在电子产品日新月异的今天，其复杂性与集成度不断提升，失效风险也随之增加。无论是手机意外死机、汽车电子系统故障还是卫星信号中断，失效分析（Failure Analysis, FA）是定位问题根源、提升产品可靠性的核心技术手段。它如同一位“电子侦探”，从失效现象出发，抽丝剥茧，最终揭示隐藏在微小结构中的失效真相。

 

一、 电子产品失效分析工作系统开展指南

 

失效分析并非简单的设备操作，而是一项严谨的工程活动，需遵循科学流程与方法论：

 

(一) 核心目标定位

 

精准定位失效点： 精确找到引发失效的具体物理位置（如芯片内部特定晶体管、电路板某条走线、焊点）。

 

深入解析失效机理： 揭示失效发生的物理或化学过程（如电迁移、热疲劳、腐蚀、闩锁效应）。

 

追溯根本原因： 判断是设计缺陷、材料问题、工艺异常、使用不当还是环境应力超标。

 

提供改进方案： 基于分析结果，提出设计优化、工艺改进、材料替换或使用规范建议，杜绝问题复发。

 

(二) 标准工作流程（闭环式）

 

1.信息收集与问题定义 (关键起点)：

 

详尽记录失效现象（何时、何地、何种条件下发生？具体表现？失效率？）。

 

收集产品背景信息（型号、批次、设计文档、工艺记录、使用环境、历史维修数据）。

 

明确分析目标与范围（是定位单个失效点？还是寻找批次性失效模式？）。

 

2.失效现象复现与初步诊断：

 

在受控条件下（实验室）尝试复现失效现象。

 

进行基础电性能测试（万用表、示波器、电源）：确认开路、短路、参数漂移、功能异常等。

 

初步隔离失效区域（板级→模块级→芯片级）。

 

3.非破坏性检测 (NDT) 先行：

 

目检 (Visual Inspection)： 放大镜、立体显微镜检查外观损伤、污染、烧痕、开裂、异物。

 

X射线透视检查 (X-Ray Inspection)： 检查封装内部结构、引线键合、焊点（空洞、桥连、开裂）、PCB内部走线、层间连接、元件位置。

 

声学扫描显微镜 (CSAM/SAT)： 检测塑封器件内部的分层、空洞、裂纹等界面缺陷。

 

红外热成像 (IR Thermography)： 定位过热点（短路、高功耗区域），评估散热。

 

电性能验证： 在非破坏前提下进行更深入的信号完整性测试、边界扫描测试等。

 

原则： 优先使用不改变样品物理状态的检测手段，保存原始证据。

 

手段：

 

4.失效点精准定位 (关键环节)：

 

光发射显微镜 (EMMI)： 捕捉芯片中因漏电、栅氧击穿等产生的微弱光子，定位异常发热点。

 

热点检测： 利用液晶、荧光微胶囊、红外热像仪等定位微小热异常区域。

 

激光诱导故障定位 (LIVA/TIVA)： 利用激光束扫描，通过电压或电流变化精确定位开路/短路点。

 

时域反射计 (TDR)： 定位PCB传输线、电缆中的阻抗不连续点（开路、短路、断裂）。

 

5.破坏性物理分析 (DPA) 与样品制备：

 

开封 (Decapsulation)： 化学（发烟硝酸）或等离子体去除塑封料，暴露芯片表面。

 

去层 (Delayering)： 逐层去除芯片表面的钝化层和金属层（化学腐蚀、等离子刻蚀、机械研磨），暴露下层结构。

 

截面分析 (Cross-Sectioning)： 精确切割、研磨、抛光样品，获得观察内部结构的垂直剖面。

 

聚焦离子束 (FIB)： 进行纳米级的精确切割、沉积、成像，用于定点剖面、电路修改、透射电镜样品制备。

 

必要性： 当非破坏性手段无法触及核心失效点时进行。

 

样品制备 (关键技艺)：

 

6.微观结构与成分分析：

 

扫描电子显微镜 (SEM)： 提供高分辨率（可达纳米级）的样品表面或剖面形貌图像。是微观观察的主力。

 

能谱仪 (EDS)： 常与SEM联用，分析样品微区元素成分（定性+半定量），用于异物分析、腐蚀产物鉴定、材料确认。

 

