EOS验证与失效分析
半导体器件失效分析的研究
半导体器件失效分析的研究Research on Semiconductor Device Failure Analysis中文摘要半导体失效分析在提高集成电路的可靠性方面有着至关重要的作用。
随着集成度的提高，工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也逐步增大。
因此，失效分析必须配备相应的先进、准确的设备和技术，配以具有专业半导体知识的分析人员，精确定位失效位置。
在本文当中，着重介绍多种方法运用Photoemission 显微镜配合IR-OBIRCH精确定位失效位置，并辅以多项案例。
Photoemission是半导体元器件在不同状态下（二极管反向击穿、短路产生的电流、MOS管的饱和发光，等等），所产生的不同波长的光被捕获，从而在图像上产生相应的发光点。
Photoemission在失效分析中有着不可或缺的作用，通过对好坏品所产生的发光点的对比，可以为后面的电路分析打下坚实的基础，而且在某些情况下，异常的发光点就是最后我们想要找到的defect的位置。
IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change)主要是由两部分组成：激光加热器和电阻改变侦测器。
电阻的改变是通过激光加热电流流经的路径时电流或者电压的变化来表现的，因此，在使用IR-OBIRCH时，前提是必须保证所加电压两端产生的电流路径要流过defect的位置，这样，在激光加热到defect位置时，由于电阻的改变才能产生电流的变化，从而在图像上显现出相应位置的热点。
虽然Photoemission和IR-OBIRCH可以很好的帮助我们找到defect的位置，但良好的电路分析以及微探针(microprobe)的使用在寻找失效路径方面是十分重要的，只有通过Photoemission的结果分析，加上电路分析以及微探针(micr oprobe)测量内部信号的波形以及I-V曲线，寻找出失效路径后，IR-OBIRCH才能更好的派上用场。
EOS是如何发生的？它是如何导致IC失效的？
没有人喜欢IC失效，但这总是会发生。
分析失效的根本原因是需要足够的智慧的，在遇到难以重现的偶发性失效时就更是如此了。
立锚科技已经累积了大量的失效分析案例，我们发现绝大多数的问题都是发生在IC输入端的电气过应力（EOS ）上。
EOS是如何发生的呢？它又是如何导致IC失效的呢？本文将把一些答案告诉你，一些可在设计和产品中应用的解决方案也将一并奉上。
了解Buck转换器IC的输入结构右图显示了Buck转换器IC的基本电路构成和其中含有的ESD保护单元，它们通常位于各个输入端子上。
电源输入端的ESD单元特别大，可对内部稳压器和MOSFET带来安全保护，防范高压ESD带来的伤害。
ESD保护单高电压有关的。
元的动作电压是与IC端子的绝对最高工作电压和IC的制程能够容许的最没有人喜欢IC失效，但这总是会发生。
分析失效的根本原因是需要足够的智慧的，在遇到难以重现的偶发性失效时就更是如此了。
立锚科技已经累积了大量的失效分析案例，我们发现绝大多数的问题都是发生在IC输入端的电气过应力（EOS ）上。
EOS是如何发生的呢？它又是如何导致IC失效的呢？本文将把一些答案告诉你，一些可在设计和产品中应用的解决方案也将一并奉上。
了解Buck转换器IC的输入结构右图显示了Buck转换器IC的基本电路构成和其中含有的ESD保护单元，它们通常位于各个输入端子上。
电源输入端的ESD单元特别大，可对内部高电压有关的。
稳压器和MOSFET带来安全保护，防范高压ESD带来的伤害。
ESD保护单元的动作电压是与IC端子的绝对最高工作电压和IC的制程能够容许的最高电压有关的。
为了找到IC失效发生的点位，可以对ESD单元的击穿电压进行测量，曲线测试仪可以用于这一目的，使用电流脉冲对受试元件进行加载测量也是可以的，通常还可得到更准确的点位数据。
借助测量数据，ESD单元能够承受的最大冲击能量可以被计算出来。
文章给出了不同条件下的一些测量结果，还有开盖分析的失效样例可供参考。
EOS的了解
以达到最大化产率。
In addition, board/system design should include proper ESD protection to protect the system when it is being used by the end customer. 此外，针对终端用户系统，电路板/系统设计
TI Information TI信息 – Selective Disclosure 选择性披露
4
Introduction 引言
EOS Example (not caused by discharge) EOS实例 (非静电触发)
The level of damage indicates a high energy event. 损坏程度表明高能效应。 A large hole in silicon was caused by excessive heating in local area. 由于局部过热而发生大面积融硅。
