失效分析（FA）是什麼？壞掉的晶片怎麼找出原因

失效分析（英文 failure analysis，簡稱 FA，也有人叫故障分析）就是替一顆壞掉的晶片找出：到底哪裡壞了、是怎麼壞的。做法有一個大原則：由外到內、先不破壞再破壞。先通電量、從外面看，把範圍縮到一個點，最後才把那一點打開來看。找到的證據，交給要找根本原因、想辦法不再發生的人。

失效分析在找什麼？

測試只告訴你「這一顆壞了」。晶片做好之後，每一顆都會通電測過（見「晶片怎麼測試？」），可是測試機多半只知道哪一項沒過，不知道是晶片裡面幾千萬到上百億個開關、好幾層導線裡的哪一處出了事。

失效分析要回答的是下一層：壞的地方在哪裡？是一條線斷了、兩條線碰在一起，還是一個洞沒填滿？看到這個實際的樣子，才知道該去查哪一站、哪一台機台。

壞掉的晶片從哪裡來？

大概有三個地方：

• 晶圓廠裡：WAT 有一項不合格、針測有晶片沒過、良率掉了（見「WAT 是什麼？晶圓圖怎麼看出哪裡出錯」）；研發線做新製程，就算沒壞，也常切開一片，看做出來的樣子對不對。
• 封測廠：成品測試沒過、可靠度測試裡提早壞了（見「預燒是什麼？」）。
• 客戶退回來的：裝進產品之後才壞，客戶開一張退貨單送回來。

怎麼查？由外到內，一步一步

像醫生看病：先問哪裡不舒服、量血壓、照 X 光，最後才開刀。晶片也一樣，越後面的步驟越會破壞它，而破壞了就不能重來。

第 1 步：先把問題重現，量電性

把晶片接上電，照當初壞的條件再測一次：是哪一隻腳、在多熱或多高的電壓下才壞，也拿一顆好的來比。這是要確定它真的壞了，也先知道是怎麼壞：斷了（開路）、碰在一起（短路），還是漏電變多。不先確認，可能把一顆其實沒壞、只是當初沒接好的晶片拆開，白白毀掉。

第 2 步：不拆開，先從外面看

這一步常跟第 1 步一起做，誰先誰後，各地做法不一樣。用光學顯微鏡看外殼有沒有裂縫，用 X 光看封裝裡面的金屬線、焊點斷了沒，用超音波看塑膠跟晶片之間有沒有分開（聲波碰到空隙幾乎整個彈回來；這種很薄的縫，X 光常看不出來）。這些一般都不會傷到晶片，封裝的問題常在這一步就看得出來。一開始就打開，裂縫和縫隙原本的樣子可能被弄亂，再也說不清是本來就有，還是打開時弄的。

第 3 步：通電，找發熱或發光的點

晶片包在塑膠裡，相機看不到，所以常先用強酸把外殼溶開一個口、露出晶片，裡面的細線留著，還能通電。再讓晶片照會壞的條件通著電，用很靈敏的相機拍：短路、漏電的地方常比旁邊熱一點，或發出很微弱的光；上面的金屬層擋住了，就從背面看，紅外線穿得過矽。一顆晶片上常有上億個開關，下一步那一刀只能切一小塊，要先知道切哪裡。不先找到點就切，幾乎不可能剛好切到壞的那一處。

第 4 步：往下挖到那一點

把晶片上面的導線一層一層磨掉或蝕刻掉，到壞的那一層停下來；只看一個點，就用聚焦離子束（FIB）：一道很細的離子束，只把那一小塊挖開。缺陷常埋在好幾層導線底下，不挖到那一層看不到。這一步之後就回不去了：挖錯地方，或一口氣磨太深、把壞的那一層也磨掉，證據就沒了。

第 5 步：用電子顯微鏡看斷面，分析成分

挖開的斷面用掃描式電子顯微鏡（SEM）拍，要看更細，就削成很薄的一片，放進穿透式電子顯微鏡（TEM）；電子打上去，還會放出每一種元素自己的 X 光，量它就知道那一點是什麼成分。這樣才看得出是洞沒填滿、線斷了，還是多了一顆微粒。只看形狀，只知道「多了一顆東西」；知道成分，才猜得出是哪一站、哪一種材料帶進來的。

第 6 步：寫成結論，交給找根本原因的人

寫下壞在哪、是什麼、用了哪些方法、證據是哪幾張照片。失效分析回答的是「怎麼壞的」；為什麼會發生、怎麼不再發生，還要對照機台紀錄和每一批走過的站一起查（見「根本原因分析是什麼？」）。只寫一句「有孔洞」，沒人去改造成孔洞的那一站，下一批還會一樣。

為什麼不乾脆每一顆都切開看？

因為切片會毀掉那一顆，或那一整片晶圓，而且很花時間。所以工廠平常用測試和檢測找出「哪幾顆、哪幾片有問題」（見「缺陷檢測是什麼？」），只挑最可疑的去做失效分析，再挑最可疑的那一點切開。

在 fab24hr 裡

主線「晶片的一生」第 3 章「壞的形狀」，你是研發線的研發整合工程師。新晶片「螢火」第一批的 WAT 回來了：第 9 片的接觸電阻比規格高三成。電性量測室的曉雯問你：重扎一次，還是直接寫進報告、算製程的？這就是第 1 步：先確定不是量錯。如果第 1 章你分了一片給周學長做切片，他會說切開看到接觸窗底下、只在邊緣那幾顆有小孔洞；沒有給，他會說：「沒有切片，我們只能從電性猜。」

在「打工人的一天」，「今天你是」卡片上點「研發線」，左右滑到研發製程工程師，名字下面點「蝕刻」（班別照裝置上的時間）。深夜班，分析室的夜班傳來一張切片照片，你要點出邊緣那個接觸窗底部、金屬沒填進去的孔洞；周學長說，要確定是蝕刻還是填金屬造成的，要用 TEM：自己那台今天排給了另一組，要跟他們借四個小時，還是送外面的實驗室等兩週？

點「封測廠」、滑到客戶窗口，早班一顆工程樣品被退回來，焊上板子通電不動。可靠度實驗室的小方說：「一項一項看，不要先下結論。」電測、外觀、X 光、超音波、客戶的退件單一項一項對下來，原因不在晶片本身（見「封測廠的客戶窗口在做什麼？」）。

遊戲裡的公司、晶片、人物、批號和數字都是虛構的；失效分析怎麼做、為什麼要先不破壞再破壞，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。