FCBAG封裝集成電路在失效分析中常用的檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)

摘 要

FCBGA 封裝集成電路在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)多種多樣的失效模式和失效機(jī)理。介紹了在 FCBGA 封裝 集成電路失效分析中常用的檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)， 包括 X 射線檢測(cè)系統(tǒng)、 聲學(xué)掃描顯微鏡、 OBIRCH 背面定位技術(shù) 和掃描電子顯微鏡等， 并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的失效案例， 對(duì)芯片開裂、 凸點(diǎn)重熔、 凸點(diǎn)開裂和過電應(yīng)力 4 種失效 機(jī)理展開了分析， 為后續(xù) FCBGA 封裝集成電路的失效分析提供了參考方向。

0 引言

隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展， 電子器件的集成度 越來越高， 人們對(duì)集成電路的需求逐漸地向高集成 度、 低功耗和小體積的方向發(fā)展。倒裝芯片球柵格 陣列 （FCBGA：Flip Chip Ball Grid Array） 封裝器件以其高密度、多I/O 端口封裝和散熱好等優(yōu)點(diǎn)成 為多種集成電路的封裝首選， 尤其是 FPGA、 CPU 和 DSP 等集成度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電路 。?

FCBGA 封裝集成電路的剖面簡(jiǎn)化模型如圖 1 所示， 芯片倒裝通過表面的凸點(diǎn)與基板實(shí)現(xiàn)電氣連 接 ， 在芯片與基板之間的空隙充斥著填充膠（underfill）， 一般為環(huán)氧樹脂， 通過基板內(nèi)部線路 與外焊球相連。

FCBGA 封裝集成電路在生產(chǎn)、 制造、 調(diào)試和 實(shí)際使用的過程中會(huì)經(jīng)歷多次高溫、 焊接和加電等 階段， 在任一過程中操作不當(dāng)均有可能導(dǎo)致器件失 效。因此， 對(duì) FCBGA 封裝集成電路在實(shí)際應(yīng)用中 常見失效模式和失效機(jī)理的研究有著重大的意義。?

1?常用的設(shè)備與技術(shù)

在對(duì) FCBGA 封裝集成電路失效機(jī)理研究的過 程中， 基于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高集成度和高密度性， 通 常需要多種檢測(cè)設(shè)備對(duì)其展開分析， 本著先無損、 后破壞的原則， 逐步地探求其根本的失效原因。常 用的檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)包括 X 射線檢測(cè)系統(tǒng)、 聲學(xué) 掃 描 顯 微 鏡 （SAM）、 基于光束感生的電阻變化 （OBIRCH：Optical Beam Induced Resistance Change） 背面定位技術(shù)和掃描電子顯微鏡 （SEM） 等。?

1.1 X 射線檢測(cè)系統(tǒng)?

X 射線檢測(cè)系統(tǒng)包括 2D 和 3D 兩種模式， 均 使用透射成像原理， 由于不同的材料對(duì) X 射線的 衰減能力也不同， 其反應(yīng)出的襯度存在差異 。2D X-ray 展示的是二維平面結(jié)構(gòu)， 可以用來初步 判斷 FCBGA 封裝集成電路的內(nèi)部凸點(diǎn)是否正常、 基板電容焊接是否存在移位等問題， 3D X-ray 則 可以選取任意的截面， 從多個(gè)角度對(duì)器件內(nèi)部進(jìn)行 觀察， 還可以從特定的截面對(duì)器件的內(nèi)部凸點(diǎn)、 基 板走線等方面展開分析。?

1.2 聲學(xué)掃描顯微鏡?

（SAM） SAM 利用超聲波在不同的介質(zhì)之間傳播的聲 阻也不同， 在內(nèi)部缺陷或材料變化的地方發(fā)生反射 和透射， 從而形成聲學(xué)掃描圖像。其原理示意圖如 圖 2 所示。

因此， 聲學(xué)掃描檢查包括 2 種模式：C-SAM 和 T-SAM。C-SAM 模式的精度較高， 適用于判斷 超聲波遇到的第一個(gè)檢測(cè)界面是否分層 ；而TSAM 模式可以檢測(cè)所有的界面是否存在分層， 但是無法準(zhǔn)確地判斷分層出現(xiàn)在哪一個(gè)界面處。通常兩種模式互為補(bǔ)充， 從而能夠精準(zhǔn)、 無損地判斷分 層界面 。?