Several industry standards have defined ESD control programs for handling, assembling, testing or storing electronic components: 一些行业标准已经规定了电子元件的转运、装配、测试 或存储的ESD控制流程：
EOS（非ESD触发）- 当运行某指标时，超过其最大额定电流或电压。通常，它是一种过压应力，伴随 低电压(5-10 V)、长时间(1 ms -10 ms)和适中电流(100 mA – 超过 1Amp)，其能量会比ESD高一个量 级，可能大范围破坏氧化层、金属和（或）硅。
EOS的原理以及和ESD的区别
EOS的原理以及和ESD的区别1、今天看了一下IPM模块的RDA分析报告，里面有讲到EOS导致IGBT短路。
本来一直以为是静电放电引起，也就是常说的ESD。
所以上网找了一些EOS与ESD的资料，总结如下：EOS：Electrical Over Stress-指所有的过度电性应力。
超过其最大指定极限后，器件功能会减弱或损坏。
ESD：Electrical Static Discharge-静电放电。
电荷从一个物体转移到另一个物体。
2、区别：EOS通常产生于：–电源–测试装置*其过程持续时间可能是几微秒到几秒（也可能是几纳秒）*很短的EOS 脉冲导致的损坏与ESD 损坏相似。
*损坏表征–金属线会膨胀–通常会发热–功率升高–会出现闭锁情况ESD属于EOS的特例–能量有限–由于静态电荷引起*其过程持续时间为几皮秒到几纳秒*其可见性不强*通常导致晶体管级别的损坏。
3、导致EOS的原因：*由于测试程序切换（热切换）导致的瞬变电流/峰值/低频干扰*电源(AC/DC) 干扰和过电压。
*测试设计欠佳，例如，在器件尚未加电或已超过其操作上限的情况下给器件发送测试信号。
*从其他装置发送的脉冲。
*工作流程不甚合理*接地反弹（由于接地点不够，快速电流切换导致电压升高）4、EOS的避免*电源–确保交流电源配备了瞬态电流抑制器（滤波器）–电源过压保护–交流电源稳压器（可选）。
–电源时序控制器，可调整时序–不共用滤波器和稳压器*工作流程–将正确流程存档。
–确保针对以下内容进行培训并给出警示标志：%电源开/关顺序%不可“热插拔”%正确的插入方向–定期检查以确保遵守相关规定*维护–定期进行预防性维护。
–确保接头良好紧固，以防止其带来间歇性故障。
*培训–确保对所有人员进行培训并及时复习相关内容。
*电路板或元件测试–确保不进行热切换。
进行测试时使用存储范围捕获信号或电源的瞬态电流。
–确保不出现峰值/低频干扰。
–确保正确设置测试参数（不会过压）。
eos电气过应力电路处理方法
eos电气过应力电路处理方法EOS（Electrical Over Stress）是指电路中的电子元器件受到过高的电压、电流或功率而产生的损坏。
EOS可能导致电路性能下降、设备损坏或系统崩溃。
因此，采取有效的EOS电气过应力电路处理方法至关重要。
一、EOS原因分析1. 过电压：当电源电压超过正常范围时，可能会导致元器件损坏。
这是因为过高的电压可能会使元器件承受过大的电应力，从而导致其性能下降或损坏。
2. 过电流：当电流超过元器件的额定值时，也可能会导致元器件损坏。
过大的电流可能会使元器件过热，从而损坏其内部结构或性能。
3. 功率过载：当功率超过元器件的额定值时，可能会导致元器件损坏。
功率过载可能会导致元器件过热，从而损坏其内部结构或性能。
4. 静电放电：静电放电是一种常见的电磁干扰源，它可能会导致元器件损坏。
静电放电可能会产生高电压和电流，从而对元器件造成损坏。
5. 电磁干扰：电磁干扰可能会对电路性能产生负面影响，导致信号失真、误码等问题。
电磁干扰可能来自于各种来源，如电源线、无线电信号等。
二、EOS电气过应力电路处理方法1.电源管理：电源管理在电子设备中起着至关重要的作用。
采用合适的电源管理方案，可以确保电源电压在正常范围内稳定波动，避免电压过高或过低对设备造成损害。
在遇到过电压情况时，可以采取稳压电源或电压保护措施，以防止设备受损。
稳压电源能够稳定输出电压，保证设备在电压波动的情况下仍能正常工作。
电压保护措施则能在电压超出正常范围时，及时切断电源，保护设备免受损害。
2.电流限制：电流限制是电子设备安全运行的关键。
在电路中设置合适的电流限制，能够避免因过电流导致的元器件损坏。
过电流保护电路会在电流超出设备承受范围时，自动切断电源，防止元器件过热、烧毁等现象发生。
此外，合理设置电流限制还能降低设备功耗，延长电池续航时间。
3.功率管理：功率管理对电子设备的稳定运行同样重要。
采用合适的功率管理方案，可以确保设备在功率过载的情况下仍能正常运行。
EOS故障处理指南
