壊れた理由を突き止める：故障解析

不良になったチップや、試験で壊れた製品が、どこで、なぜ壊れたのかを突き止める故障解析の進め方を説明する。電気で症状を調べる、壊れた場所を探す、中を開けて削って見る、原因を製造や設計に戻す、という流れと、使われる道具を扱う。

壊れた理由が分からなければ、直せない

分野のこれまでのページで、製造の途中の検査、ウェーハテスト、最終テスト、信頼性の試験を学んだ。こうした確かめ方で、不良や壊れた製品が見つかる。

見つかった不良品を取り除くだけでは、同じ不良は、また起きる。不良を減らすには、どこが、なぜ壊れたのかを突き止め、その原因を直す必要がある。この、壊れた理由を突き止める作業を「故障解析」と呼ぶ。

チップの中には、非常に多くのトランジスタと配線がある。その中から、壊れた一つの場所を見つけ出すのは、とても根気のいる作業である。故障解析は、手がかりを集めながら、少しずつ場所を絞り込んでいく、探偵の調査に似ている。

まず、症状を確かめる

最初に、どのように壊れているのかを、電気で確かめる。

決まった信号を入れたときに、どの出力が間違っているか。電源にふつうより多くの電気が流れていないか。温度や電圧を変えると、症状が変わるか。こうした症状を調べると、チップの中のどの部分が怪しいのかが、ある程度分かる。

テストの記録や、設計のデータと照らし合わせると、間違った出力を作る回路をたどって、壊れている可能性が高い場所を、計算で絞り込むこともできる。

壊れた場所を探す

次に、チップの上で、壊れた場所を実際に探す。

壊れた場所では、電気が漏れていて、わずかに熱を出したり、かすかな光を出したりすることがある。そこで、チップに電気を流しながら、熱をとらえるカメラや、かすかな光をとらえるカメラで、チップの表面を観察する。熱や光が出ている点が、壊れた場所の候補になる。

チップの表面は、何層もの配線でおおわれていて、下のトランジスタが見えにくい。そのため、配線の少ない裏側から、シリコンを通して観察することも多い。シリコンは、ある種類の光を通すので、裏側から中の様子をとらえられる。

中を開けて、見る

場所の候補が見つかったら、その場所を、実際に開けて見る。

まず、パッケージの樹脂を、薬液などで取り除いて、チップを取り出す。次に、上の層から順に、膜を少しずつ削ったり溶かしたりして、壊れている層まで掘り下げる。各層で、顕微鏡で形を確かめる。

特定の場所の断面を見たいときは、細く絞ったイオンの線で、その場所だけを削り、断面を出す。出した断面を、電子顕微鏡で拡大して見ると、配線の切れ目や、膜のわずかな傷、異物などが見えてくる。さらに細かいものを見るには、薄く削り出した試料に電子の線を通して観察する装置も使う。

見つかった異物が何の物質かは、電子の線を当てたときに出る、物質ごとに決まった信号などから調べる。

開ける前に、外から調べる

中を開けると、元には戻せない。そこで、開ける前に、外から調べられることは調べておく。

たとえば、X線を使うと、パッケージを開けずに、中の配線のつながりや、つなぎ目のひびを透かして見られる。音の波を当てて、はね返り方から、パッケージの中のはがれやすき間を見つける方法もある。

見つけにくい壊れ方もある

壊れ方の中には、いつも起きるのではなく、温度が高いときだけ、あるいは特定の信号の組み合わせのときだけ起きるものがある。こうした壊れ方は、症状を再現するだけでも難しい。温度や電圧を変えながら、症状が出る条件を根気よく探す。

また、細かくなったチップでは、壊れた場所そのものが非常に小さく、見つけても形の変化が分かりにくいことがある。電気の測り方と、拡大して見る方法を組み合わせて、手がかりを積み重ねていく。

原因を、製造と設計に戻す

壊れた場所と壊れ方が分かったら、なぜそうなったのかを考える。

異物が見つかったなら、どの工程で入り込んだのかを、その異物の種類と、ウェーハの処理の記録から探す。分野「工場を支える技術」で学んだ、処理の記録が、ここで役に立つ。配線が細っていたなら、製造の条件の問題か、設計で流す電気が大きすぎたのかを調べる。

原因が分かれば、製造の工程の条件を直したり、装置を整えたり、設計を見直したりする。直した結果、同じ不良が減ったかを確かめて、ようやく一つの解析が終わる。

歩留まりを上げる力

チップの製造が始まったばかりのころは、良品の割合（歩留まり）が低いことが多い。不良品を一つずつ解析して原因を取り除いていくことで、歩留まりは少しずつ上がっていく。

故障解析は、目立たない作業だが、製品の品質と、製造の費用を左右する大切な仕事である。解析の道具も、チップが細かくなるのに合わせて、より細かいものを見分けられるように進歩し続けている。

このページのまとめ

故障解析は、壊れたチップの、どこが、なぜ壊れたのかを突き止める作業である。まず電気で症状を確かめ、計算で怪しい場所を絞り込む。熱や光をとらえるカメラで壊れた場所を探し、裏側から観察することもある。開ける前にX線や音の波で外から調べ、その後、パッケージを開け、層を掘り下げ、断面を電子顕微鏡で見る。分かった原因を製造と設計に戻して直し、歩留まりを上げていく。