失效分析对可靠性至关重要

故障分析正迅速成为一项复杂、昂贵且越来越费时的必须完成的任务，因为市场上使用的越来越多的设备对可靠性的需求不断上升汽车来5克．

从一开始，失效分析就是要找出半导体设计和制造中出现的问题。在过去的几十年里，不同的方法、工具和设备都得到了改进，最近有了在线监控、新设备来测试和检查更多的并行电路，以及更多的数据分析来发现模式和提高覆盖率。但芯片制造商和系统公司现在更依赖于故障分析，从数字到模拟ic和IP，他们也将其应用于一个封装中的多个设备。

马修·诺尔斯说:“我们看到客户在测试成本和质量之间权衡，并计算他们需要多少芯片。，硅学习产品市场部经理Mentor是西门子旗下的企业．“我们看到了对操作软件测试和自适应测试的更多依赖，在这些测试中，它可以根据Tcl(工具命令语言)质量数据自动决定使用什么测试模式。这为更好地做事情提供了很多机会，因为过去人们测试设备的方式令人惊讶地简单。这是延长老化时间的另一种选择，这是资金和时间上的限制。”

这与过去的故障分析有很大的不同，过去的故障分析主要是对返回的项目进行的，而不是在设备的整个生命周期内持续主动地分析设备。

“很多事情以前是做不到的，”凯斯·阿诺德(Keith Arnold)说PDF的解决方案．“现在它更关注数据，所以我们有物理故障分析，电气故障分析和数据故障分析。有了所有这些，您就可以开始预测故障何时发生，而不仅仅是找出设备故障的原因。这还只是冰山一角。如果你看看从铸锭到成品的多个工艺步骤，在这一点上，很少有人有适当的系统来做这种事情。但如果你能真正做到早期失效预测，也就是每个模具失效的可能性，那么你就能控制制造过程。因此，你也可以开发一个更有活力的过程。”

其他国家也在走类似的路线。

“直到最近，许多经典的解决方案提供商都依赖于模拟的可靠性，”Kiki Ohayon说，at业务发展副总裁OptimalPlus．“他们会将模型建立在设计数据假设的基础上。这已经不够了。您还需要生产数据。我们现在正在与仿真公司合作，帮助他们了解模型中的盲点。”

在多芯片模块和包以及复杂系统中检测故障也更加困难。

Ohayon说:“你需要了解整体集成对封装和芯片的影响。”“如果你在不同的环境中使用设备，可能会有影响。但是你也需要在一个系统的背景下理解它。你不能孤立地分析这个问题，这是过去发生的事情。我们从越来越多的客户那里听说，他们希望集成来自设备生命周期不同阶段的数据。”

参数失效分析
除了这些数据，故障分析技术也在供应链中比过去更多的地方得到应用。它正在向左移动到实验室和制造中使用的材料，并一直右移到制造后的监控。然而，说起来容易做起来难。分析数据和防止故障的挑战，特别是在现场，在每一个新的过程中都显著增加节点．

“越来越多的人开始关注参数增量，而不是什么是好，什么是坏，”高盛的收益率管理专家卡尔•摩尔(Carl Moore)表示yieldHUB．“这些都是微妙的变化，而不仅仅是通过/不通过。它可以是两个或多个测试的输出移位的增量，也可以是一个引脚和其他八个引脚的增量。如果你在一个芯片上有多个重复的块，你可以比较这些块的结果。这是分析数据来定义delta的一个全新领域。”

这也为在其他芯片或系统的背景下分析模拟和混合信号设备打开了大门。摩尔说:“无论如何，在最小的尺度上，数字几乎就像模拟。”“但你也可以看看开关和射频与数字相结合的寄生频率。”

模拟故障分析
这并不意味着传统的测试方法不那么重要，但它们确实需要放在设备在现实世界中如何运行的背景下。其中一些可以提前完成，以确保可靠性。

”扫描测试对我们正在测试的一些设备的数字部分仍然有效，”国家仪器．“但随着设备与高度数字化的控制器和许多模拟组件集成在一起，它越来越多地成为混合信号设备，那么扫描将无法提供覆盖范围，或使用混合信号设备的模拟部分。所以你可以写入寄存器，并尝试以特定的方式配置设备，但你仍然需要能够强制直流和射频信号通过设备，以获得你正在寻找的测量结果，以验证设备的性能。”

其中一些还可以用于模拟故障预测，这是故障分析领域的一个新发展。

yieldHUB的Moore表示:“除了射频和数字结合，我们还在寻找更多来自开关的寄生频率。“模拟和MEMS更难测试，因为你从传感器得到的是微小的信号，而这些信号的密度越来越大。所以对于开发芯片的设计师来说，现在最重要的是围绕芯片的是什么，以及芯片将如何使用。不同的是，在数字测试中，你可以通过高度并行的测试来做到这一点。使用模拟，就不那么容易了。对于电源和MEMS芯片，您可能一次在测试机上得到8或16个芯片，而不是数千个，因此速度较慢。功率芯片的可靠性也比逻辑更具挑战性。模具上不同的温度会产生更大的压力，所以你会看到越来越多的数据中细微之处的分析。还有一个问题是不同的电源模块与其他东西集成。所以你可能有10微米的金属线与2微米的线集成，因为模拟不需要最先进的线宽。 Still, they have shrunk over the years. Layouts are tighter and they are now switching at different frequencies. On top of that there are different materials, which can be a factor.”