PRIMETON TECHNOLOGIES, LTD.上海普元信息技术有限责任公司EOS故障处理指南No part of this document may be reproduced, stored in any electronic retrieval system, or transmitted in any form or by any means, mechanical, photocopying, recording, otherwise, without the written permission of the copyright owner.COPYRIGHT 2003 by Primeton Technologies, Ltd. ALL RIGHTS RESERVED.文档修订记录目录第1章发现故障如何处理........................................................................................................ 1-11.1 故障处理总体思路 ............................................................................................................. 1-11.2 故障现象............................................................................................................................ 1-21.2.1 页面提示异常.......................................................................................................... 1-31.2.2 控制台异常.............................................................................................................. 1-31.2.3 业务异常 ................................................................................................................. 1-41.3 常用问题定位方法 ............................................................................................................. 1-4第2章EOS Server类故障处理指导....................................................................................... 2-12.1 概述................................................................................................................................... 2-12.2 配置类故障处理流程.......................................................................................................... 2-12.3 集成类故障处理流程.......................................................................................................... 2-82.4 功能类故障处理流程.......................................................................................................... 2-9第3章EOS Studio类故障处理指导 ....................................................................................... 3-13.1 概述................................................................................................................................... 3-13.2 应用开发类故障处理流程 .................................................................................................. 3-13.3 调试类故障处理流程.......................................................................................................... 3-8第4章EOS Workflow类故障处理指导................................................................................... 