1% 的投資，撬動 100% 的品質

作者: Lai Lilung, Ph.D. | 日期: 2025年12月04日

在半導體產業深耕 27 年，其中超過 90% 的時間，我都在與失效分析（Failure Analysis, FA）及各類分析實驗室密切合作。在集成電路製造領域工作超過 25 年，其中 23 年更是直接負責 FA 實驗室的管理與運營。今天，我希望結合這份經驗，分享我對 FA 投資、策略與技術發展的觀察與建議，期望為半導體產業提供一份專業而務實的參考。本文旨在系統性探討半導體 FA 的整體規劃，內容涵蓋 FA 的定義、核心原理（第一性原理）、與分析實驗室的關係、角色定位、價值本質、工作文化、組織功能、技術內涵、成本與投資考量、其對公司的實際貢獻評估，並於最後提出作者個人的總結。此外，也會討論 FA 與更廣義的分析實驗室（Analysis Lab, AL）之間緊密且互補的關係。

一、FA：尖端科技產業的「診斷醫師」

失效分析（FA），或稱故障分析，是高科技產業走向成熟與尖端領域的必然產物。在半導體產業鏈的每個環節——上游 IC 設計、中游晶圓製造、下游封裝與測試——FA 的角色都是不可或缺的。晶圓廠（Fab）的投資動輒以數十億美元計，是整個半導體產業鏈中投資規模最大的環節。然而，FA 實驗室的投資通常僅佔 Fab 總成本的約 1%（從數百萬至數千萬美元不等）。但就是這微小的 1%，卻承擔著高度專業且關鍵的任務，其產出的分析結果，直接影響晶圓廠的產品良率、品質穩定度與產能提升。簡而言之，FA 實驗室的核心職責，是透過電性量測與顯微觀測，提供：

  • I-V 量測曲線
  • 失效定位圖（Hotspot Map）
  • 顯微影像（Micrograph）
  • 成分分析光譜（Spectrum）
這些分析結果，是半導體業界普遍認知中 FA 的基本職能。

二、FA 實驗室的誕生與角色演進

FA／AL（分析實驗室）之所以會成為公司內部的專職單位，主要源於兩項核心因素：（1）高額設備成本，動輒數百萬至上億美元；（2）專業技術門檻：涵蓋電性、物性、化性、材料、製程與精密操作。因此，集中資源成立專業團隊，是確保設備效益與技術品質的最佳方式。在半導體公司內，FA／AL 的核心職能是支援（Support）FA 任務。其價值主要體現在：

  • 驗證失效模型： 找出問題根源
  • 提供關鍵分析數據： 作為決策與問題修復的依據
  • 最終失效定義與責任，多由送件工程單位承擔，而非 FA 實驗室
因此，FA／AL 本質上是一個以實驗室運營為核心的專業服務單位，其主要任務集中在設備運作、樣品處理、資料產出與結果判讀協作。在晶圓代工（Foundry）、封裝測試（OSAT）、甚至 IC 設計公司中，FA 都被視為不可或缺的支援部門。

三、FA 實驗室的雙核心：電性與物性分析

FA 的核心能力圍繞兩大領域：電性分析（EFA）與物性分析（PFA）。首先，電性分析（EFA）以 I–V 測量為基礎，配合失效定位技術，用於快速找出問題位置與初步判斷失效類型。

（1）電性分析 EFA：其目的是精準定位缺陷位置、初步判讀失效類型。EFA 的特性有（1）儀器相對容易操作，（2）多為低破壞性分析，（3）部分設備可開放工程單位使用（工程測試機除外）等。常用設備包括：光學顯微鏡（OM）、紅外線顯微鏡（IRM）、電子束測試系統（EBT）、熱成像系統（Thermal Imaging）、電子束電流顯微鏡（EBIC）、OBIRCH、EMMI、Nanoprober 等。EFA 的主要價值是協助「失效定位與初步診斷」，是 FA 工作流程中連結測試與物性分析的重要前段。

（2）物性分析 PFA：涉及樣品製備與多種高精密設備，負責最終揭露材料與結構層級的問題根因。常用設備有SEM、TEM、SIMS、XPS、FIB、AFM和各式材料分析儀器。PFA 的特性有：（1）設備昂貴（真空、高解析度、奈米級技術）；（2）操作複雜，需要跨領域專家；（3）結果解讀需具備材料與製程背景