SAM 可以無損地檢查 FCBGA 封裝集成電路中 的 underfill 與芯片和基板之間是否分層、 熱界面材 料 （TIM：Thermal Interface Material） 膠 粘 接 是 否 存在空洞、 芯片是否存在裂紋、 凸點(diǎn)是否存在異常 等， 是 FCBGA 封裝集成電路失效分析中必不可少 的分析手段。

1.3 OBIRCH 背面定位技術(shù)?

OBIRCH 的熱激光激發(fā)定位技術(shù)是集成電路失 效分析中必不可少的分析手段， 對(duì)于端口之間短路 的失效能夠迅速精準(zhǔn)地定位到真正的失效點(diǎn)。FCBGA 封裝集成電路的芯片均采用倒裝的形 式， 因此 OBIRCH 對(duì)于該種器件的分析需要采用 背面定位技術(shù)。背面定位通常需要對(duì)芯片背面進(jìn)行 拋 光 減 薄 ， 可以采用精密研磨機(jī)來實(shí)現(xiàn) 。對(duì) 于 FCBGA 封裝集成電路通常采用機(jī)械方法來去除表 面的金屬蓋和 TIM 膠， 然后拋光減薄即可。利用 OBIRCH 背面定位技術(shù)， 對(duì)于FCBGA 封 裝集成電路芯片內(nèi)部的晶體管擊穿燒毀的失效便可精準(zhǔn)地定位。?

1.4 掃描電子顯微鏡 （SEM）?

當(dāng)定位到芯片內(nèi)部的準(zhǔn)確失效位置后， 需要將 具體的物理失效形貌展現(xiàn)出來， 由于集成電路的高 集成度， 此時(shí)體視顯微鏡和金相顯微鏡的放大倍數(shù) 已經(jīng)無法將微觀失效形貌完全地展現(xiàn)出來 ， 而 SEM 則可以滿足這個(gè)需求。?

SEM 的工作原理是利用高能電子束對(duì)失效樣品被觀察區(qū)域進(jìn)行掃描轟擊， 從而激發(fā)出二次電 子、 背散射電子等信息， 通過對(duì)收集到的信息進(jìn)行 處理、 成像， 則可以獲得具體的微觀失效形貌 。對(duì) 于 FCBGA 封裝集成電路中芯片晶體管 燒 毀、 凸點(diǎn)異常等失效形貌， 利用 SEM 可以將其微 觀形貌完全地展現(xiàn)出來。?

2 案例分析

FCBGA 封裝集成電路在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn) 不同類型的失效模式和失效機(jī)理， 接下來通過 4 個(gè) 典型案例來分享如何對(duì) FCBGA 器件展開分析， 以 了解其失效機(jī)理。

2.1 芯片開裂?

某 型 號(hào)FPGA 在 裝 機(jī) 前、 模塊調(diào)試階段失效 了， 外觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)其側(cè)面基板存在明顯的翹曲， 如圖 3 所示。

電特性測(cè)試發(fā)現(xiàn)樣品多個(gè)電源端口對(duì)地短路， 開蓋前 T-SAM 發(fā)現(xiàn)樣品芯片區(qū)域存在異常的條紋 陰影， 如圖 4 所示。采用機(jī)械方法去除表面金屬蓋 和 TIM 膠后， 發(fā)現(xiàn)樣品芯片背面可見明顯的機(jī)械 損傷， 存在多處裂紋， 如圖 5 所示， 與圖 4 聲掃結(jié) 果中的異常條紋陰影一致。?

再次對(duì)芯片區(qū)域進(jìn)行 C -SAM 發(fā) 現(xiàn) 芯 片 與 underfill、 underfill 與基板界面均存在條狀異常陰 影， 與芯片裂紋的形貌一致， 如圖 6 所示。

結(jié)合外觀和聲掃的結(jié)果可知， 該案例中的失效 樣品由于基板翹曲導(dǎo)致芯片出現(xiàn)機(jī)械裂紋損傷， 當(dāng) 芯片開裂時(shí)， 芯片的裂縫和錯(cuò)位會(huì)造成電源、 地和 I/O 端口發(fā)生短路、 開路等問題， 從而導(dǎo)致器件失效。?

