芯片失效分析：EOS烧毁失效诊断案例

芯片失效分析：EOS烧毁失效诊断案例

引言：芯片失效分析的技术价值

芯片失效分析是帮助企业定位电子元器件故障根源与失效机理的检测服务。本文描述芯片电气过应力（EOS）烧毁案例，阐述芯片烧毁失效分析的全流程。内容涵盖从故障现象确认、外观检查、电特性测试、热成像、X-RAY、开封及SEM/EDS分析，到根因推断与预防建议的提出。本文旨在为质量控制经理与电子工程师提供关于芯片失效，特别是EOS烧毁失效分析作为参考。

一、芯片EOS烧毁失效的背景

我们收到了4PCS电路板，是某产品的核心配件，其中NG品为2PCS，OK品为2PCS，根据失效情况可知是芯片击穿，对其NG品芯片进行检测分析其失效原因。

电气过应力（EOS）就是给器件带进的电压或电流超出了它设计时能承受的最大值，这会让器件性能变差或者直接被烧坏，EOS这件事持续的时间通常比静电放电（ESD）要长，能量也更大，它的损伤经常表现为因为过热引起的热致失效问题。

芯片出现EOS烧毁的情况可能来自很多方面，比如电源系统里有瞬态噪声或浪涌，负载不正常，散热设计有缺陷，时序搞错了或者应用条件超出了规定的范围，大批量的EOS失效往往说明设计时留的余量不够，应用环境没控制好，或者供应链质量有波动，需要通过失效分析去找出根本原因，这样才能采取有效的纠正和预防手段。

二、芯片失效分析检测项目

在芯片失效分析检测这个领域，专业的机构通常都会按照一种从外部到内部，从非破坏性的方法再到破坏性的方法，这样一套系统性的分析流程来开展工作，以下就是一些关键分析步骤的技术层面描述，具体如下：

1. 外观检查

用光学显微镜或者体视显微镜去观察失效样品，做宏观和微观层面检查，主要目的就是检查封装体表面有没有机械损伤，裂纹，变色，鼓包，引脚腐蚀或者烧毁坑点这些异常情况，检查过程中需要仔细看表面状态，避免遗漏细小缺陷，因为有时候微小损伤也会导致器件功能失效，所以宏观和微观检查都是很重要步骤，但实际操作中可能因为设备精度或人为因素影响检查结果，需要结合其他分析手段综合判断。

现对样品1#、2#、3# 进行芯片拆卸，外观拍照观察到：1#、2# NG品有击穿现象，3# OK品未发现明显异常。

2. 电特性验证

用万用表、参数分析仪或者曲线追踪仪，去比着量失效品跟良品每个引脚之间的电参数，测的东西有电源和地之间的绝缘电阻，输入输出脚的二极管特性，对地电阻值，还有关键管脚的工作电压，这步是为了确认失效的电性表现，像是短路、开路或者漏电，然后把故障点给锁定到特定的功能模块上。

使用万用表测量样品1#、2#、3# 的阻值和电压，结果显示如下：

3. 热成像分析

在通电或者带进负载的情况下，用红外热像仪给芯片和它的模块测温度，能够直接看到芯片表面上温度是怎么分布的，找出那些发热不太正常的地方，要是某个地方的温度比设计时候想的要高很多，或者跟好的产品一比明显更热，这就能说明可能存在热集中、功耗出了问题或者散热的路子没起作用了。

把4号OK品的外壳拿掉以后，通上电加上负载，用手拿着的测温热像仪一测，发现芯片表面上最热的温度平均到了78.7摄氏度。

4. X-RAY测试

用X-RAY成像系统对样品做无损检测，看芯片封装里面物理结构，包括引线键合是不是完整，焊球连得好不好，芯片贴装质量怎么样，还有里面有没有空洞、裂纹或者进了什么别的东西，对于EOS失效，经常能看到因为太热而熔断的键合线。

样品1#、2#、3# 进行X-RAY分析，观察可知：3# OK品焊线无异常，1#、2# NG品均有焊线烧断现象。

5. 开封与内部光学检测

用化学腐蚀或者等离子刻蚀的办法，把芯片的塑料封装给去掉了，让里面晶圆、键合线和焊盘露出来，在光学显微镜下看内部的样子，直接看晶圆表面上有没有金属互连线熔掉，硅材料烧坏，钝化层裂开，还有因为高温引起的变色、碳化这些损伤，这是确定EOS热损伤类型和范围的经常用到的步骤。