4-14.1 概述................................................................................................................................... 4-14.2 开发类故障处理流程.......................................................................................................... 4-14.3 部署类故障处理流程.......................................................................................................... 4-3第5章EOS构件库类故障处理指导........................................................................................ 5-15.1 概述................................................................................................................................... 5-15.2 故障处理流程..................................................................................................................... 5-1第6章系统故障处理指导........................................................................................................ 6-16.1 概述................................................................................................................................... 6-16.2 故障处理流程..................................................................................................................... 6-1第7章故障信息收集 ............................................................................................................... 7-1第8章故障信息反馈 ............................................................................................................... 8-1第9章附录1 异常码.............................................................................................................. 9-2第10章附录2 FAQ .............................................................................................................. 10-5第11章附录3 术语.............................................................................................................. 11-8第1章发现故障如何处理本章指导维护人员在发现故障后如何处理故障。
失效分析技术分享
分析技術分享張鑫2010/07样品制备主要步骤：1、打开封装2、去钝化层3、去除金属化层4、剖切面5、染色打开封装机械开封（磨，撬，加热等方法）主要针对金属封装的器件。
化学开封（磨，钻，发烟硝酸、发烟硫酸腐蚀法等）主要针对塑料封装的器件。
去除塑料封装机器(decapsulator)去钝化层技术1为什么要去除钝化层？2去除钝化层的方法：化学腐蚀（各向同性）等离子腐蚀PIE （各向同性）反应离子刻蚀RIE（各向异性）各向同性腐蚀和各向异性腐蚀金属介质去除金属化层技术用途：观察CMOS电路的氧化层针孔和Al－Si互溶引起的PN结穿钉现象，以及确定存储器的字线和位线对地短路或开路的失效定位配方：30％的硫酸或盐酸溶液，30～50℃，该配方不腐蚀氧化层和硅。
机械剖切面技术一般步骤：固定器件（石蜡、松香和环氧树脂Epoxy） 研磨（毛玻璃、粗砂纸）粗抛光（金相砂纸）细抛光（抛光垫加抛光膏）染色金相观察测量结深的抛光染色图片显微形貌像技术仪仪仪仪真真真真样样样样理理真理分分分最最最最大大景景光光光光镜无开开360nm1200小扫扫扫扫光光镜高真真开开、去钝钝钝5nm50万最光学显微镜和扫描电子显微镜的比较光学照片与SEM照片对比基于测量电压效应的失效定位技术扫描电子显微镜的电压衬度像工作原理：电子束在处于工作状态下的被测芯片表面扫描，仪器的二次电子探头接收到的电子数量与芯片表面的电位分布有关。
