故障分析（FA：Failure Analysis）是分析已成為不良品的元件，找出物理原因，並查明問題出在設計、製程或構裝何處的工作。測試判定的是「是否不良」，FA 則是回答「為什麼不良」的工作，同時支撐良率改善與市場不良的再發防止。
分析的鐵則是由非破壞性逐步進入破壞性。首先以電性量測區分不良症狀（開路、短路、漏電、功能不良），接著以超音波顯微鏡（SAT）或 X 光非破壞性觀察封裝內部的剝離、空洞及金線變形。若在此仍無法確定原因，便進行開封（decap），使晶片表面露出。
不良位置的定位（故障隔離，fault isolation）是最大的難關。要從數十億個電晶體中找出數百 nm 的缺陷，需要使用專門手法。OBIRCH／IRHOST 以雷射局部加熱並偵測電阻變化，光發射顯微鏡則捕捉異常電流伴隨的微弱發光。邏輯上的範圍縮小，則使用由測試結果與掃描鏈資訊推估不良候選位置的掃描診斷（scan diagnosis）。
鎖定位置後，便進入物理分析。以 FIB（聚焦離子束）製作剖面，以 SEM 或 TEM 觀察結構，再以 EDX 或 SIMS 進行元素分析。導線的空洞、閘極氧化層的崩潰痕跡、金屬污染、微粒夾雜等原因，到這一步才首次以肉眼可見的形式呈現。
FA 的結果一定會回饋到製程。若查明是特定設備所致，便會進行 PM 或更換零組件；若是設計所致，則在下一個改版中修正。市場不良（field return）的分析需要同時提交給客戶的報告與矯正措施，因此也是與品質保證體制本身緊密結合的業務。