广电计量在全国设有元器件筛选及失效分析实验室，形成了以博士、专家为首的技术团队，构建了元器件国产化验证与竞品分析、集成电路测试与工艺评价、半导体功率器件质量提升工程、车规级芯片与元器件AEC-Q认证、车规功率模块AQG324认证等多个技术服务平台、满足装备制造、航空航天、汽车、轨道交通、5G通信、光电器件与传感器等领域的电子产品质量与可靠性的需求。

电子元器件失效分析经常用到的检查分析方法简单可以归类为无损分析、有损分析。 无损分析就像医院看病，常用到外观检查（OM）、X射线检查、超声扫描（SAT），其检查原理近乎可以理解为：医生问诊、X光片拍摄及B超检查。 有损分析就是对器件进行各种微观解剖分析，其首要要求就是在避免人为损伤的前提下，完美展现内部缺陷形貌。 内部缺陷形貌的展现，常涉及的制样技术包括开封（Decap）、切片（Cross-section）、去层（Delayer）等。并且制样技术的好坏，直接决定了分析案件成功与否。 本文重点介绍切片制样技术常用到的先进辅助设备：离子研磨（CP）。 离子研磨原理及作用 离子研磨通过氩离子束物理轰击样品，达到切割或表面抛光的作用。 为什么要进行表面抛光？ 那是因为在对精细电子元器件切片的时候，往往会因为切片造成了金属延展、颗粒物填充等情况，对后续的检查带来不利影响。而这些就是前文提到的人为损害。 因此，我们对样片进行表面抛光，可以在减免人为损伤的前提下，完美展现内部缺陷形貌。 离子研磨的高阶应用 （1）几乎任何材料的高质量表面处理 离子研磨能实现无应力的横截面和几乎所有材料刨面，揭示了样品的内部结构同时最大限度地减少变形或损坏。 ●半导体材料（BGA、键合位置、塑封料界面、多层薄膜截面） ●电池电极材料 ●光伏材料 ●多元素组成材料 ●不同硬度合金 ●岩石矿物质 ●高分子聚合物 ●软硬复核材料等。 （2）晶界展示 利用衬度增强处理切割后样品，展现金属晶界，有助于分析金属疲劳、蠕变等失效机理。 （3）冷冻制样 离子研磨最低可以用-160℃解决物理轰击产生的高温影响，特别适合 高分子、聚合物、生物细胞、化妆品、制药等热敏材料 制样。 （4）离子研磨应用于半导体失效分析案例展示 离子研磨的应用领域 离子研磨主要用于半导体材料、电池电极材料、光伏材料、不同硬度合金、岩石矿物质、高分子聚合物、软硬复合材料、多元素组成材料等的 截面制样、界面表征 。 关于广电计量半导体服务 广电计量在全国设有元器件筛选及失效分析实验室，形成了以博士、专家为首的技术团队，构建了元器件国产化验证与竞品分析、集成电路测试与工艺评价、半导体功率器件质量提升工程、车规级芯片与元器件AEC-Q认证、车规功率模块AQG324认证等多个技术服务平台、满足装备制造、航空航天、汽车、轨道交通、5G通信、光电器件与传感器等领域的电子产品质量与可靠性的需求。 我们的服务优势 ● 配合工信部牵头“面向集成电路、芯片产业的公共服务平台建设项目”“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台”等多个项目； ● 在集成电路及SiC领域是技术能力最全面、知名度最高的第三方检测机构之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百个型号的芯片验证； ● 在车规领域拥有AEC-Q及AQG324全套服务能力，获得了近50家车厂的认可，出具近300份AEC-Q及AQG324报告，助力100多款车规元器件量产。

功率半导体器件 是 新能源 、 轨道交通 、 电动汽车 、 工业应用 和 家用电器 等应用的核心部件。特别是随着 新能源电动汽车 的高速发展，功率半导体器件的市场更是 爆发式 的增长。 区别于消费电子市场， 车规级功率半导体器件 由于 高工作结温 ， 高功率密度 ， 高开关频率 的特性，和 更加恶劣的使用环境 ，使得器件的可靠性显得尤为重要。 静态HTXB 作为功率器件耐久性试验中的一种，对功率模块潜在缺陷剔除，验证模块结构的可靠度 至关重要 。 测试目的 HTRB（高温反偏试验） 检测了芯片钝化层、钝化拓扑、芯片边缘密封的 薄弱点 。主要关注与生产相关的 离子污染物 在温度和场作用下的 迁移作用 ，这种迁移作用会增加表面电荷、增大漏电流以及产生阈值电压退化；模块组装过程和组装材料 热膨胀系数(CTEs) 的差异对钝化层完整性产生重大影响，使模块容易受到外部污染物污染，也会引起漏电流增加。 H 3 TRB（高温高湿反偏试验） 检测了整个模块结构的弱点，包括功率半导体本身的 薄弱点 。因为大多数模块设计不是密封的，芯片和连接线嵌入在透湿的硅胶中，随着时间的推移，这使得水分也能到达钝化层。