2.2 凸點(diǎn)重熔

對(duì)某型號(hào)FPGA 回流焊后進(jìn)行飛針測(cè)試， 發(fā)現(xiàn) 多個(gè)電源對(duì)地短路。X 射線檢查發(fā)現(xiàn)芯片凸點(diǎn)大面 積地熔融， 如圖 7 所示。開蓋后 T-SAM 可見芯片 中間存在異常的分層形貌， C-SAM 發(fā) 現(xiàn) underfill與基板界面存在分層形貌， 如圖 8 所示。采用機(jī)械 研磨方法將樣品逐層地平面研磨至凸點(diǎn)層， 可見樣 品的凸點(diǎn)焊料重熔形貌， 如圖 9 所示。

結(jié)合 X 射線檢查、 SAM 和切片結(jié)果可知， 該 案例中失效樣品的失效機(jī)理為：樣品由于 underfill 與基板界面分層， 焊料熔融并填充分層界面導(dǎo)致凸 點(diǎn)橋連， 造成電源端口對(duì)地短路失效。?

2.3 凸點(diǎn)開裂

某型號(hào)FPGA 裝機(jī)后進(jìn)行常溫測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)電源 電流偏低， 串口無輸出， 確認(rèn)其功能異常。電特性 測(cè)試發(fā)現(xiàn)多個(gè)端口對(duì)地開路， 聲學(xué)掃描檢查發(fā)現(xiàn)芯 片與 underfill、 underfill 與基板界面均可見明顯的 分層， 且分層集中在芯片上側(cè)， SAM 結(jié)果如圖 10 所示。?

為了檢查分層區(qū)域的凸點(diǎn)有無異常， 采用固封 和研磨的方法對(duì)芯片上側(cè)第一排凸點(diǎn)進(jìn)行金相切片 觀察， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：第一排凸點(diǎn)橫截面可見芯片與 underfill 界 面 的 明 顯 分 層， 多個(gè)凸點(diǎn)從分層處斷 開， 部分凸點(diǎn)的斷開界面平滑呈圓弧形， 為熱熔形 貌；部分凸點(diǎn)的斷開界面不規(guī)則， 呈現(xiàn)撕裂形貌，如圖 11 所示。

結(jié)合電測(cè)、 SAM 和切片的結(jié)果可知， 該案例 中失效樣品的失效機(jī)理為：在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的 作用下， 樣品芯片與 underfill 界面分層， 內(nèi)部凸點(diǎn) 斷裂導(dǎo)致端口開路而失效。

2.4 過電應(yīng)力?

某型號(hào) FPGA 隨整機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)后失效， 具 體表現(xiàn)為 1.8 V 電源對(duì)地阻值偏小。外觀檢查未見 樣品存在機(jī)械損傷， X 射線檢查和 SAM 未見樣品 凸點(diǎn)存在明顯的異常 ， 電特性測(cè)試發(fā)現(xiàn)樣品 VCCAUX、 VCCINT 對(duì) VSS 的 I-V 特性曲線呈現(xiàn)低 阻 特 性， 如 圖 12 所 示， 其他電源端口和 I/O 端 口 對(duì) VSS 的 I-V 特性曲線未見明顯的開路或并阻 特性。

為了進(jìn)行失效定位， 運(yùn) 用 OBIRCH 背 面 定 位 技 術(shù) ， 利用激光掃描顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行背面觀 察 分析。對(duì) VCCAUX 與 VSS 之間施加電壓， 可見 電阻異常變化的熱點(diǎn)位于芯片有源區(qū)， 如圖 13a 所 示 。對(duì) VCCINT 與 VSS 之 間 施 加 電 壓 （80 mV， 2.21 mA） ， 可見電阻異常變化的熱點(diǎn)位于有源 區(qū)， 且熱點(diǎn)區(qū)域附近可見異常的黑色陰影， 如圖 13b 所示。芯片表面未見明顯的過熱、 過電燒毀形 貌， 化學(xué)去層后可見有源區(qū)晶體管擊穿燒毀形貌，燒毀區(qū)域與 OBIRCH 定位熱點(diǎn)區(qū)域一致， 如圖 14 所示。

結(jié)合電測(cè)、 OBIRCH 定位和去層后的 SEM 觀 察可知， 樣品由于電源端口引入異常電壓導(dǎo)致芯片 內(nèi)部晶體管擊穿燒毀而失效。?

3 結(jié)束語

本文介紹了 FCBAG 封裝集成電路在失效分析 中常用的檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)， 包括 X 射線檢測(cè)系統(tǒng)、 SAM、 OBIRCH 背面定位技術(shù)和 SEM 等， 并通過 4 個(gè)典型案例介紹了如何對(duì) FCBGA 器件展開失效分 析， 具體的失效定位方案總結(jié)如表 1 所示。本文為 后續(xù) FCBGA 封裝集成電路的失效分析提供了一定 的參考和方向。

編輯：黃飛

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