透射电子显微镜 (TEM)： 提供原子尺度的超高分辨率成像和晶体结构分析，用于分析栅氧缺陷、晶格损伤、界面原子结构等。

 

聚焦离子束 (FIB)： 除制样外，其自身的成像能力（离子束成像）也常用于高分辨率观察。

 

7.电学特性微观验证：

 

纳米探针 (Nano-Probing)： 在FIB制备的芯片横截面上或开封后芯片表面，用极细探针直接接触晶体管或互连线节点，测量其电学特性（IV曲线），验证失效点的电学表现。

 

8.综合分析、机理判定与报告撰写：

 

整合所有证据链： 将现象、定位信息、形貌观察、成分分析、电学验证等结果相互关联印证。

 

判定失效机理： 基于物理证据和理论知识（材料科学、半导体物理、可靠性理论）推断失效发生的根本物理/化学过程。

 

追溯根本原因： 分析机理产生的根源（设计裕量不足？材料选型错误？工艺参数漂移？静电损伤？过应力？）。

 

撰写专业报告： 清晰阐述分析过程、展示关键证据图片、明确失效点、失效机理、根本原因，并提出具体可行的改进建议。

 

(三) 成功关键要素

 

严谨的逻辑思维： 遵循“假设-验证-修正”的科学方法。

丰富的经验积累： 熟悉常见失效模式、机理及表征方法。

先进的设备平台： 依赖高精尖的分析仪器。

跨学科知识融合： 材料、物理、化学、电子工程、可靠性工程。

细致的观察能力： 不放过任何细微异常。

详实的记录： 确保分析过程可追溯、可复现。

 

二、 电子产品失效分析核心设备详解

 

失效分析实验室如同一个高科技“侦探装备库”，以下设备是解开失效之谜的关键工具：

 

(一) 光学显微成像设备

 

立体显微镜 (Stereo Microscope)：

用途： 初步外观检查、宏观失效定位（如烧毁、裂纹、污染）、辅助操作（如探针操作、开封后观察）。

特点： 景深大，提供三维立体感，放大倍数较低（通常<100X）。

 

金相显微镜 (Metallurgical Microscope)：

用途： 高倍率（可达1000X以上）观察芯片表面金属层、焊点、抛光后的截面样品。配备微分干涉相衬（DIC）可增强表面起伏对比度。

特点： 需要反射光照明，用于观察不透明样品表面。

 

(二) X射线与CT成像设备

 

2D X射线检测系统 (2D X-Ray Inspection)：

PCB： 焊点质量（空洞、桥连、开裂）、走线断裂、元件错位、内层短路/开路。

封装器件： 引线框架变形、键合丝断裂/塌陷、芯片粘接空洞、塑封料内气泡/异物。

用途： 无损检查器件内部结构：原理： 利用不同材料对X射线的吸收差异成像。

 

3D X射线计算机断层扫描 (3D X-Ray CT/ Micro-CT)：

复杂三维结构内部缺陷可视化（如BGA焊球内部空洞、3D IC堆叠结构）。

精确测量内部尺寸、缺陷体积。

虚拟切片，无需物理破坏即可观察内部任意层面。

用途： 在2D X射线基础上，通过样品旋转和重建算法，获得样品内部任意截面的高分辨率三维立体图像。尤其擅长：

优势： 强大的无损三维透视能力，分辨率可达亚微米级。

 

(三) 声学扫描显微镜 (CSAM / SAT)

 

用途： 无损检测材料界面缺陷。

 

塑封器件内部： 芯片与塑封料的分层、塑封料与基板的分层、芯片粘接空洞、内部裂纹。

 

PCB： 多层板内层分层、埋入式器件界面空洞。

 

其他： 陶瓷封装裂纹、晶圆键合质量。

 

原理： 利用高频超声波（>10MHz）在材料中传播，遇到界面（如分层、空洞）时会发生反射或散射。通过扫描探头接收反射信号强度，形成反映界面粘合状态的图像（C-Scan图）。分层/空洞区域呈现高亮（强反射）。

 

(四) 电子显微分析设备（核心主力）

 