在 湿度的影响 下，载荷对钝化层结构或钝化拓扑和边缘密封的薄弱环节有不同的影响，污染物也可以通过水分输送转移到 关键区域 ；与生产相关的离子污染物，在温度和场的影响下迁移，从而增加表面电荷，以及壳体上的热机械应力和与半导体芯片的相互作用，都导致漏电流增加的形成。 HTGB（高温栅偏试验） 验证了栅极连接半导体器件的电负荷、热负荷随时间的综合效应，评估了栅极介电性的完整性、半导体/介电边界层的状态和可移动离子对半导体的污染。其模拟了 加速条件下 的模块工作状态，用于器件鉴定和可靠性监测。 测试标准介绍 车规级功率模块测试标准 最常见的测试标准是由 ECPE 欧洲电力电子研究中心发布的 AQG324 ，其中有对静态HTXB测试进行详细的规范。具体测试条件如下： 表 1 AQG 324 HTXB测试条件 测试项目 试验参数 高温反偏（HTRB） 1.试验时长： ≥1000h 2.试验温度：最高结温 3.集电极-发射极电压：≥0.8V CE,max 4.栅极-发射极电压：0V or VGSmin 高温高湿反偏（H3TRB） 1.试验时长：≥1000h 2.试验温度：85℃ 3.相对湿度：85% 4.集电极-发射极电压：0.8V CE,max （T vj 在初始测试阶段＜90℃） 5.栅极-发射极电压：0V or VGSmin 高温栅极反偏（HTGB） 1.试验时长：≥1000h 2.试验温度：最高结温 3.集电极-发射极电压：0V 4.栅极电压：V GE =V GE, max (正栅极电压测量50%DUT) V GE =V GE, min (负栅极电压测量50%DUT) 测试方案和案例 广电计量在 Si基功率半导体模块 、 S iC 模块 等相关测试有着丰富的实战经验，为众多半导体厂家提供模块的规格书参数测试、竞品分析、环境可靠性、寿命耐久和失效分析等一站式测试服务。 在HTXB测试方向，广电计量引进多台国产高可靠性漏电流监控系统，设备能力如下表2所示。I GBT 模块HTXB测试案例，测试架设和监控界面如下图 1 ~ 图 4 所示。 表 2 HTXB设备能力 试验项目 指标参数 高温高湿反偏（H3TRB） 高温反偏（HTRB） 1.电流检测范围：0.1μA~20.0mA 2.电源输出电压：0~±2000V，输出电流：0.6A 3.试验温/湿度与通电系统联动，如试验条件异常触发阈值报警并停止试验，生成停机记录，告知报警原因。 高温栅极反偏（HTGB） 1.电流检测范围：≥1nA 2.输出电压：-30~30V 3.试验温/湿度与通电系统联动，如试验条件异常触发阈值报警并停止试验，生成停机记录，告知报警原因。 图1 HT3RB测试架设 图2 HT3RB漏电流监控 图3 HTGB监控界面 图4 HTGB漏电流监控

X-ray 检测是一种发展成熟的无损检测方式，目前广泛应用在物料检测（ IQC ）、失效分析（ FA ）、质量控制 (QC) 、质量保证及可靠性 (QA/REL) 、研发 (R&D) 等领域。 X-ray 检测是利用阴极射线管产生高能量电子与金属靶撞击，在撞击过程中，因电子突然减速，其损失的动能会以 X-ray 形式放出对样品进行穿透性检测的一种方法。 X-ray成像原理示意图 利用X-ray穿透不同密度物质后其 射线强度的变化 可形成样品内部结构的影像，因此可以对样品进行无损的内部分析，是最常见的无损检测技术之一。 应用范围及目的 X-ray检测技术可以对金属材料及零部件、电子元器件、LED元件等内部的裂纹、异物的缺陷进行检测，以及对BGA、线路板等内部位移的分析；判别空焊，虚焊等BGA焊接缺陷，对电缆，装具，塑料件等内部情况进行分析。 它具有穿透成像的功能，可以在不破坏样品的情况下清楚地检测出电子元件的内部缺陷。除电容器X射线检查外，X射线还可以执行以下检查：组件层剥离，破裂，空隙和电缆完整性检查。 在电子元件的生产中，PCB板可能会存在诸如对齐不良或桥接和断路之类的缺陷。SMT焊点腔检查，例如，检测各种连接线中的开路，短路或异常连接缺陷；检查焊球阵列包装和芯片包装中焊球的完整性；检测到高密度塑料材料裂缝或金属材料；芯片尺寸测量，电弧测量，元件锡面积测量等。 参照的标准及测试流程 参照标准 GB/T19293-2003； GB17925-2011； GB/T 23909.1-2009等等。 测试流程 基础典型案例分享 为了对焊点的内部状况进行分析，采用X射线系统对焊点质量进行无损检测,由如下照片可观察得出各种电子元器件焊点X-ray透射照片，除发现焊点内部存在少量空洞外，未发现焊点错位，焊料熔融不完全以及桥连等明显焊接缺陷。 为了对焊点的内部状况进行分析，采用 X 射线系统对焊点质量进行无损检测 , 由如下照片可观察得出各种电子元器件焊点 X-ray 透射照片，除发现焊点内部存在少量空洞外，未发现焊点错位，焊料熔融不完全以及桥连等明显焊接缺陷。 通过对以上X-ray典型照片的具体分析，可以清楚直观的了解到各种器件的内部结构，甚至也可以为后续测试项目提供一个参考的方向，从而完成一整套试验流程。 广电计量累计投入300多台套高端检测分析设备，形成以博士、专家为核心的人才队伍，打造了6个专项实验室，为装备制造、汽车、电力电子与新能源、5G通信、光电器件与传感器、轨道交通与材料等领域企业提供专业的失效分析、元器件筛选、可靠性测试、工艺质量评价、产品认证、寿命评估等服务，帮助企业提升电子产品质量与可靠性。

