【凌光快讯】从EFA到PFA，国产半导体失效分析协同链路实现新进展

半导体失效分析应用案例

凌光红外失效定位方案与国产电镜厂商PFA能力完成协同验证

近日，安徽凌光红外科技有限公司（以下简称“凌光红外”）围绕半导体芯片失效分析（Failure Analysis，FA）开展联合技术验证。凌光红外依托自身在电性失效分析（EFA）领域的产品及技术能力，并结合国产电镜厂商在物性失效分析（PFA）环节的定点制样与微观分析能力，针对一颗发生ESD失效的QFP封装MCU芯片开展分析，并通过国产设备方案与进口对标方案的平行测试，对THERMO失效点定位、晶背近红外验证及FIB定点截面剖析等关键环节进行了对照验证。

本次验证结果显示，在本次样品及测试条件下，凌光红外Thermo100获得的失效点位置与进口对标设备结果具有较好的对应性；基于前端获得的失效点坐标，国产电镜厂商的双束电镜系统进一步完成了目标区域的定点截面分析，并观察到与失效位置相关的异常损伤特征。

图1：凌光红外Thermo100

制冷锁相红外显微镜

通过此次验证，凌光红外实现了从EFA失效点定位到PFA定点剖析的国产设备协同应用，为半导体失效分析国产化提供了具有工程参考价值的实践案例。

从“找到失效”到“分析失效”：EFA与PFA实现有效衔接

半导体失效分析是芯片研发、可靠性验证、失效定位及制造良率分析中的重要技术环节。完整的失效分析流程通常涵盖电学参数初筛、电性失效定位（EFA）以及物性失效分析（PFA）等多个环节。

其中，锁相红外显微镜（THERMAL）、微光显微镜（EMMI）、激光诱导电阻变化系统（OBIRCH）等设备主要用于电性异常区域的无损定位；双束电镜系统，则用于定点截面制样、微观形貌观察以及后续物性失效分析。

对于部分ESD、介质击穿等类型的内部失效，芯片表面可能不存在明显的可见缺陷。因此，前端EFA能否有效缩小潜在失效区域，以及后续FIB系统能否依据前端定位信息完成定点制样，是失效分析流程中的重要环节。

EFA解决“失效可能在哪里”的问题，PFA进一步观察“失效发生了什么”。

本次验证正是围绕这一关键技术衔接展开。在测试过程中，凌光红外Thermo100承担前端失效点定位及坐标测量，国产电镜厂商的双束电镜系统负责后续定点截面制样与微观分析。通过前端定位信息向后端PFA环节传递，形成了从“失效点发现 → 坐标标定 → 定点制样 → 微观失效分析”的国产设备协同链路。

同批次样品平行验证，检验国产方案协同应用表现

本次验证选取一颗QFP封装MCU芯片作为分析样品。该样品经过ESD HBM模型可靠性测试后发生电性失效，常规电学测试确认芯片IO引脚与GND引脚之间出现短路异常。

为对比国产方案与进口对标方案在实际失效分析流程中的应用表现，测试选取两颗同批次失效样品开展平行测试。

SN1：国产设备方案

采用凌光红外Thermo100完成失效点定位及坐标测量，随后由国产电镜厂商的双束电镜系统开展定点截面剖切（Cross-section）与微观失效分析。

SN2：进口对标方案

采用进口旗舰厂商的锁相红外显微镜及聚焦离子束系统，按照相应分析流程完成电性失效定位及物性失效分析。

两组测试在主要测试条件保持一致的情况下进行，通过对失效位置及后续FIB截面结果进行对照，观察国产方案在该类失效分析场景中的应用表现。

第一步：失效定位——锁定潜在失效区域

两颗样品电阻均为1kΩ。在完成局部开封后，分别使用凌光红外Thermo100和进口对标设备开展失效定位测试。主要测试条件如下：

测试结果显示，两种方案均在失效Pad周边捕捉到明显热信号，失效位置具有较好的对应关系，与前期电学测试获得的短路失效特征相吻合。

从本次测试结果来看，凌光红外Thermo100与进口对标设备对该样品的失效点识别结果具有较好的对应性，国产设备方案能够获得后续PFA分析所需的失效点位置信息。在成像表现方面，两组测试均获得较为清晰的红外图像，可用于失效点区域判断及后续位置测量。

图2：凌光红外Thermo100失效点图：

正面（上：8X，下：1X）

图3：进口旗舰厂商THERMAL失效点图：

正面（上：10X，下：1X）

第二步：晶背近红外成像——验证内部异常区域

完成失效定位后，对样品进行化学开封，剥离芯片封装层并取出裸芯片。随后，借助凌光红外VERITAS系列激光扫描共聚焦显微镜采集芯片晶背红外（NIR）图像，对芯片内部可能存在的损伤区域进行进一步观察。