从而得到包含器件中电极的电势信息的SEM图象（IFA Image－based Failure Analysis）。
判定内容：芯片的金属化层开路或短路失效。
•1、某芯片的电压衬度像•2、应用电压衬度像做失效分析实例现象描述：4096位MOS存储器在电测试时发现，从一条字线可以存取的64个存储单元出现故障，现只能存储“0”信号。
初步推断：译码电路失效，译码器与字线之间开路，0V或12V的电源线短路。
电压衬度像分析：照片中发现一处异常暗线，说明其电压为12V，而有关的译码器没有异常，说明字线与12V电源之间存在短路。
ESD EOS资料
ESD EOS 资料EOS和ESD比较一、什么是EOS？EOS为Electrical Over Stress的缩写，指所有的过度电性应力。
当外界电流或电压超过器件的最大规范条件时，器件性能会减弱甚至损坏。
EOS通常产生于：1.电源(AC/DC) 干扰、电源噪声和过电压。
2.由于测试程序切换（热切换）导致的瞬变电流/峰值/低频干扰。
其过程持续时间可能是几微秒到几秒（也可能是几纳秒），很短的EOS 脉冲导致的损坏与ESD损坏相似。
3.闪电。
4.测试程序开关引起的瞬态/毛刺/短时脉冲波形干扰。
5.测试设计欠佳，例如，在器件尚未加电或已超过其操作上限的情况下给器件发送测试信号。
再比如在对器件供电之前加入测试信号，或超过最大操作条件。
6.来自其他设备的脉冲信号干扰，即从其他装置发送的脉冲。
7.不恰当的工作步骤，工作流程不甚合理8.接地点反跳（由于接地点不够导致电流快速转换引起高电压）二、什么是ESD？ESD是英文Electrical Static Discharge的缩小，中文释为静电放电。
电荷从一个物体转移到另一个物体。
静电是一种客观的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦等。
静电的特点是高电压、低电量、小电流和作用时间短的特点。
人体自身的动作或与其他物体的接触，分离，摩擦或感应等因素，可以产生几千伏甚至上万伏的静电。
静电在多个领域造成严重危害。
摩擦起电和人体静电是电子工业中的两大危害。
生产过程中静电防护的主要措施为静电泄露、耗散、中和、增湿，屏蔽与接地。
人体静电防护系统主要有防静电手腕带，脚腕带，工作服、鞋袜、帽、手套或指套等组成，具有静电泄露，中和与屏蔽等功能。
静电防护工作是一项长期的系统工程，任何环节的失误或疏漏，都将导致静电防护工作的失败。
三、对比区别EOS由电源和测试设备产生，事件持续时间在微秒-秒级（一般超过100uS甚至10mS）。
损坏的现象包括金属线熔化、发热、高功率、闩锁效应，短的EOS脉冲损坏看起来像ESD 损坏。
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EOS验证与失效分析
赖国印失效分析与终端质量管理全球制造
摘要
FAE遇到组件失效时，若因无组件失效分析之能力，将失效组件送回厂商分析，但组件厂商的回复报告有极大部分的失效原因为EOS 所导致，造成时间和成本的浪费。
本文探讨EOS之成因且对组件之失效分析应执行的验证及处理流程，透过案例研讨，期有效帮助工程师判断电子组件失效的原因是否为EOS所造成，进而找到根本原因(Root Cause)。
避免因EOS造成之失效组件送厂商分析所产生的时间和成本的浪费。
一. 前言
EOS 是"Electrical Overstress"的简称，其造成电子组件失效之原理如同过电流流过保险丝产生热能保险丝烧断为相同的道理。
在大多数的失效案例中电子组件内部电路与地(GND) 或不同电位点之间形成短路，产生过电流而造成组件损坏为大多数电子组件失效的主要因素。
此外有人会对EOS与ESD产生混淆，简言之，ESD也是EOS的一种，但因ESD对电子组件的损害，其严重程度与能量大小有关。
如果能量较小，可能只导致电子组件轻微的损坏影响其可靠度，并未造成立即的功能不良，如果能量较大，可导致电子组件被击穿或形成过电流对组件形成永久性损坏甚至烧毁，就是EOS。
如下图，为利用光学显微镜(图A，B)及SEM(图B，C)看到EOS的不良现象
图 C 图D
(图片来源: VOLTERRA Silicon Power Solutions –ESD/EOS Differences)
二. 为何要做EOS验证
根据电子组件业界常见的失效原因分析中，EOS占了约47 %，如图一所示。
由此可知EOS 对制造业产生质量成本的影响相当严重是所有电子组件失效原因之首。
三. 验证流程及方法
为因应EOS的问题，本单位发展出一套系统化的分析验证及处理流程能让失效分析工程师在第一时间澄清失效之电子组件是否EOS所造成，及时正确判断不必将有EOS问题的电子组件送厂商分析而丧失寻找问题根本原因及解决问题之黄金时间。
EOS验证流程：
验证方法：
1.可使用Curve Tracer 曲线追踪仪(如图2) 来量测组件之DC 特性，如果经由Curve Tracer 检查该组件之特性不符合原先的组件之规格，则可初步判断可能为EOS 。
