先进材料和工艺对电子系统故障分析提出了严峻挑战

白皮书

随着今天电子系统的规模不断缩小,变得越来越复杂和普遍,故障可能导致代价高昂的停机时间,产品延迟和召回以及声誉受损的声誉。 在故障发生之前找到并修复故障非常重要,但是当使用先进的材料和工艺构建设备时,这变得越来越具有挑战性。 解决方案是对电子系统采用全面的多学科方法 故障分析。 此外,通过全面测试,再加上使用最新的聚焦离子束,可以避免许多故障 (FIB)电路编辑技术 快速,低成本地调试和验证设计修复或探索IC中的设计优化机会,而无需承担昂贵且耗时的全掩模旋转。

系统复杂性持续增长和发展

系统在各个层面(板,管芯,IC和封装)都变得越来越复杂。 当今的设备可以包含数十亿个晶体管,并且可以集成各种先前分立的组件和独立的系统。 随着FinFET,金属栅极,低k介电法和其他先进工艺节点的到来,器件变得越来越小。 封装的复杂性也在不断增长,其中包括SIP,MCM,SiSub,叠层管芯,TSV和铜线的选项也越来越多。 此外,当今的设备越来越多地采用多层金属堆叠,并以倒装芯片和其他先进的芯片尺寸规格生产。 同时,与高级封装和板相关的材料,涂料和模塑料也越来越复杂。 在电源领域,许多器件正在向碳化硅(SiC),氮化镓(GaN)和其他宽带隙材料迁移,这给与设计和制造相关的其他挑战 描述,过程监控和可靠性。

为了使故障分析问题更加困难,许多故障只是间歇性地发生。 系统挑战因行业和应用而异,设计中的每个功能元素通常都需要专门的领域知识才能理解故障的根本原因和机制。 网络和汽车系统提供了当今故障分析挑战的广度和深度的良好范例。 网络系统可以跨越包含数千个组件的多个板,包括复杂的IC和SoC,每个都可能包含许多类型的RF,电源,高速数字和存储介质。 今天的汽车同样复杂,包含多个100电子控制单元(ECU)或更多,用于从备用摄像机到车道变换警告系统的系统,明天的辅助驾驶和传感器引导自动驾驶系统预计将包括十几个超声波探测器和多个摄像头和雷达传感器。 在独立和多个相互关联的系统的复杂链中的任何地方都可能发生故障。 同时,假冒组件也可能已进入汽车供应链,引入了额外的风险,并强调了筛选和分析的需求,以及针对可靠性规范的各种类型的验证和认证测试。

失败分析:第一道防线

理想的故障分析方法必须跨越电气和物理分析,以优化根本原因识别并确定相关的故障机制以及如何防止未来故障。 重点必须放在整个系统上,包括IC晶体管级的电子器件,材料和失效机制(见图1)。

EAG实验室的电子系统故障分析,流程图显示了可能的根本原因和故障机制

图1 多级故障分析应该延伸到可能的根本原因和失败机制的完整连续体。

有效的故障分析还需要经验丰富且训练有素的工程师和技术人员,他们具有从组件到系统级别的专业知识,他们必须拥有一套全面的实验室设备。 故障分析服务提供商还必须能够执行大型项目的并行处理,并且他们应该能够根据客户需求来扩展其服务。 其他关键成分包括系统冗余和专业设备,如先进的高分辨率显微镜成像系统,可实现组件级分析。 为了处理故障特征,实验室还必须具备X射线,热映射,曲线轨迹,时域反射计和功能测试设备等基本功能,以及更高级的工具,如实时激光定时探头,不需要加载,非接触信号波形采集。 在28nm以下的高级节点处,可能还需要纳米探测和更复杂的设备,以便在必要时将故障局部化为单个晶体管。

有时,使用各种光谱技术进行材料分析(EDS, 拉曼)或X射线(衍射, 反射率flouorescence)也可用于表征材料问题。

同样重要的是全面的方法和工作流程(参见图2),从电气故障特征的定义开始,并继续通过故障机制识别和问题解决。 为了解决多个复杂且相互依赖的组件和特征,该过程还必须包括基于数据和渐进发现的分析方法的规范和定期改进。 这种方法通常涉及开发假设,然后努力验证或拒绝它们。 为了复制和/或模拟给定的故障,也可能需要各种实验。

电子系统故障分析方法工作流程来自EAG实验室

图2 系统级故障分析方法和工作流程

定制故障分析方法通常也很重要。 每种情况都有其特定的特征和问题需要解决,从而消除了“一刀切”方法的可能性。 每种情况都需要一种有条理的方法来开始正确的问题,以便开发出定制的工作流程。