从晶背近红外图像中可以观察到，与前述失效位置对应的区域存在异常特征，如图红框所示。

图4：NIR晶背图与异常区域

这一环节进一步将前端定位结果与芯片晶背图像信息进行关联，为后续FIB定点制样提供辅助判断依据。

第三步：FIB定点截面——

从“找到失效”走向“观察失效”

完成失效定位后，下一步需要将前端获得的位置信息传递至FIB系统，对目标区域进行定点截面制样。基于凌光红外Thermo100的测距功能，测得失效点区域距离芯片边缘约53μm。以该位置坐标作为后续制样参考，采用国产电镜厂商的双束电镜系统开展定点截面剖切。

SEM表层观察

失效点对应区域的样品表面形貌整体正常，未观察到明显的表面缺陷。

FIB截面分析

进一步开展FIB Cross-section分析后，在距离芯片边缘约50μm的位置观察到异常特征，其中约55μm深度区域的损伤特征相对明显。

这意味着，对于部分表面不存在明显可见缺陷的内部失效，仅依靠表面观察难以直接判断失效位置，而前端失效点定位所获得的位置坐标，可以为后续FIB定点分析提供重要参考。

图5：凌光红外Thermo100

失效点位置坐标量测（上）

与样品表面SEM图像（下）

图6：双束电镜定点截面分析结果：

失效点边缘（上）与失效点中心（下）

进口对标结果：验证国产方案的流程衔接能力

作为对照，进口方案同样对对应失效点区域进行了FIB截面分析。SEM表层观察显示，失效点对应区域表面形貌整体正常，未观察到明显可见缺陷。进一步进行FIB Cross-section分析后，在对应失效点区域观察到明显损伤特征。

图7：进口对标方案样品表面SEM图像

图8：进口对标方案FIB截面分析结果

综合两组实验结果，在本次MCU芯片ESD失效案例中，国产方案与进口对标方案均完成了从失效点定位到FIB截面分析的相应流程，所得失效区域具有较好的对应性。

此次测试关注的不仅是单台设备的成像结果，更重要的是验证前端EFA定位结果能否有效传递至后端PFA分析。从本次案例结果来看，凌光红外Thermo100获得的失效点位置能够为后端双束电镜的定点截面分析提供位置依据，相关设备在该案例中实现了有效的流程衔接。

协同验证背后：国产FA能力从单点走向链路

凌光红外：聚焦半导体EFA应用场景

安徽凌光红外科技有限公司于2021年成立，创始人源于中国科学技术大学，公司专注于研发高端光学显微仪器，为电性分析和热物性检测提供先进解决方案。

围绕半导体电性失效分析（EFA）应用，凌光红外持续完善产品布局，已形成包括锁相红外显微镜（THERMAL）、微光显微镜（EMMI）、激光诱导电阻变化系统（OBIRCH）、二合一机台及倒置设备等在内的产品体系，可覆盖不同类型的电性失效定位应用场景。

在本次验证中，凌光红外Thermo100和VERITAS承担前端失效点定位与验证，为后续FIB定点截面分析提供位置参考。

国产电镜厂商：提供后端PFA设备支撑

参与本次验证的国产电镜厂商在半导体物性失效分析（PFA）领域具备双束电镜等设备能力，相关设备可应用于芯片开封后的定点去层、截面制样、微观形貌观察以及元素成分分析等环节。本次验证中，其双束电镜系统承担后端定点截面制样及微观失效分析，与凌光红外前端EFA失效点定位形成技术衔接。

从单台设备到协同链路：国产FA方案迈向实际应用

在实际半导体失效分析过程中，ESD、介质击穿等类型的失效可能发生在芯片内部，部分失效区域在样品表面并不存在明显可见痕迹。面对这类失效，前端EFA设备需要尽可能缩小潜在失效区域，后端FIB系统则需要依据前端获得的位置信息完成定点制样和微观分析。

本次MCU芯片ESD失效案例中，凌光红外Thermo100完成了内部异常区域的定位与坐标测量，国产电镜厂商的双束电镜系统则依据前端位置信息开展定点截面分析，并在目标区域观察到异常损伤特征。

通过设备与技术流程的衔接，EFA+PFA国产化协同方案在实际样品上的应用得到了一次案例验证。

对于国产半导体失效分析产业而言，这不仅是一次产品层面的联合测试，也代表着国产设备从单一分析环节向多环节协同应用的一次探索。未来，凌光红外将继续围绕半导体研发、可靠性分析、失效定位及制造良率分析等应用场景，加强EFA与PFA之间的技术协同，持续探索国产设备在完整失效分析流程中的应用模式，为半导体产业提供更多国产化设备选择。

从EFA失效点定位，到PFA定点剖析。凌光红外将持续探索半导体失效分析国产化协同应用的新路径。