芯片短路失效模式在芯片失效分析中是最常见的，那么针对这种故障模式应该怎么开展失效分析呢？

常见典型的失效分析流程如下图所示：

 

芯片短路失效模式的失效分析方法：

 

一、非破坏性分析

 

1、外观检查

利用光学显微镜仔细查看芯片表面。检查是否存在划痕、裂纹、金属迁移的痕迹等物理损伤。同时，留意芯片引脚部分，查看是否有短路的迹象，例如引脚间是否存在多余的金属丝、锡桥或者污染物等。

这种外观检查能够快速发现一些较为明显的可能导致短路的外部因素。下图为一个芯片引脚短路的形貌，导致出现这种现象的原因是芯片切割导致的铜丝残留。

2、电学性能初步测试--IV测试

IV测试（电流--电压特性测试）是非常重要的一步。通过向芯片施加不同的电压，并测量相应的电流，绘制出IV曲线。在短路情况下，IV曲线会呈现出阻性特征，在没有IV测试仪时可以使用万用表进行引脚之间的阻抗测试，或者使用二极管档测试每个管脚ESD电路的二极管压降（红表笔接芯片的GND，黑表笔接引脚，如短路则显示为0.001V）。

3、X-ray检测或CT检测

X-ray能够穿透芯片封装，对芯片内部结构进行成像。可以查看芯片内部的金属连线、焊点等结构是否存在异常。例如，它可以检测到内部金属连线是否有断裂后搭接造成短路的情况。

 

 

4、声扫（声学扫描显微镜）

声扫利用超声波对芯片进行检测。超声波在芯片内部不同介质界面传播时会发生反射，根据反射信号构建芯片内部结构的图像。对于检测芯片内部的分层、空洞或者封装内部的物理缺陷非常有效。

5、热点定位（封装级或芯片开盖后）

可使用红外热成像设备进行热点观察。芯片在正常工作时，不同区域的功耗不同，发热情况也不同。如果存在短路区域，由于电流异常增大，该区域会出现异常的发热点。通过观察可以定位到这些热点，从而推断出可能存在短路的电路部分或者元件。

热点定位有助于进一步缩小短路故障的排查范围，确定是哪个具体的电路模块或者晶体管等元件附近可能存在短路情况。

 

二、破坏性分析

 

6、开封（Decapsulation）

当非破坏性分析无法确定短路原因时，需要进行开封操作。去除芯片的封装材料，以暴露芯片内部结构进行观察。在开封过程中，要采用合适的化学试剂或设备，像酸性溶液或激光开封设备，并且要小心操作，避免对芯片内部结构造成额外损害。

大部分短路失效的样品开盖后即可观察到Burn Mark，但也有一些芯片开盖后开不到明显的异常，如下图短路样品开盖后在热点区域未发现明显异常。

针对开盖后无法观察到Burn Mark的芯片，可以选择如下两种方式进行下一步的分析：Backside样品制备和IR检查或逐层去层进行显微镜检查，也可以两种方式都开展。

7、Backside样品制备和IR检查

将芯片进行取die或者背面研磨样品制备，露出芯片的晶背，随后使用IR显微镜从晶背透视对热点区域进行观察。为什么IR检查可以透视呢？IR（红外线）能透过硅主要原因：

1）原子排列和晶格振动：硅是一种半导体材料，具有特定的晶体结构（金刚石立方结构）。硅原子在晶格中的排列方式使得其在红外波段的晶格振动模式与红外辐射有一定的相互作用。硅晶体中的原子振动会产生声子，在红外波段，这些声子的能量与红外光子的能量有一定的匹配关系，使得红外辐射在一定程度上可以与硅晶体相互作用并透过。

2）能带结构：硅的能带结构决定了它对不同能量光子的吸收特性。在红外波段，硅的能带结构使得它对红外光子的吸收相对较弱，从而允许部分红外光透过。硅的禁带宽度为1.12eV，对应的波长约为1.1μm，对于波长大于这个值（能量低于禁带宽度对应的能量）的红外光，硅的吸收系数相对较低，所以红外光有较大的透过率。

注：不是所有的芯片都可以使用IR进行透视，比如像Intel的芯片就无法使用IR进行透视，原因大概率是因为Intel的掺杂不同，这些杂质原子在硅晶体中会引入额外的能级，这些能级会影响硅对红外光的吸收。

8、去层（Layer Removal）

    如果经过前面的分析仍然无法确定短路原因，就需要进行去层操作。按照芯片的结构层次，逐层去除芯片的材料层。在去层过程中，每去除一层都要进行检查，例如使用光学显微镜或者SEM（扫描电子显微镜）进行观察。查看是否存在层间短路，如金属层之间的绝缘层损坏导致的短路，或者是在制造过程中某一层的工艺缺陷引发的短路。

 

来源：Top Gun实验室

关键词： 芯片