基于EOS/ESD的集成電路失效分析及模擬驗證方法

50%——在品控界是個很可怕的數字，有一對兄弟難題占到了產線不良率的一半江山。

在電子器件組裝過程中，EOS(Electrical Over Stress)與 ESD（Electrical Static Discharge）造成的集成電路失效約占現場失效器件總數的50%，且通常伴隨較高不良率以及潛在可靠性問題，是產線一大殺手。

當問題發生時，應該如何查找真因、尋找解決方案，一直以來都是困擾現場工程師、品控工程師的難題。廣電計量集成電路失效分析實驗室，通過多年的行業積累，總結出一套相對完整的針對EOS/ESD的分析方法，通過失效分析、模擬驗證等手段，可以更好地協助現場工程師與設計工程師提升產線良率及IC的可靠性。

常見問題1：產線失效到底是由EOS還是ESD引起？

我們在做失效分析時，聽到客戶的要求是希望知道root cause是EOS還是ESD，確認失效機理及真因，是改善良率的步，也是非常關鍵的一步。通常，我們區分EOS還是ESD會首先通過失效分析手法挖掘IC的物理失效現象，然后從現象上去區分。

常見ESD物理失效表現：襯底擊穿、多晶硅熔融、GOX pin hole、contact melted、metal melted等（見圖1），常見EOS物理失效表現：氧化層、金屬層大面積熔融以及封裝體碳化等現象（見圖2）。

圖1：常見ESD物理失效現象

圖2：常見EOS物理失效現象

常見問題2：為什么EOS和ESD會造成不同的失效現象？

ESD從廣義上屬于EOS的一種，但是現場應用中我們通常把ESD單獨歸類，除此之外的過電應力統歸于EOS。EOS 是指長時間（幾微秒到幾秒）持續的過壓或大電流造成的局部過熱導致的失效，其電壓、電流相對ESD較低，但是持續時間長能量更高，經常有同一功能區塊多處大面積的burnout現象。ESD 單指在靜電放電過程中瞬間高電壓（通常在幾千或上萬伏特）大電流（1~10A）狀態下引發的失效現象，主要特征為放電時間極短（1~100ns），因此一般呈現為輕微的點狀失效。

表1：EOS/ESD信號特征

圖3：EOS/ESD脈沖波形

綜合以上，由于EOS信號相對ESD信號持續時間長，能量更強，所以通常會造成芯片大面積的burn out現象，這是EOS不同于ESD現象的主要特征。

常見問題3：什么情況下無法區分EOS/ESD？

一種情況是短脈沖EOS（持續時間幾個微秒）與ESD的物理損傷十分相似，比如只造成很小面積的金屬熔融，這種情況就很難區分是EOS還是ESD的能量造成。另一種情況是IC先經過了ESD損傷，在后續功能驗證時大漏電流誘發了burnout現象，使得IC表面同時存在EOS和ESD的物理失效特征，尤其常見于PAD旁邊的IO buffer線路上，這種情況下單從物理失效現象是無法判斷初始失效是否由ESD導致。當遇到EOS/ESD無法區分的情況，需要通過模擬實驗進一步驗證，對IC或系統使用不同模型進行EOS/ESD模擬測試（見圖4）test to fail，并針對失效IC進行分析。通過對比驗證批芯片與實際失效芯片的物理失效現象（失效線路位置及失效發生的物理深度），不僅可以用來歸納真因，還可以了解IC或系統在不同條件下的耐受等級，從而進一步指導優化產線防護或IC的可靠性設計。針對新投產芯片也可以考慮從多維度進行EOS/ESD的驗證與分析（見圖5），不斷提升IC的可靠性品質。

圖4：IC常見EOS模擬驗證方式

圖5：IC常見EOS/ESD測試項目

綜上所述，當產線發生EOS/ESD失效時，應該從哪些方面進行分析及改良？我們通常建議客戶參考以下流程進行：

1. 針對失效IC進行電性及物理失效分析，確認其物理失效現象（失效點對應的電路位置及失效的物理深度），配合現場失效信息收集，初步推斷EOS/ESD失效模型；

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2.針對EOS/ESD無法判斷的情況，對相關IC或系統進行EOS/ESD模擬試驗，驗證其電壓、電流耐受等級，并針對失效芯片執行失效分析，對比實際失效狀況，歸納真因及梳理改善方向；

3. 探測現場容易發生EOS/ESD的位置（例如使用ESD Event Detector或高頻示波器），針對產線應用進行改良。

表2：IC常見EOS/ESD失效來源

廣電計量集成電路失效分析實驗室，配備完善的EOS/ESD/RA等測試設備及完整的失效分析手法，擁有經驗豐富的材料及電性能可靠性專家，可以針對IC進行多方位的失效分析及可靠性驗證方案的設計與執行。