在芯片失效案例中，静电放电（ESD）导致的损伤占比超过25%，却常因“无明显物理痕迹”被误判为设计缺陷或批次质量问题。ESD损伤具有微观性与隐蔽性，许多工程师在分析时仅盯着I/O端口测阻值、查外观，难以找到根本原因。本文基于实际案例和失效分析（FA）实践，系统梳理ESD失效的核心逻辑与实操步骤，帮助工程师高效定位真因。

一、ESD失效的常见认知误区

ESD损伤的微观特性易使分析偏离方向，需先纠正以下误区：

核心原则：分析起点应是“验证失效真实性”，而非直接追溯ESD事件。需通过透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）排查所有敏感电路。

二、ESD失效分析的实操流程

步骤1：失效验证——确认是否为真ESD失效

拿到疑似ESD失效芯片后，优先完成非破坏性验证：

·基础信息建档：记录芯片型号、生产批次、封装类型（如QFP、BGA）、失效场景；

·外观初检：用光学显微镜（OM）观察引脚氧化、变形、焊锡残留及封装微裂；

·电性参数比对：测试I/O口漏电流（正常≤1μA，损伤后可能达mA级）、电源端短路情况。

关键原则：亲自进行电性验证。曾有客户误判“ESD导致I/O口失效”，实际为电源引脚虚焊。

步骤2：失效定位——多工具组合锁定损伤点

ESD损伤多为“点式扩散”，需组合以下工具精确定位：

·发射显微镜（EMMI）：检测芯片内部击穿的微弱光信号，可高效锁定μm级异常区域；

·红外热成像（IRT）：捕捉0.1℃温度差异，定位漏电产生的局部热点；

·扫描电子显微镜（SEM）：拆封装后观察微观结构，需先完成非破坏性定位。

案例示例：某手机射频芯片失效，EMMI在I/O口附近发现亮点，SEM下观察到金属互连层“飞溅状熔断痕迹”，确认为ESD导致的局部过热损伤。

步骤3：样品制备——避免“二次损伤”

ESD损伤微观结构脆弱，样品制备需注意：

·针对性去封装：陶瓷封装用等离子蚀刻（≤150℃），塑料封装用化学开封；

·截面制备：使用聚焦离子束（FIB）制作nm级精度截面，避免机械切割变形；

·全程防静电：佩戴防静电手腕带（接地电阻≤1MΩ），使用接地工作站。

步骤4：根因分析——追溯ESD注入路径

找到损伤点后，需综合分析：

·损伤形态判断：TEM发现栅氧层变薄或孔洞，可能是ESD电压超防护阈值；SEM见金属层断裂，表明该处流过了远超设计承受能力的强电流（通常由ESD事件导致）；

·防护电路排查：测试ESD防护器件的IV特性曲线，检查是否失效（如出现短路、开路或参数显著退化）；

·应用场景回溯：确认是否在无防静电环境中操作，或存在热插拔行为。

案例示例：某芯片损伤点在电源端，追溯发现客户测试时热插拔电源，导致ESD从电源端注入。

步骤5：验证与报告——确保“可复现、可落地”

分析完成后需形成闭环：

·失效复现验证：模拟客户场景（如施加HBM 2kV ESD电压），观察是否复现相同损伤；

·输出落地报告：包含损伤点照片、测试数据、ESD注入路径图，并提出改进建议：

对客户：建议增加防静电地板、每日检测防静电手环接地电阻；

对设计端：优化ESD防护电路（如加TVS管）、加厚栅氧层（如从5nm增至8nm）。

三、综合案例：A芯片未上机即失效分析

以芯片的静电损伤（ESD）为例，通过外观检查，I-V曲线测量、x-ray检查、开盖检查、热点分析、去层分析等方法，分析芯片失效的原因及机理，并根据实际提出改善建议。

背景介绍：

终端客户反馈上机测试出现故障，PCB板无法正常运行，交叉验证后锁定为A芯片不良，对A芯片进行阻抗 测量，发现A芯片内部某一二极管部分电路阻抗异常偏低。现进行测试分析，查找失效原因。

分析过程：

1. 外观检查：芯片表面无破损、裂痕或丝印异常；

2. I-V曲线测量：PIN4-PIN5之间呈短路特征；

3. X-ray与开盖检查：未发现内部结构或键合线损伤；

4. 热点分析：使用Thermal对A芯片进行热点定位，定位到PIN4-PIN5附近异常热点；

5. 去层分析：从CT层至SUB层，ESD损伤逐渐加重，SUB层损伤最严重。

6. 结论与建议

A芯片失效的直接原因是ESD导致内部二极管击穿。建议——

客户端：严格规范芯片存储、取放和上电操作流程，确保在有效防静电环境（如佩戴合格接地手环、使用防静电台垫/地板）下进行；

设计端：复查该内部二极管结构及其ESD防护路径设计是否合理，评估其抗ESD能力，考虑优化布局或增加保护强度。

ESD失效分析的核心是“还原从静电产生、注入到芯片失效的完整路径”。需避免“只看局部、依赖经验”的误区，遵循“验证－定位－溯源－闭环”的逻辑，结合多工具分析和场景回溯，才能真正解决问题，降低ESD失效带来的成本损失。