扫描电子显微镜 (SEM)：

观察芯片表面金属布线、钝化层裂纹、通孔、焊点微观结构（IMC层）、FIB切割后的横截面。

配合能谱仪（EDS）进行元素分析。

用途： 失效分析的核心眼睛。 提供超高分辨率（优于1nm）的样品表面或剖面形貌信息。

原理： 聚焦电子束扫描样品表面，激发产生二次电子（SE，主要反映表面形貌）和背散射电子（BSE，反映原子序数差异/成分衬度）。

 

能谱仪 (EDS)：

对SEM图像中感兴趣的微区进行元素定性（是什么元素）和半定量（大致含量）分析。

识别异物、腐蚀产物、焊料合金成分、材料确认、污染分析。

用途： 元素分析的主力。 常作为SEM的附件。

原理： 检测电子束激发的样品原子特征X射线光子，不同元素的光子能量不同。

 

聚焦离子束系统 (FIB)：

定点截面 (Cross-Sectioning)： 在精确位置（如EMMI定位点）切割出纳米级精度的横截面，供SEM观察。

透射电镜样品制备 (TEM Lamella Preparation)： 制备超薄的（<100nm）样品薄片。

电路编辑 (Circuit Edit)： 切割/沉积金属，修改电路连接，用于设计验证或绕过失效点。

离子束成像： 利用离子束成像，尤其对绝缘和荷电样品效果好。

沉积材料： 在局部区域沉积金属（如Pt、W）或绝缘体（SiO2），用于连接或保护。

用途： 纳米级的“手术刀”和“显微镜”。 功能极其强大：

原理： 利用聚焦的高能镓离子束轰击样品表面，实现溅射刻蚀（切割）或诱导沉积。

 

透射电子显微镜 (TEM)：

获得原子级分辨率的样品内部结构图像（晶格像）。

分析晶体结构、晶格缺陷（位错、层错）、界面原子结构、栅氧化层厚度及缺陷。

进行选区电子衍射（SAED）分析晶体学信息。配合EDS或电子能量损失谱（EELS）进行极高空间分辨率的微区成分分析。

用途： 原子尺度的终极观察。

原理： 高能电子束穿透极薄样品，利用透射电子、衍射电子成像和分析。样品制备（通常由FIB完成）要求极高。

 

(五) 失效定位设备（失效点的“指南针”）

 

光发射显微镜 (EMMI)：

用途： 定位芯片内部因异常电流（如pn结漏电、栅氧击穿、闩锁效应、晶体管饱和）产生的微弱近红外光子发射点。是定位热载流子相关失效的利器。

原理： 使用高灵敏度、制冷CCD相机在近红外波段捕捉失效点发出的光子。

 

激光诱导技术：

激光诱导电压变化 (LIVA)： 激光扫描时监测样品电压变化，定位开路缺陷。

热诱导电压变化 (TIVA)： 类似LIVA，利用激光引起的热效应导致电阻变化，定位短路或高阻点。

原理： 激光束聚焦扫描芯片表面，激光能量（光或热效应）引起局部电学特性（电阻、结特性）变化，通过监测电源电流或电压的微小变化来定位失效点。

 

时域反射计 (TDR)：

精确测量故障点距离（开路点、短路点、阻抗突变点）。

用途： 定位PCB传输线、电缆、封装引线中的阻抗不连续点（故障点）。

原理： 向传输线发送高速阶跃脉冲，测量反射脉冲的时间和极性，计算故障点位置和类型。

 

(六) 热分析设备

 

红外热像仪 (IR Camera)：

用途： 非接触式测量器件工作时的表面温度分布，定位过热点（短路、高功耗区域），评估散热设计。

原理： 探测物体自身发射的红外辐射能量，转换为温度分布图像。

 

示差扫描量热仪 (DSC)：

用途： 测量材料的相变温度（熔点、玻璃化转变温度Tg）、固化度、比热容等。用于分析焊料合金、塑封料、粘接材料的热性能是否符合要求，或是否经历了异常高温。

原理： 测量样品与参比物在程序控温下维持相同温度所需的热流差。

 

热重分析仪 (TGA)：

用途： 测量材料在程序控温下的质量变化。用于分析材料的热稳定性、分解温度、挥发分/水分含量、组分比例（如填充物含量）。

原理： 高精度天平测量样品在加热过程中的实时重量变化。

 

(七) 电性能测试与分析设备（功能验证基础）

 