对样品 1#、2#、3# 样品进行开封测试，处理后发现：1#、2#NG品焊线有烧断现象，芯片表面均有大面积的烧伤异常；3#OK品焊线在开封过程中药水腐蚀，有熔断现象，芯片表面无明显异常。

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6. 扫描电镜与能谱分析

用扫描电子显微镜去看了开封后芯片里那些有损伤的地方，在高倍率下看它们的微观样子，还用了X射线能谱仪对选出来的小区域做元素成分的定性和半定量分析，SEM拍出来的图像显示出熔融、再结晶这些微观结构上的变化，EDS分析就能识别出元素是不是异常，比如在烧毁的区域测到氧元素含量变高了，这说明发生了氧化，或者检测到来自封装材料的碳元素富集，说明有机材料碳化了，这些都给“过热”这个结论提供了成分上的证据。

对样品1#、2# 和3# 的芯片位置进行扫描电镜拍照和能谱成分分析，结果如下

三、从数据到根因的逻辑推断过程

芯片失效分析的核心在于构建从观测现象到物理根因的完整证据链。分析逻辑通常遵循以下路径：

现象关联：将电特性失效（如电源对地短路）与内部物理损伤（如电源焊盘下方晶圆烧毁）进行空间与功能上的关联。

损伤模式识别：根据内部形貌特征（大面积熔融、材料迁移）和元素分析结果，区分损伤模式为EOS热烧毁，而非ESD、闩锁效应或机械应力损伤。

能量与热路径分析：结合热成像确定的发热部位、电路布局及失效点位置，分析过电流或过电压的可能路径，并评估芯片封装、焊点及系统PCB的散热能力是否不足。

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根本原因判定：综合所有数据，推断失效的触发条件与根本原因。可能归因于：

芯片设计：内部电路耐压/耐流裕度不足，功耗密度过高。

系统应用：外部电源瞬态超标，负载瞬变剧烈，散热条件不符合规格要求。

制造与工艺：封装存在热阻过大的缺陷（如贴装空洞、界面材料不良），键合工艺薄弱点。

在所述案例中，证据链（异常高温点→键合线熔断→晶圆大面积烧毁与碳化）连贯地指向了“因芯片内部及封装层级散热效率不足，导致工作热量持续积累，最终引发晶圆热失控并EOS烧毁”的结论。

四、基于分析结论的预防与改进措施

失效分析的最终价值在于驱动质量提升与风险预防。专业的芯片失效分析机构在报告中将提供基于工程实践的改进建议，例如：

设计层面：建议优化芯片内部电路的布局以平衡热分布；重新评估并强化电源与I/O接口的瞬态保护设计；选择热性能更优的封装形式。

应用层面：建议在系统板级设计中增加电源滤波网络及瞬态电压抑制器件；优化散热方案，如改进散热片设计、使用高热导率界面材料、确保风道畅通；严格限定芯片的工作环境条件。

质量控制层面：建议加强对芯片供应商的可靠性认证与来料检验，增加高温工作寿命等可靠性测试项目；在组装工艺中监控芯片贴装和焊接质量，减少热界面缺陷。

五、专业失效分析服务：广东省华南检测技术有限公司

广东省华南检测技术有限公司作为具备完备能力的第三方芯片失效分析机构，提供从故障现象复现、物理分析到根因诊断的全链条技术服务。我们配备有先进的失效分析实验设备，并拥有经验丰富的工程师团队，能够严格按照国际通用标准流程执行分析。

我们专注于芯片EOS烧毁失效分析、静电放电损伤分析、封装可靠性评估等复杂问题。我们的服务可协助客户快速定位产品故障的根本原因，为设计迭代、工艺改进、供应链管理及质量追溯提供权威的技术决策依据。

如您正面临芯片可靠性挑战或需要专业的失效分析检测服务，请联系我们。广东省华南检测技术有限公司将凭借专业的技术能力，为您的产品质量与可靠性保驾护航。