产品可靠性测试失效的预分析

来源:用户上传      作者: 刘云海 简维廷 张荣哲 董伟淳

　　摘要:产品可靠性测试的失效分析是半导体失效分析的重要也是极具挑战性的部分。而物性失效分析前的预分析(包括电性失效分析)又是整个产品可靠性失效分析中的关键步骤。充分和合理的预分析是提高物性失效分析成功率的重要保障。本文主要根据不同的产品可靠性测试的失效类型和机理来介绍常用的预分析方法和手段,并通过具体的实例图片来阐述预分析的重要作用。将预分析融合于产品可靠性失效分析中,将取得事半功倍的效果。
　　关键词:产品可靠性;无损失效分析;电性失效分析;物性失效分析
　　
　　Pre-Failure Analysis for Product Reliability Test Rejects
　　
　　Grant Liu, Wei-Ting Kary Chien, Venson Chang, Walden Dong
　　(SMIC, Shanghai 201203, China)
　　
　　Abstract: The failure analysis (FA) on the rejects from product reliability tests is important and challenging in semiconductor FA arena. The pre-FA (including EFA, the electrical FA) is the most critical stage in the whole FA procedure. Sufficient and reasonable pre-FA ensures the successful rate of physical FA (PFA). This paper introduces how to use different pre-FA methods based on the types and failure mechanisms of different product reliability tests. Real cases are reported to emphasize the importance of pre-FA, whose incorporation in the product FA leads to more effective & successful outcomes.
　　Keywords: Product reliability; Nondestructive failure analysis; Electrical failure analysis; Physical failure analysis
　　
　　1引言
　　
　　集成电路产品上市前可靠性认证(Qualification)和量产后可靠性监测(Reliability Monitor)以及任意阶段的可靠性评估(Reliability Evaluation)都离不开产品可靠性测试(Product Reliability Test),任何测试都有可能会产生失效(Failure)。可靠性测试由于它的特殊性,其失效样品(Reject)往往比普通的测试失效样品更宝贵。一般来说,产品可靠性测试的周期都比较长,长的有近两个月,短的也有几天。而且,它的失效样品数也不会太多,有时甚至只有唯一的一颗。但正是这很长时间才得到的少量失效样品却对工艺改进、可靠性表现提升,乃至满足客户的要求有着举足轻重的作用。如何确保这些可靠性测试失效样品的失效分析(Failure Analysis, FA)成功率,成了失效分析工程师面临的重大挑战。在这种情形下,物性失效分析前的预分析(Pre-Failure Analysis, Pre-FA)就显得尤为重要。通常的预分析手段主要包括无损分析(Nondestructive Analysis)和电性分析(Electrical Analysis),无损分析主要是X射线检测和超声波断层扫描。电性分析的手段在预分析阶段主要有:测试机直流测试分析,万用表分析,电性曲线量测,测试机功能测试失效定位等等。 产品可靠性测试也有很多不同的项目,不同项目有不同的失效机理(Failure Mechanism)。针对不同的测试项目,失效预分析的手段运用也不尽相同。本文详细探讨了在不同的失效情形下如何运用不同的预分析手法来提高产品可靠性失效分析的成功率。
　　
　　2产品可靠性测试的分类
　　
　　集成电路产品可靠性测试可分为如下两大类,一类是主要评估芯片相关的产品可靠性项目[1],例如,高温使用寿命测试(High Temperature Operating Life,HTOL)、早夭率测试(Early Failure Rate, EFR)、静电放电测试(Electrostatic Discharge, ESD)、忍耐力测试(Endurance)、数据保持力测试(Data Retention Bake, DRB) 等。另一类是产品封装(Assembly)相关的项目,例如,温度循环测试(Temperature Cycling, TC)、温度冲击测试(Thermal Shock, TS)、高加速温湿度老化测试(Highly Accelerated Stress Test, HAST)、高压锅测试(Pressure Cooker Test, PCT)、温湿度偏压测试(Temperature Humidity with Bias, THB)、高温存储测试(High Temperature Storage, HTS)[2]。此二分法是根据评估对象分的,因此芯片制造商比较关注芯片相关的测试项目,封装提供商更关注封装相关的测试项目。而在实际测试中,也有可能通过封装相关的测试后,发现芯片相关的失效,反之亦然。所以具体的情况,还是得通过失效分析来做最终判定。而恰当的预分析往往已经能够揭示部分真相了,更为最终的失效分析指明了方向。
　　
　　3不同测试失效的预分析方法
　　
　　一般来说,芯片相关的失效,可通过测试机(Tester)提供的电性的预分析来精确定位失效点。封装相关的失效,可通过电性曲线量测和无损检测等预分析手段来定位和缩小失效区域。下面将详细讨论针对不同的测试项目的失效如何采用不同而有效的预分析方法。
　　
　　3.1 寿命测试类失效
　　寿命测试类失效,主要是指预烧 (Burn-in, BI)和老化(高温寿命测试)等的失效。因其表征了产品可靠性中核心的早夭率和使用寿命,反映了产品设计或晶圆制造过程中的问题,故通常都很受重视。此类失效,常见的是功能性失效(Functional Fail),可通过功能测试机进行电性预分析。对存储器类或逻辑芯片的内建存储单元失效,可以通过测试机的位图(Bitmap)功能来进行比较精确的失效定位(图1)。对其他逻辑和混合信号芯片,也可通过不同功能测试程序中不同的测试项目来定位失效模块。
　　 另外,什穆(Shmoo) 也是针对此类失效预分析的重要工具,一般的功能测试机都能提供此功能(图2)。它通过扫描不同的测试条件来判断器件是完全失效,还是具有一定测试条件依赖性的部分失效,例如电压依赖,频率依赖等等。
　　 寿命测试中也可能会出现测试导致的过电应力(Electrical Over Stress, EOS),一般电性测量会发现有短路或开路。预分析可通过外观检查来发现,常见的现象是器件外观有大电流烧灼的痕迹,也有外观无明显症状的,就只能通过后续的物性分析来判断了。

