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隨著半導(dǎo)體工藝和先進(jìn)封裝（如CoWoS、MCM）的飛速發(fā)展，芯片級(jí)失效分析（FA）正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的非破壞性故障定位技術(shù)在處理復(fù)雜的I/O失效、高阻抗開路等問(wèn)題時(shí)，往往力不從心。本文基于NVIDIA工程師在ISTFA 2023上發(fā)表的權(quán)威論文，深度剖析了電光太赫茲脈沖反射計(jì)（EOTPR）這一前沿技術(shù)，如何被整合到芯片級(jí)FA工作流程中，并通過(guò)幾個(gè)真實(shí)的GPU失效案例，展示了EOTPR在解決復(fù)雜封裝和芯片內(nèi)部故障中的獨(dú)特價(jià)值和高效性。

一、挑戰(zhàn)升級(jí)：先進(jìn)封裝下的故障定位困境

集成電路（ICs）的失效分析是確保產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，隨著特征尺寸的縮小和封裝復(fù)雜度的提高，故障的定位變得越來(lái)越困難。

傳統(tǒng)FI技術(shù)的局限性：

光子發(fā)射顯微鏡（PEM）和激光技術(shù)（LIT）等非破壞性技術(shù)雖然應(yīng)用廣泛，但在面對(duì)高阻抗開路（OPEN）、I/O漏電或頻率敏感型失效等特定模式時(shí)，往往難以提供精確的定位信息。

時(shí)域反射計(jì)（TDR）主要用于封裝級(jí)的信號(hào)路徑不連續(xù)性檢測(cè)，但其分辨率難以深入到硅芯片內(nèi)部的互連結(jié)構(gòu)。

面對(duì)多芯片模塊（MCM）和2.5D/3D封裝帶來(lái)的挑戰(zhàn)，F(xiàn)A工程師迫切需要一種能夠穿透封裝、直達(dá)芯片的高分辨率非破壞性工具。

二、EOTPR：高分辨率的“電學(xué)透視”技術(shù)

EOTPR（Electro-optical Terahertz Pulse Reflectometry），即電光太赫茲脈沖反射計(jì)，正是為解決上述挑戰(zhàn)而生。它是時(shí)域反射計(jì)（TDR）技術(shù)在太赫茲頻率下的一種實(shí)現(xiàn)，被證明能夠?qū)⒐收隙ㄎ痪忍岣叩絻?yōu)于10微米。

EOTPR的優(yōu)勢(shì)在于：

1、高精度： 相比傳統(tǒng)TDR，EOTPR的分辨率更高，能夠清晰區(qū)分封裝基板、RDL、凸點(diǎn)（Bump）乃至硅芯片內(nèi)部的微小不連續(xù)性。

2、非破壞性： 避免了對(duì)失效芯片進(jìn)行過(guò)早的破壞性分析（PFA），保留了故障現(xiàn)場(chǎng)。

3、快速定位： 尤其適用于I/O相關(guān)的短路、開路和漏電故障。

EOTPR的工作原理：脈沖響應(yīng)與阻抗不連續(xù)性，EOTPR系統(tǒng)利用超快激光和一對(duì)光電導(dǎo)開關(guān)來(lái)生成和檢測(cè)太赫茲脈沖。這使得EOTPR系統(tǒng)具備了高測(cè)量帶寬、低時(shí)基抖動(dòng)和高時(shí)基分辨率的特性。

在操作過(guò)程中，太赫茲脈沖通過(guò)高頻電路探針注入到被測(cè)器件（DUT）的信號(hào)線中。當(dāng)脈沖遇到阻抗變化（如開路、電阻性開路、短路等缺陷）時(shí)，部分脈沖會(huì)被反射回來(lái)。這些反射信號(hào)被光電導(dǎo)開關(guān)檢測(cè)器測(cè)量并記錄為時(shí)間的函數(shù)，形成了EOTPR波形。