集成电路测试贯穿芯片设计、制造、封装、测试和应用等产业链大环节。 集成电路tape out（设计完成）之后会进入芯片工程化，进而进入小批量测试，再到大批量量产测试，最终进行对市场量产并出售芯片。 为抢占应用市场先机，芯片公司普遍希望新产品能够快速推进从工程化到量产。因此如何在控制成本的前提下，提高测试质量、提高故障覆盖率、低成本地快速实现工程化量产、延长产品生命周期，是芯片公司在芯片设计完成后最关注的核心挑战。 这个测试的过程在行业内被称为集成电路工程化量产测试。 集成电路工程化量产测试技术概述 集成电路工程化量产测试是保证芯片设计符合性、产品质量、生产交付、推向应用等方面的重要技术手段，主要集中在封装前后的各测试环节，包括以下四个阶段： 1、CP工程化量产测试：晶圆级模块功能和性能测试 2、FT工程化量产测试：封装级产品功能和性能测试 3、SLT工程化量产测试：系统应用级功能和性能测试 4、RT工程化量产测试：产品级质量可靠性筛选 图1 集成电路工程化量产技术环节分类 集成电路工程化量产测试涉及晶圆测试（CP）、封装成品测试（FT）、应用系统测试（SLT）和产品可靠性测试（RT）过程中的关键测试技术。CP（Chip Probing，亦称WS(Wafer Sort) ）是芯片在wafer阶段，通过ATE+Prober+probe card对裸芯片进行模块功能和性能参数测试。通常考虑高效的测试模式，对各模块功能进行覆盖性测试，同时考虑关键参数测试。FT（Final Test）是芯片在封装完成后进行的产品功能和性能测试，是产品质量控制的最后环节，通过ATE+Handler+loadboard检测并剔除制造缺陷和封装工艺等生产环节问题的芯片。要求覆盖产品功能和全管脚性能参数，重点考虑CP未覆的功能和参数。SLT（System level test）通常是系统级应用功能性测试，作为成品FT测试的补充。是在系统环境下进行测试，模拟芯片在实际应用的工作环境，来检测其好坏。RT（Reliability test ）为确保产品质量等级，满足不同的工况应用要求，对产品进行相应等级的可靠性测试，如HTOL、ELFR、HAST、TCT等系列试验项目，通过摸底并综合选取适合等级要求的筛选条件进行测试。 广电计量积累了多年的可靠性测试方案设计能力，可针对老化方案开发、ATE测试开发、配套测试硬件设计、环境可靠性试验等进行全流程的定制化服务。 广电计量拥有一支经验丰富的IC工程化量产技术服务团队，拥有业界主流ATE测试平台和量产配套设备，满足各种芯片质量等级要求的温度条件测试。广电计量可提供各类芯片从测试方案开发、测试硬件开发、程序开发调试、工程验证、小批量量产到产品应用验证等全流程一站式的服务，同时提供高附加值的集成电路检测服务。帮助客户提升测试质量管控、提升量产良率、降低测试成本，实现高附加值测试价值目标。 图2 集成电路测试技术服务项目 图3 广电计量工程化量产服务流程 广电计量积累了多年的可靠性测试方案设计能力，可针对老化方案开发、ATE测试开发、配套测试硬件设计、环境可靠性试验等进行全流程的定制化服务。 图4 广电计量集成电路可靠性服务 服务覆盖标准 通用标准：GB、GJB等 行业标准：IEEE、JEDEC、AEC等 客制标准：产品手册、详细规范、测试方案等 关于广电计量半导体服务 广电计量在全国设有元器件筛选及失效分析实验室，形成了以博士、专家为首的技术团队，构建了元器件国产化验证与竞品分析、集成电路测试与工艺评价、半导体功率器件质量提升工程、车规级芯片与元器件AEC-Q认证、车规功率模块AQG324认证等多个技术服务平台、满足装备制造、航空航天、汽车、轨道交通、5G通信、光电器件与传感器等领域的电子产品质量与可靠性的需求。 我们的服务优势 1、配合工信部牵头“面向集成电路、芯片产业的公共服务平台建设项目”“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台”等多个项目； 2、在集成电路及SiC领域是技术能力最全面、知名度最高的第三方检测机构之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百个型号的芯片验证； 3、在车规领域拥有AEC-Q及AQG324全套服务能力，获得了近50家车厂的认可，出具近300份AEC-Q及AQG324报告，助力100多款车规元器件量产。