PFA 才是 FA 的最終核心價值所在，而 EFA 則是協助順利執行 PFA 的必要前置步驟。在許多公司中，PFA 團隊甚至會獨立成為材料分析（MA）部門。從歷史角度來看FA 實驗室的形成：FA 單位在 6 吋晶圓廠時代逐漸成形。由於早期設備昂貴且技術資源分散，許多分析需求需外包。然而隨著 8 吋、12 吋晶圓、FinFET 先進製程與先進封裝的出現，失效模式快速複雜化、材料與製程日益精細，分析難度大幅提升。因此，建構完整、強大的 FA／AL，便成為晶圓廠巨額投資與快速量產的核心保障之一。

四、FA 的挑戰：被動性、電性與物性之間的矛盾

「失效分析」本身帶有被動與負面色彩，因為其工作直接圍繞「失效」展開。然而，在先進製程與技術研發中，FA 對提升 良率（Yield） 與 可靠性（Reliability） 的重要性已成為不可或缺的一環，各類 EFA 技術與設備（如 EMMI、OBIRCH、Thermal Imaging、Nanoprober、AFM 等）更是基礎投資。FA 面臨的根本挑戰，在於其天生的不可預測性與難以重現性，這一特質使其在工廠體系中經常遭遇以下結構性矛盾：

  • 難以標準化： 不同於 Fab 的量化控制與精密誤差管理，FA 多屬定性分析，主要以「好品 vs. 壞品」的比較方式進行。
  • 技術研發困難： 許多量測與剖面方案需依樣品特性客製化，不易建立可量產的技術模組。
  • 投資占比偏低： 在晶圓廠的整體資本支出中，FA 通常僅占約 1%，與其對良率與可靠性的貢獻並不相稱。
  • 資源爭取困難： 因 FA 常被誤解為「反向工程」（Reverse Engineering），使其升級與擴編較難獲得支持。

相較之下，分析實驗室（AL）著重於顯微觀察與材料特性等 正向工程（Forward Engineering） 需求，直接支援製程開發與生產，因此更容易被視為 Fab 的必要投資項目。

五、破局之道：從被動診斷走向主動逆向工程

我的核心建議如下：FA 必須從被動的「失效回應者」，轉型為主動服務研發的 逆向工程夥伴（Reverse Engineering Partner）。 這樣的轉型，意味著 FA 不再只是被動應付失效，而是成為技術突破與製程創新的重要推動者。

要達成此轉型，可從以下四個方向著手：

  • 前移至研發前線： 不僅在失效時介入，更要在技術開發階段主動參與，運用 FA 技術深入理解元件物理、材料特性與製程極限。
  • 提供前瞻性洞察： 以事前分析取代事後補救，為新技術導入、良率提升與可靠性設計提供風險預判與關鍵資料。
  • 建立 TD/Fab 的協作模式： 讓 FA 成為技術研發團隊不可或缺的一環，而非單純「收件與回報」的支援單位。
  • 建立價值量化模型： 以量化方式呈現 FA 為研發與良率改善所創造的實質貢獻，如：量產提前、缺陷密度下降、可靠性提升、NPR（New Product Ramp）縮短等。

一旦成功完成上述轉型，FA 將不再是被動單位，而是技術競爭力的重要支柱，也更能獲得設備升級與人才投入的資源支持。

六、FA／AL 的服務本質與主要客戶

FA／AL 是一種服務型功能單位。在半導體公司內，它通常扮演支援角色；只有在專門的第三方分析實驗室公司，它才可能是核心業務。以下為其主要內部客戶與對應需求特性：

主要客戶部門

  • Fab（Manufacturing 製造部門）
  • TD（Technology Development 技術開發部門）
  • PDE（Product Engineering 產品工程部門）
  • RE（Reliability Engineering 可靠性部門）
  • QE（Quality Engineering 品質工程部門）

不同部門的需求特性

  • PDE（產品工程）：
    因需處理大量低良率晶片（CP）分析，因此偏好具備 **自主 EFA 能力** 的支援，以便快速診斷與早期回饋。
  • Fab 與 TD（製造與技術開發）：
    是 FA/AL 最大的需求來源，主要偏向高精密 **物性分析（PFA）**，例如製程問題剖析、缺陷型態判讀、材料與界面分析等。
  • EFA（電性分析）：
    主要用於 WAT、CP、可靠性測試後的失效定位，是物性剖面與根因分析的重要前置步驟。

