【04缺陷检测与失效分析】之失效分析流程：现象到根因系统方法

副标题：构建从宏观现象到微观机理的完整分析链条与仪器解决方案

发布日期： 2026年1月30日
作者： 森德仪器/应用技术部
仪器类别： 分析仪器/检测设备
阅读时间： 约15分钟
关键词： 失效分析、根因分析、检测流程、仪器配置、缺陷定位、森德仪器

摘要

失效分析是保障产品质量、提升工艺水平、推动技术创新的核心工程技术。本文系统阐述了一套从失效现象出发，逐步深入直至发现根本原因的科学分析流程与方法。文章构建了一个从宏观现象观察、非破坏性定位、样品制备处理到微观结构/成分/物性分析的完整技术链条，并详细介绍了每个关键阶段所依赖的核心实验室仪器及其作用。特别以蔡司GeminiSEM 360场发射扫描电子显微镜为例，说明了其在失效分析流程中的关键定位——作为连接宏观定位与微观表征的桥梁，提供亚纳米级高分辨率形貌与成分信息。通过梳理这一系统性的方法和仪器配置方案，本文旨在为研发工程师、质量控制和失效分析专业人员提供一套清晰、实用、高效的解决复杂失效问题的技术路线图和设备选型指导。

应用场景与案例分析

主要应用领域

1. 电子元器件与半导体芯片的失效分析

• 步骤一：现象确认与电学定位

• 步骤二：内部结构无损探查

• 步骤三：开封与截面制备

• 步骤四：微观形貌与成分分析（核心环节）

• 步骤五：深度机理分析（原子/纳米尺度）

• 场景： 器件在测试或使用中功能异常。

• 技术要求： 精确定位失效引脚或内部节点。

• 森德仪器适配性： 我们提供半导体参数分析仪、微探针台、发光显微镜等设备，用于完成I-V曲线测试和失效点的初步电学定位。

• 场景： 怀疑封装内部存在空洞、分层、引线断裂或焊点缺陷。

• 技术要求： 在不破坏样品的前提下观察内部结构。

• 森德仪器适配性： 配置X射线实时成像系统和3D X射线CT，可清晰呈现内部三维结构；扫描声学显微镜则对检测塑封器件中的分层和裂纹尤为敏感。

• 场景： 需要暴露芯片表面或对特定失效点进行深度分析。

• 技术要求： 精确、可控地去除封装材料或制备特定位置的横截面。

• 森德仪器适配性： 提供机械/化学开封机进行塑封去除，并配备聚焦离子束系统进行纳米级精度的定点截面制备，这是后续高分辨分析的关键前提。

• 高分辨成像： Gemini 1电子光学系统提供亚纳米分辨率，即使在低电压下也能对敏感的半导体结构进行无损成像，清晰揭示击穿点、微裂纹等缺陷形貌。

• 成分分析拓展： 其对称设计的EDS端口可无缝集成能谱仪，在观察形貌的同时进行微区元素分析，快速判断污染物（如Na、K、Cl离子污染）或材料异常。

• 样品兼容性： NanoVP技术允许对未镀膜的绝缘区域（如介质层）直接进行高质量成像，避免了制样引入的假象。

• 场景： 观察芯片表面的金属迁移、静电放电损伤、栅氧击穿孔、键合点异常，或分析截面上的界面分层、晶格缺陷、污染物等。

• 技术要求： 亚纳米至纳米级的高分辨率成像，以及微区元素成分分析。

• 森德仪器核心解决方案：蔡司GeminiSEM 360 FE-SEM

• 场景： 需要分析栅氧的厚度与均匀性、晶体缺陷（位错、层错）、界面原子排布等更深层次原因。

• 技术要求： 原子级分辨率和晶体结构分析能力。

• 森德仪器适配性： 在FIB制备的薄片基础上，可结合高分辨率透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪或微区X射线衍射仪等进行的物理化学机理研究。

• 典型失效现象： 电性失效（开路、短路、参数漂移）、热失效（过热烧毁）、机械失效（裂纹、断裂）、腐蚀失效等。

• 系统性分析流程与仪器需求：

2. 金属材料与机械部件的失效分析

• 步骤一：断口宏观分析

• 步骤二：断口微观形貌与成分分析

• 步骤三：金相组织与缺陷分析

• 场景： 观察断裂面的整体形貌，判断断裂起源和扩展方向。

• 技术要求： 大视野、高景深观察。

• 森德仪器适配性： 体视显微镜和高分辨率光学显微镜是理想工具。

• 优势： 其Inlens探测器可同时获得优异的表面形貌和成分衬度，能清晰区分基体与第二相粒子、腐蚀产物。对磁性材料，其近乎无磁场泄露的设计确保成像无失真。

• 场景： 分析断裂模式（韧窝、解理、疲劳辉纹等），查找夹杂物、腐蚀产物等起源点。

• 技术要求： 高分辨率、大景深成像及微区成分分析。

• 森德仪器核心解决方案：蔡司GeminiSEM 360 FE-SEM

• 场景： 分析失效部位附近的显微组织变化（如晶粒变形、相变、脱碳层）。

• 技术要求： 制备抛光腐蚀后的金相样品并进行高分辨率观察。

• 森德仪器适配性： GeminiSEM 360同样适用于金相样品的高质量成像，其高分辨率可揭示更细微的组织特征。

• 典型失效现象： 疲劳断裂、应力腐蚀开裂、磨损、过热变形等。

• 系统性分析流程与仪器需求：

3. 高分子与复合材料失效分析

• 典型失效现象： 开裂、分层、变色、性能退化。

• 系统性分析流程与仪器需求： 涉及FTIR光谱仪（分析化学键变化）、热分析仪（DSC/TGA，分析热性能变化）、SEM/EDS（观察填料分布、界面分离、分析无机成分）以及显微拉曼光谱仪（分析局部应力与结构）的联用。

森德仪器的一站式解决方案适配性

我们理解失效分析是一个多技术、多仪器协同的系统工程。森德仪器不仅能提供上述流程中各个关键节点的单一设备（如蔡司GeminiSEM 360），更能根据客户的具体行业（半导体、材料、汽车电子等）和常见失效模式，协助规划和搭建从初步定位到深度表征的完整失效分析实验室平台。我们的价值在于：

1. 专业咨询： 帮助客户梳理分析需求，设计优的仪器配置方案，避免设备重复投资或功能缺口。

2. 技术整合： 提供多品牌、多类型仪器的集成方案，确保工作流程顺畅。

3. 应用支持： 提供从设备操作、制样方法到联合分析策略的应用培训与支持。

附录与参考资料

相关标准

• GB/T 28873-2012 《微束分析 扫描电镜-能谱仪 定量分析用标准样品通用技术条件》

• GB/T 17359-2012 《微束分析 能谱法定量分析》

• IPC/JEDEC J-STD-035 《声学显微镜对塑料封装的电子元件进行非破坏性评估的方法》

• SEMI MF1811 《通过扫描电子显微镜测量硅片上晶体缺陷的测试方法》

• ASTM E1491 《失效分析中金相技术的标准指南》

• ISO 14644-1 洁净室及相关受控环境——第1部分：按粒子浓度划分空气洁净度等级（适用于高可靠性电子器件分析环境）

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