與傳統(tǒng)的TDR（使用階躍響應(yīng)）不同，EOTPR采用脈沖響應(yīng)。這意味著：

1、高阻抗不連續(xù)性（如開路）在波形中表現(xiàn)為正峰值。

2、低阻抗不連續(xù)性（如短路）在波形中表現(xiàn)為負(fù)谷值。

波形特征的幅度指示了阻抗變化的程度，而它們的到達(dá)時(shí)間則給出了缺陷的精確位置。以下是一個(gè)高頻率探針開路的示例波形。

EOTPR本質(zhì)上是一種比較技術(shù)。為了確定波形特征是否源于DUT中的故障，必須將其與已知良好器件（KGD）的波形進(jìn)行比較。因此我們可以將EOTPR理解成是一種故障定位的比較分析法。

為了將時(shí)域波形轉(zhuǎn)換為距離域，需要通過(guò)測(cè)量參考器件中已知位置的阻抗特征，來(lái)確定DUT的有效介電常數(shù)。通過(guò)這個(gè)介電常數(shù)，EOTPR信號(hào)的傳播時(shí)間就可以準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為故障發(fā)生的物理距離。

NVIDIA的FA團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)踐，將EOTPR作為首選的非破壞性電學(xué)分析技術(shù)，整合到其芯片級(jí)FA工作流程中。

三、實(shí)戰(zhàn)案例：EOTPR在NVIDIA的GPU芯片失效分析中的應(yīng)用

案例 A：高阻抗故障的“誤導(dǎo)”與糾正

故障現(xiàn)象： 某引腳在ATE測(cè)試中VOH/VOL失效，PEM分析顯示晶體管有異常光子發(fā)射，似乎指向硅芯片內(nèi)部故障。

EOTPR的洞察： 工程師們?cè)鴩L試對(duì)PEM定位的晶體管進(jìn)行破壞性分析，但未發(fā)現(xiàn)異常。引入EOTPR后，波形顯示不連續(xù)性（阻抗變化）發(fā)生在信號(hào)進(jìn)入內(nèi)部電路之前。

這一發(fā)現(xiàn)糾正了PEM的誤導(dǎo)，將分析方向重新聚焦到封裝和芯片接口。最終，結(jié)合LIT和PFA，確認(rèn)是RDL或頂層金屬的電過(guò)應(yīng)力（EOS）損傷導(dǎo)致的高阻抗故障。

案例 B：頻率敏感型失效的“材料”根源

故障現(xiàn)象： 客戶退回的GPU出現(xiàn)間歇性、頻率敏感的“顯示不良”故障，但在ATE上通過(guò)所有測(cè)試。

EOTPR的貢獻(xiàn)： EOTPR波形在光學(xué)延遲上沒(méi)有差異，但在封裝基板區(qū)域的相對(duì)“幅度”上存在顯著差異，失效單元的阻抗更高。

通過(guò)與封裝工程團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，最終確認(rèn)故障根源在于封裝基板材料的批次差異。EOTPR通過(guò)阻抗特征的細(xì)微差異，成功解決了傳統(tǒng)方法束手無(wú)策的頻率敏感型失效。

案例 C：高效的“二分法”故障搜索

對(duì)于開路（OPEN）失效，EOTPR的二分法搜索（Binary Search）策略是其最高效的應(yīng)用之一。通過(guò)獲取裸基板和已知良好芯片（KGD）的波形作為參考點(diǎn)，F(xiàn)A工程師可以迅速將故障隔離到：

1、封裝基板

2、芯片/封裝接口（如凸點(diǎn)、RDL）

3、硅芯片內(nèi)部

在案例C中，EOTPR測(cè)試波形圖如下圖所示。

通過(guò)對(duì)波形進(jìn)行分析，故障定位到凸點(diǎn)/基板位置，詳見(jiàn)下圖結(jié)構(gòu)示意處。

通過(guò)3D Xray確認(rèn)，故障點(diǎn)位置與理論分析一致，詳見(jiàn)下圖所示。

四、結(jié)論與展望：EOTPR成為FA工程師的必備利器

NVIDIA的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)表明，EOTPR已成為解決I/O失效，特別是先進(jìn)封裝中復(fù)雜I/O失效的不可或缺的非破壞性故障定位技術(shù)。