在这一切的背后，是朝着预测分析而不是故障分析的方向发展的开端，这在模拟世界中尤其具有挑战性。

“我们的一个客户正在开发用于工业用途的液压泵，”Olaf Enge-Rosenblatt说，该公司的计算分析集团经理夫琅和费IIS自适应系统工程部．“他们从一个还可以的系统开始，因为没有故障，然后他们进行初始测量。随着时间的推移，他们学会了检测模式和信号的趋势和变化，这些提供了可以用来识别异常的趋势分析。但第一步是描述一个好的系统，这意味着你不仅要看经典的测量，比如振动。除此之外，你还必须包含所有的条件和参数。有一个轴以一定的速度旋转。如果你改变了它，你可以解释振动的变化，并将其考虑在内。但如果你所做的只是观察单个振动数，那并不能告诉你太多东西。”

Enge-Rosenblatt说，测量和数学方法与过去相同，但在上下文中对这些数据的解释可以提供更多关于设备或系统中正在发生的事情的见解。这在模拟数据方面尤其有价值，因为模拟数据的结构往往比数字数据少得多。

设备变更
用于开发这种诊断数据的设备也在不断发展。因此，虽然显微镜在失效分析中发挥了主导作用，但这一领域已经经历了一些重大改进。基本的光学显微镜已经被原子力显微镜所取代，扫描电子显微镜扫描声学显微镜、光电发射电子显微镜、红外显微镜、立体显微镜、扫描SQUID(超导量子干涉装置)显微镜、USB显微镜等。

Mentor的Knowles说:“失效分析是从科学家和工程师使用显微镜观察金属线和质量问题演变而来的。“一开始是光学显微镜，然后是sem和其他类型的显微镜。现在它已经发展成一个非常复杂的，多人员的过程，你可能有28件设备和技术可以使用，包括电子显微镜和设计信息。它从一个人通过光学显微镜观察进化到一个人在实验室里用价值数千万美元的设备。现在的问题是如何最好地利用这些资源。”

所有这些工具仍在使用中。不同的是，它们被插入到整个设计到制造流程的不同位置，制造后的数据可以实时收集和处理，如果故障不是迫在眉睫，也可以在日常维护期间收集和处理。在这一点上的挑战是能够结构化数据，使其有意义，这开始跨越到访问数据的问题，特别是在铸造厂的数据。

公司总裁兼首席执行官Subodh Kulkarni表示:“我们的客户为我们提供了足够的数据来改进传感器CyberOptics．“我们在软件中提供工具，他们可以做的不仅仅是查看原始数据。这些数据可以用来在不同的层次上添加智能，并通过人工智能的使用，使事情更具预测性。”

当然，数据越多越好。与过去相比，现在有了更多潜在的交互作用，而且随着先进的封装技术在后摩尔定律时代开始普及，作为一种以更低功耗提高性能的方式，这种交互作用将会更多。而这反过来又会影响失效分析和预先的失效预防。

“对我们来说，一个新的重点是将前端工厂过程控制方法和技术扩展到封装和印刷电路板(PCB)制造中，”切特·勒诺克斯(Chet Lenox)表示心理契约．“这就是我们收购Orbotech背后的想法。我们所指望的总体趋势是，越来越强调复杂的封装来组合模具和提高整体系统性能，将推动更加强调质量和过程控制。包装、PCB和系统集成曾经是整个流程中相对低成本、低附加值的部分，所以这对我们的技术并不是很有利。但随着面向移动部件的基于扇出的封装以及用于高性能计算的复杂多芯片模块的日益使用，这种情况正在迅速改变。这些过程将需要看起来更像前端半导体晶圆厂的解决方案，而不是像廉价的线粘接机，然后进行宏观光学检查。”

结论
故障分析正变得越来越复杂、及时，并越来越多地融入到故障预防和可靠性规划中。对于过去类似事后取证的任务来说，这代表了一个巨大的转变。现在，它正在演变成一种最先进的分析，分析什么会出错，什么会出错。

Mentor的Knowles说:“失效分析主要用于有故障的芯片，所以我们会去实验室，他们会用一些技术来观察它，主要是光学显微镜和一些sem，电子显微镜，可能还有一些电测试。”“人们总是用功能测试和参数测试来测试他们的芯片。很不错。在做故障分析的实验室和工厂之间总是有一种紧张关系。时间总是不够用。然后，随着事情变得越来越复杂，测试的成本和时间呈指数级增长，业界引入了扫描测试，这就是为测试而设计的技术。我们把设计元素放在整个芯片的扫描中，然后你就有了自动测试模式生成，其中有模拟工具可以理解芯片的设计，并说，‘这是我们想让测试人员应用的模式集。“这大大降低了测试成本。它还为故障分析人员提供了一个机会，利用它来诊断问题并了解芯片级别的问题。”

事后故障分析不太可能消失，特别是随着芯片在安全关键型应用中的应用，对可靠性的需求不断增加。但这些失败的原因不再是长达数月的调查。需要在几天内，有时是几个小时内得到答案，并且这些信息需要尽快直接返回到制造过程中，以限制故障和潜在召回的数量。这是目前最先进的分析，而且这些结果的周转时间和准确性对各方都变得越来越有价值。

-Jeff Dorsch对本文也有贡献。

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