各工程部門對 FA／AL 的需求互補。而 FA／AL 的角色，就是以其專業設備與技術能力，支撐這些不同部門的工程需求，確保問題能被**正確**、**及時**地診斷與回報。

七、立論：FA 的第一性原理與兩大定理

若要真正理解 FA，就必須替它建立一套清晰、具操作性且能指導行動的「工作型定義」。為此，我主張必須從最根本的概念——「失效（Failure）」——的精確定義開始。

失效（Failure）定義： 指任何在電性測試中未通過規格（spec.）的樣本（如 wafer/die）。

這一定義之所以關鍵，有以下三個理由：

  • FA 的起點被明確錨定在電性測試結果。
    若無 WAT、CP 或 Reliability 等測試，就無「失效」，更無 FA 的後續行動。
  • 它清楚區隔了 FA 與一般材料／結構分析。
    製程線上的缺陷檢測、顯微觀察等異常並不構成 FA，那僅屬於材料或結構分析服務，而非失效分析。
  • 它精準界定了 FA 的真正需求者。
    • 屬於 FA 的核心客群：PDE、RE、PIE（皆以「最終電性」為核心）
    • 不屬於 FA 的需求：Modules（製程單位）或 QE 的顯微觀察，即使技術手段與 PFA 重疊，但目的完全不同

基於上述前提，我提出以下 FA 的工作型定義：

FA 的工作型定義：
運用實驗室可用的一切資源，支援所有因「電性測試失效」所發起的分析與驗證活動。

我認為，這樣的定義最貼近現今半導體產業對 FA 的實際共識，也最符合其在研發與量產流程中的真實角色。

八、FA 的第一性原理：『好壞對比』

根據前述的 FA 工作型定義，可以推導出所有失效分析的第一性原理（First Principles）── 「好壞對比（Good vs. Bad Comparison）」。

其核心方法論包含以下五個步驟：

  • 建立良品基準： 選擇一個通過（Pass）的樣本，進行完整表徵，作為分析對照的基準。
  • 取得失效資料： 收集失效樣本（Fail）的所有量測與觀察結果。
  • 進行好壞差異比對： 將失效樣本與良品基準進行一對一對照，將差異「凸顯化」。
  • 萃取失效特徵（Signature）： 透過差異分析找出失效的獨特物理或電性特徵，作為根因判斷的線索。
  • 回溯根因並提出改善方案： 依據特徵推論並確認失效源頭（製程、設計、材料或測試），最終制定工程改善路徑。

這一原理看似直觀，卻是所有半導體 FA 方法的共同邏輯基礎。無論是 CP 良率問題、可靠性失效、異常追蹤，亦或是新技術研發，其本質皆可回到「好壞對比」這一核心框架。

九、FA 的兩大定理

在第一性原理與工作型定義的基礎上，我歸納出支配 FA 實踐的兩大定理。

定理一：實驗室資源決定 FA 的能力極限

「實驗室資源」主要由 人員 與 設備／設施 兩部分組成。

（1）人員結構

  • 主管（Manager）：負責資源規劃與執行，不必為頂尖技術者，但需精通管理與跨部門協調。
  • 工程人員（Engineers / Technical Consultants）：承擔技術開發與問題解決，需完成設備及流程認證，可進行知識產出（專利、論文、Know-how 管理）。
  • 技術人員（Technicians）：操作成熟技術並穩定產出結果，由工程師指導，主管管理人事。

（2）設備與設施（Facility）

  • 分析儀器群（EFA / PFA / Sample Prep）：實驗室成本主體，種類由工程師提案、主管決策；維護由工程人員負責。
  • 實驗室空間規劃：空調、震動、EMI、濕度與潔淨度影響儀器效能，需在初期與廠務、設備商及技術團隊共同規劃。

假設一：只要資源充足且配置合理，理論上任何失效分析案件皆可被解決。這將最終回到領導者需回答的問題：「值得投資嗎？」

定理二：失效分析必須與測試緊密連結

晶圓廠中的測試主要包括：

  • WAT（Electrical test on wafer）
  • CP（Chip Probing）
  • Reliability（高溫／壽命／加速應力等）
  • 廣義可延伸至 FT 與產品可靠性測試