通过彻底的测试和使用FIB电路编辑,防止IC故障发生之前

减少故障的另一个策略是在开发过程中采用IC的全面测试和FIB电路编辑的后续使用,特别是在先进的过程节点,如果不是不可能的话,根据以前的设计工作来预测未来的问题是困难的。 电气特性,功能测试和 可靠性资格 在产品投入生产之前,可以帮助发现许多问题。 一旦确定了问题,就可以在调试和验证正在进行的设计的修复过程中使用FIB电路编辑,或者在承诺完全掩模旋转的高成本和冗长时间表之前探索设计优化更改。

成功的障碍在高级流程节点甚至可能更高,因为掩模成本高,并且与查找和修复错误相关的难度更大。 根据早期设计工作中获得的经验,预测这些节点的问题可能非常困难。 在今天的20-nm工艺节点上制造的器件的特征尺寸比光刻中通常使用的激光波长小10倍。 在这些高级节点,预硅测试更加困难,模拟需要更长时间,并且不可能完全验证许多设计。 更有问题的是极其复杂的设计,可能存在有缺陷的仿真模型,并且可以通过其包装轻松应对。

随着每个新技术节点的出现,设计和集成的复 挑战范围从多种图案化和布局相关效应(LDE)到本地互连层的使用。 服务器信号和电力电迁移也会产生困难。 金属间距越小,耦合效应和信号完整性问题的可能性就越大。 更高的导线和通孔电阻还需要更先进和可变的导线尺寸和锥形技术。 还存在与提取,定时,信号完整性分析和建模相关的挑战,并且每个都必须解决许多变化问题,以确保准确性而不会危及性能。 此外,20 nm的光刻限制通常需要进行大量修复以实现签收。 最后,由于所有这些问题彼此相互影响,因此存在许多不同的芯片和知识产权(IP)集成挑战,封装问题以及额外的复杂性。

为解决其中一些问题,EDA工具提供商已经提供了与设计流程相关的建议以及其他解决困难技术挑战的解决方案。 然而,除了这些设计流程修改之外,开发人员还可以在调试期间在原型阶段应用FIB电路编辑。 同样的技术也可用于探索设计优化机会,使开发人员能够在承诺完全掩模旋转的高成本或冗长时间表之前快速且廉价地创建,测试和验证物理原型。 然后可以一次性使用FIB编辑的设备原型来指导掩模修改,作为连续的试错掩模版本的替代。

利用当今的解决方案,可以编辑使用28 nm制造的电路和具有多层金属堆叠的小型技术节点,并占用倒装芯片和其他先进的芯片级外形尺寸。 为了进行编辑,纳米级分辨率的镓(Ga +)离子束用于在IC上成像,蚀刻和沉积材料的过程中。 这是以极高的精度完成的。 为了切断和连接带电设备内的电路,材料被移除并沉积,并且也可以采用相同的过程来创建用于电气测试的探针点(参见图3)。 工具,方法和技术的进步改进了光束引导,使操作员能够在更小的区域,设备的背面和正面执行更复杂的操作,并处理铜层。

电子系统故障分析FIB电路的图像编辑EAG实验室的连接和切割

图3 多个前端FIB电路编辑连接和切割。

为了定位感兴趣的区域,FIB工具耦合到CAD导航系统,设计者的GDS文件通常用于导航到精确区域。 这提供了一种非常精确的方法,用于查找地下特征并确保进行正确的编辑(参见图4)。 成功的FIB电路编辑的最重要要求之一是精确定位光束的能力。

EAG实验室用于FIB电路编辑的CAD布局的电子系统故障分析图像

图4 CAD布局使操作员能够执行FIB电路编辑。

每个商业可用节点都有各种有价值的FIB电路编辑应用,包括验证测试仪的设计变更以及验证系统板级的变化。 该过程既可以在仿真阶段实现,也可以在去除故障期间实现,以优化IC设计过程中的成功率(参见图3)。 典型应用包括在生产中调试和优化器件,探索和验证设计变更,以及在不需要昂贵且耗时的掩模组制造的情况下对新器件进行原型设计。 FIB电路编辑还可用于将修复扩展到少数或数十个设备,以便为内部测试,验证和鉴定团队甚至客户提供样本。 最后,FIB电路编辑可用于加快产品上市时间,加快整个周期,使客户投入生产,避免声誉损失或延迟处罚,或阻止潜在竞争对手进入市场。

用于EAG实验室的电子系统故障分析的FIB电路编辑的处理流程

图5 FIB电路编辑的处理流程。

电子系统故障变得越来越难以识别,诊断和解决。 在创建问题之前快速找到并修复它们的风险从未如此高。 这需要一个全面的,多学科的电子系统故障分析方法和工作流程,从组件级到系统级,并由专业的专业知识和设备提供支持。 与此同时,随着纳米级几何尺寸向下移动,与IC设计验证和验证相关的挑战也在不断加剧。 将FIB电路编辑添加到整体故障分析和解决方案库可以通过改进调试和验证来显着提高设计成功率并在故障发生之前抢占故障,并且可以更轻松地探索设计优化机会而无需进行完全掩码自旋。

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