基础设备：

数字万用表 (DMM)、直流电源 (DC Power Supply)、示波器 (Oscilloscope)、逻辑分析仪 (Logic Analyzer)： 进行基本电参数测量、信号采集、功能验证。

 

专用设备：

用途： 在微观尺度（芯片表面或FIB制备的截面）上，使用极细探针（尖端可<100nm）直接接触单个晶体管或互连线节点，测量其完整的电流-电压（IV）特性曲线。是验证微观结构电学失效（如晶体管漏电、开路、参数漂移）的直接证据。

特点： 需要与SEM或FIB联用进行精确导航和定位，操作难度大，但对理解芯片内部单元失效至关重要。

参数分析仪 (Parametric Analyzer/Semiconductor Analyzer)： 精确测量晶体管、二极管等半导体器件的IV、CV特性曲线。

曲线追踪仪 (Curve Tracer)： 快速显示半导体器件的特性曲线。

纳米探针系统 (Nano-Prober)：

 

三、 设备选型与应用策略建议

 

非破坏先行，破坏在后： 严格遵循分析流程，先用X-Ray、CSAM、EMMI等无损或微损手段，再考虑FIB、开封、去层等破坏性方法。

 

分辨率匹配需求： 根据失效特征尺寸选择合适的设备。宏观缺陷用光学显微镜，微米级用SEM，纳米/原子级用TEM/FIB。

 

信息互补： 没有单一设备能解决所有问题。SEM看形貌，EDS测成分，FIB做定点截面，电学测试验证功能，需综合运用。例如，EMMI定位热点后，需FIB做该点截面，再用SEM/EDS观察形貌和成分，最后可能用纳米探针测IV曲线。

 

成本与效率平衡： 高精尖设备（如TEM、高端FIB-SEM）购置和运行成本极高。需根据分析需求频率和深度，合理配置资源，考虑第三方实验室协作。

 

四、 典型失效案例中的设备协同应用

 

案例： 某手机主板上的BGA芯片在高温测试后功能失效。在疑似锡须桥连位置进行定点剖面切割。

 

SEM观察： 清晰显示锡须确实造成了两个焊球间的短路，同时观察到空洞附近的IMC层存在异常裂纹。EDS分析： 确认锡须成分、IMC成分及裂纹处是否有污染。

 

电测： 确认特定信号线对地短路。

 

外观检查 (立体显微镜)： 未发现明显烧毁或损伤。

 

X-Ray透视： 发现失效芯片下方一个BGA焊球内部存在大型空洞，且相邻两个焊球间疑似有微小锡须桥连。

 

3D CT扫描： 重建三维图像，确认锡须的空间形态和连接关系，精确测量空洞体积占比（超过标准）。

 

FIB-SEM：

 

综合分析： 空洞降低散热导致局部高温，促进锡须生长；同时高温应力加剧IMC层开裂。

根本原因：焊接工艺参数不当（空洞）+ 焊料合金/表面处理抗锡须能力不足。

 

五、 总结与展望

 

失效分析是现代电子产品可靠性的基石。其成功依赖于严谨科学的分析流程和强大先进的设备平台。从宏观的外观检查到纳米级的原子成像，从无损透视到精准的电路“手术”，每一类设备都在揭示失效真相的链条上扮演着不可或缺的角色。

 

随着电子产品向更高集成度（3D IC、Chiplet）、更小尺寸（先进节点）、新材料（宽禁带半导体、新型介电材料）和更复杂应用（汽车电子、AI、5G/6G）发展，失效分析面临更大挑战：

 

设备需求： 更高分辨率（亚埃级TEM）、更强三维分析能力（高分辨率、大样品腔CT）、更快的失效定位技术（针对复杂低功耗芯片）、更精准的微纳操控与表征（先进FIB、自动化纳米探针）、更智能的数据分析（AI辅助图像识别、大数据关联分析）。

 

技术发展： 原位分析（在电、热、力等应力下的实时观察）、更高通量分析、跨尺度关联分析（从系统级到原子级）将成为重点。

 

深入理解失效分析的工作方法，熟练掌握核心设备的原理与应用，并不断跟踪技术前沿，是电子工程师和质量可靠性专家破解产品失效难题、推动技术持续进步的核心竞争力。失效分析的价值不仅在于解决过去的问题，更在于照亮未来产品可靠性的提升之路。