　　寿命测试一般都在高温高电压下进行,偶尔也会加速显现一些封装方面的失效,如金线断裂,焊点剥离等,通过后面重点介绍的无损预分析可以发现这些问题。但这些失效机理都不是寿命测试重点考察的方向。
　　
　　3.2静电放电测试类失效
　　静电放电测试类失效,主要的失效模式是漏电。除了测试机台提供的数据,用电性曲线量测仪(Curve Tracer)确认和比较失效管脚的电压电流特性曲线(图3)也是预分析的必要步骤。
　　
　　3.3环境测试类失效
　　环境测试类主要是用来评估封装可靠性的,常见的失效模式是开路、短路、漏电、参数漂移(Parameter Shift)等。针对开路和短路,预分析最常用的是万用表。比起电性曲线量测仪,它使用起来快速简单,能够更快的确认失效,排除由于测试制具和管脚的接触问题导致的误判。确认完失效后,接下来就是重要的预分析步骤:无损分析。它主要包括两种在电子元器件领域最常用的工具:X射线透视仪(X-Ray)和超声波断层扫描仪(Sonic Acoustic Microscope, SAM或Scanning Acoustic Tomograph, SAT)X射线透视检测是常用的无损检测方法。失效分析用的X射线透视仪原理与医用X射线透视仪完全相同。样品局部缺陷造成该处吸收系数异常,引起X射线透视像的局部衬度异常[3]。用它能很容易发现诸如封装引线断裂等问题。焊点剥离(Pad Peeling)、焊点移位(Ball Shift)也可以通过多角度的仔细观察被发现。
　　图4就是一张温度循环测试后开路失效样品的X光图。箭头指示的金线颈部有断裂迹象。后续开封(De-Cap)后的扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)图像(图5)更清晰的证实了这一点。
　　 对于环境测试中的预处理(Preconditioning)造成的分层(Delamination)问题,X射线透视检测就无能为力了。而对另一种重要的无损检测工具,超声波断层扫描仪来说,这正是它的强项。它通过不同密度的两种物质的界面对超声波反射的强弱来成像,从而能发现封装中的分层和空洞(图6)。
　　 另外由于硅的密度比较小,X射线透视很难发现硅芯片的本身异常(如裂纹,断裂),但超声波断层扫描却能探测到[4](图7)。
　　 环境测试类失效是使用预分析手段最多的,除了简单电性量测和无损分析,3.1节中介绍的功能测试机位图功能也能对一些存储器类的环境测试失效起到很好的预分析效果,有时还能对问题的澄清起到立竿见影的效果。
　　例如,有一颗随机存储器(SRAM)样品在高加速温湿度老化测试(HAST)后发现功能失效。测试机位图显示在芯片的上部中间有异常的失效图样(图8),初步可判断可能是芯片表面刮擦(Scratch)。
　　 再通过无损的超声波断层扫描,在芯片表面的超声波扫描图中也同样发现了异常亮条文(圈中白色条纹,图9),表明芯片表面有刮擦裂纹。
　　基于以上的预分析,最后的物性失效分析开盖后,通过光学显微镜很快就找到了芯片表面相应的刮擦痕迹(图10)。失效分析结论是:芯片表面的钝化层(Passivation)在封装或封装前被刮擦,经过高加速温湿度老化测试后,湿气透过损伤的钝化层进入电路层导致电路的失效。
　　
　　4 总结
　　
　　本文介绍了针对不同的产品可靠性测试失效所常用的各种预失效分析方法,包含测试机位图分析、什穆分析、电性曲线量测、X射线透视检测、超声波断层扫描等等。通过这些有效的预分析方法,失效分析工程师对失效样品已经有了一定的了解,在后续的样品制备、分析处理过程中更具有方向性,从而缩短了失效分析的时间,并显著提高了失效分析的成功率,最终的失效分析报告也会更具有说服力。对于产品可靠性测试的失效样品,千万不要盲目地进行开盖和物性分析,要根据测试项目特性,失效模式和产品相关信息做好充分的预分析。有些简单的失效机理甚至只通过预分析就能很有信心的做出判断。正所谓,磨刀不误砍柴功,认真充分的预分析,不仅仅对产品可靠性测试的失效,而且对所有的失效样品分析都具有重大意义。
　　
　　参考文献
　　[1] Way Kuo, Wei-Ting Kary Chien, Taeho Kim, Reliability, Yield, and Stress Burn-In -- A Unified Approach for Microelectronics Systems Manufacturing and Software Development, Kluwar Science, Boston, USA, 1998;
　　[2] JESD47F, Stress Test Driven Qualification of Integrated Circuits, 2007
　　[3] 孔学东,恩云飞主编,电子元器件失效分析与典型案例,国防工业出版社,2006
　　[4] T.M. Morre and C.D. Hartfield, “Acoustic Microscopy of IC Packages”, Microelectronic Failure Analysis, US, Desk Reference 4th Edition, 1999

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