2.利用Special ATE /Flying Probe 来验证
a.可依照组件规格制作ATE测试治具(图3)及测试程序(测试内容包含Open，Short，IC Diode &VCC ，Boundary Scan or XOR Tree 之量测)如同使用Curve Tracer判断是否为EOS之相同原理，取得该组件之DC 特性参数藉以进行判断是否为EOS。
图 3 ATE 治具
b. Flying Probe (图4)
可依照组件规格制作Flying Probe测试夹边治具，另取一片好的组件当样品制作Flying Probe 测试程序，(测试内容包含Open，Short，IC Diode 对VCC 量测) 如同使用Curve Tracer判断是否为EOS之相同原理，取得该组件之DC 特性参数藉以进行判断是否为EOS。
3.考虑前各厂之设备并无Curve Tracer or Special ATE /Flying Probe时，可以利用示波器来量测组件之保护二极管特性曲线，此方法如同Curve Tracer判断是否为EOS之相同原理，取得该组件之DC 特性参数藉以进行判断是否为EOS
接线示意图如下所示
利用讯号产生器输出正弦波，此时依据电子组件之规格找到需要量测之保护二极管后，依续将示波器的Ch1 当做X轴(二极管的偏压)，Ch2当作Y轴(二极管的电流)，按照是意图之讯号线接好后即可开始调整讯号产生器的DC offset，则可将二极管曲线呈现在示波器上。
如果示波器上显示的二极管曲线为横线或纵线时，则可能此二极管已经形成开路或短路，该组件之特性已不符合原先的组件之规格，则可初步判断可能为EOS 。
上述方法对电子组件较不易损坏也较准确，但碍于设备缺乏时或遇到非常紧急的事件时，也可利用电表做初步验证动作，但须注意电表会有较不稳的电压或产生瞬间电压，容易破坏组件内部之电性特性，所以使用时需在电表与组件之间加上50 ~100 ohm 的电阻来滤波使得降低电表对组件的伤害。
如下针对电表的量测方法加以说明：
首先，针对组件使用电表之Ohm 档来量测各内部电路对地(GND) or对电源(VCC)之间的阻抗是否正常(依据组件规格找出IC的Pin assignment用电表来量测组件本体之二极管值，再与功能不良IC 的二极管量测值作比较。
)
另外也可利用电表之二极管档来量测VCC & GND 之间的保护二极管是否短路或开路(正确的二极管值在0.7mv左右，当然也要与好的组件做比较) 图四。
如果其保护二极管不良，则较有可能是高电压/电流击穿保护二极管。
原因为当逆向电压增加到一定程度时，P-N二极管会变成导体，如再增加逆向电压会使二极管烧毁，如果不良Sample较少时仍然需使用Curve Tracer or 来检测，防止因本身分析的问题导致组件被坏而找不到真正原因，如下图为二极管之符号及电表量测方法。
二极管符号
电表量测二极管的示意图
如下为组件规格所列之保护二极管做为参考
Vcc Gnd
0.7V
+ -
四. 案例研讨
案例无法开机(No Power)
于中山厂测试VOIP 时发现无法开机(No Power)的情形，经失效分析工程师针对无法开机的现象去量测Super I/O讯号，其中发现Pin72 输出电压错误(NG为0.76V (Power on source) ，OK 输出电压为3V )，和pin67 输出电压为0V(Vcch)，但正确为5V) 。
经FAE验证该组件后判定为组件本体不良所致，因此将组件送厂商分析，经过了一个月左右厂商的回复报告是”EOS”所造成组件损坏。
(如图6所示)
图 6 厂商分析结果为EOS
此问题持续的发生(二至三个月)，经GFA 协同Site FAE到生产区分析产线测试情况，其中发现功能测试站使用的测试治具为”Function BOX”.然而Function Box 内部有一片Power Board 却未做绝缘的防护(容易形成短路)，同时发现Power Board 旁有可移动的锡渣。
(如图7所示)
锡渣
Power Board 未绝缘保护
Power Board 有绝缘
图7 Power Board 未绝缘防护与锡渣
因此分析是锡渣短路到Power board而形成开启电源时产生瞬间异常电压将电子组件(Super I/O) 的电路击穿导致组件内部短路，(如下图所示)经模拟验证(将锡球短路Power Board，即可复制相同的不良现象) 。
由此案例可见，失效分析工程师并没有及时分析EOS导致组件失效，厂商分析的时间过于拢长
错过了在第一时间找到根本原因，经过此经验来告诉我们失效分析工程师必须了解在第一时间澄清失效之电子组件是否EOS所造成的重要性，及时正确判断不必将有EOS问题的电子组件送厂商分析而丧失寻找问题根本原因及解决问题之黄金时间。
五. 结论
EOS可视为电子组件失效之头号杀手，因此本文所介绍之EOS验证流程是本公司失效分析工程师必须严格遵守的工作纪律。
而本单位在过去的一年中，也针对各厂区/工厂失效分析工程师实施过相关之教育训练，但除了失效分析工程师的确实执行外，其主管之督导与要求实为成功的关键因素。
此外由于新技术的进步与发展，本单位将不断的更新相关之训练教材同时期盼所有失效分析工程师亦能回馈意见或方法，使本公司之失效分析工作能越做越好，进而提升公司整体竞争力！。