WAT / Reliability

  • 多在 Test key 上進行抽測
  • 提供大量背景資訊
  • 通常由 QE（品質工程）負責

CP（Chip Probing）

  • 直接測試最終產品，每片晶圓皆需測試，資訊量最大且工程價值高
  • CP 良率是製程健康度的最終指標
  • 涉及產品深度資訊，需由 PDE 主導 FA
  • PDE 可依據 CP Data：
    1. 從 CP 良率與 Signature 出發
    2. 透過 EFA 定位失效
    3. 利用 PFA 找出物理根因
    4. 回饋 Fab 改善製程

形成完整閉環：Test → FA → Process Improvement 同理可適用於 RE、PIE，只是任務緊迫性與產品性質略有差異。

假設二：若將測試設備與先進光學定位技術（PEM / LST / DLS）完整整合，且具備足夠解析度與靈敏度，理論上可對產品進行全面而精準的失效定位。 雖需進一步驗證，但 ISTFA 等國際發表顯示，頂尖團隊正快速朝此方向前進。 對一般案件，多數仍可透過基礎電性量測與顯微技術完成；對前沿節點與複雜元件，測試與定位整合能力則是核心競爭力。

十、FA 的構成與文化基石

定理一說明了分析實驗室存在的必要性；定理二則指出 PDE／RE／PIE 為 FA 的真正主導者。 為避免混淆，本篇文章中，FA 的範疇僅指實驗室中的 EFA 與 PFA，不包含辦公室中的 Data Analysis（那屬 PDE 的整體 Yield Analysis）。

FA 的構成

Lab FA = EFA + PFA

  • EFA（Electrical FA）：以電性探測與失效定位為核心技術。
  • PFA（Physical FA）：建立於精密試片製備、顯微結構觀察與材料成分分析之上。

隨著製程節點進步，整合性要求提高，EFA 與 PFA 的界線愈來愈模糊。高端設備（如 DLS、Nanoprobe、高階 FIB/TEM 等）已成為基本需求。 設備投資屬 FA 主管權力，但所有決策必須建立在真正的工程需求上。如何最大化管理效益與技術輸出，將在後續文章中探討。

FA 的文化核心

FA 的本質在於：

  • 驗證工程假設（仰賴嚴謹方法）
  • 解決未知問題（依靠經驗、洞察力與創新）

同時，FA 也是企業的責任成本中心（Accountability Cost Center），需要穩定且「可量產」的結果輸出。

FA 四大文化信條

  • 責任（Ownership）
  • 勤奮（Industry）
  • 專業（Profession）
  • 創新（Innovation）

最有效的推行方式永遠是——領導者的以身作則。

十一、結語：FA 的本質與其戰略地位

綜合以上觀點，可以將 FA 的核心精神歸納如下：

  • FA 的起點：來自電性失效
    所有 FA 的入口只有一個：電性測試失效。沒有 Fail，就沒有 FA。
  • 第一性原理：好壞對比
    透過良品／失效品系統化比對，逐步還原根因。
  • 兩大定理：FA 的運作基石
    • 定理一：資源決定能力 — 實驗室的人力與設備構成 FA 能力的天花板，是企業的投資決策。
    • 定理二：測試主導 FA — CP／WAT 等測試單位（尤其 PDE）必須主導 FA，才能達到最有效率的問題解析。
  • FA 的構成：EFA + PFA
    FA 是技術支持單位，而非結果責任單位。
  • FA 的文化基石：四大信條
    責任、勤奮、專業、創新 → 是 FA 得以「量產」高品質分析結果的根本。

作者介紹：賴李龍 博士

出生於臺灣，清華大學（台）物理學士、碩士，復旦大學材料科學博士。從事半導體製造行業從業超過27年, 在台工作期間曾任職功率器件與DRAM廠, 在中國大陸服務期間經歷過中芯國際、芯恩、華為等半導體製造大廠, 制程工藝參與從250nm成熟制程量產到5nm的先進技術的研發與良率提升等工作。工作服務期間發表了25篇國際會議技術文章與期刊文獻, 同時申請15份以上的專利。歷練過專業晶圓代工/DRAM存儲器/功率器件/新型非易失性存儲器(FRAM)/IDM等集成電路製造多元性工廠為主的半導體公司。對於半導體物理與器件，物性顯微表徵與電性失效分析均有較高的實務經驗與深入的學理基礎。