劉曉昱 陳燕 李建強 喬彥彬 馬強 單書珊張海峰 唐曉柯

(北京智芯微電子科技有限公司國家電網公司電力芯片設計分析重點實驗室 北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心)

摘要:

高密度封裝技術在近些年迅猛發展，同時也給失效分析過程帶來新的挑戰。常規的失效分析手段難以滿足結構復雜、線寬微小的高密度封裝分析需求，需要針對具體分析對象對分析手法進行調整和改進。介紹了X射線、計算機輔助層析成像(CT)技術、微探針和多方法聯用等失效分析技術，分析了其原理和適用于高密度封裝的優勢。并結合兩個高密度封裝失效分析案例，具體介紹了其在案例中的使用階段和應用方法，成功找到失效原因。最后總結了各方法在高密度封裝失效分析中應用的優勢、不足和適用范圍。

0引言

20世紀80年代以來高密度微電子組裝技術迅速發展，大大提高了器件級IC封裝和板級電路組裝的密度［1－3］。近年來，以球柵陣列(ball grid array，BGA)封裝、小外形外殼封裝(small outline package，SOP)、芯片級封裝(chip scale package，CSP)、3D等封裝技術為代表的高密度封裝快速發展［4－5］。相對于扁平式封裝(quad flat package，QFP)等傳統封裝技術，高密度封裝有著巨大優勢，例如:1.27mm間距的BGA在25mm邊長的面積上可容納350個輸入/輸出(I/O)端口，遠高于傳統封裝;CSP封裝的焊球節距小于1mm，有利于縮小整個芯片體積［6－8］。然而，隨著封裝特征尺寸逐漸減小，對其可靠性有著更高要求，高密度布線的金屬遷移短路、微銅柱凸點失效及BGA錫球焊接等新問題也隨之出現［9］。

失效分析在集成電路產業中發揮著重要作用，一般根據失效模式和現象，通過無損、有損實驗分析驗證，挖掘失效機理［10－11］。傳統失效分析方法包括:外部目檢、X射線檢查、超聲掃描檢查、電學測試、開封檢查等。由于高密度封裝具有線寬尺寸小、封裝密度高、結構復雜等特點，傳統的失效分析方法很容易產生無法探測失效點、破壞失效點等問題［12－13］。本文介紹了4種應用于高密度封裝的失效分析檢測技術和方法，并結合案例詳述其分析過程。

1高密度封裝失效分析關鍵技術和方法

1.1X射線檢測技術

X射線檢測是一種重要的無損檢測技術。X射線在穿透物體不同部位時，由于材料、厚度不同，會在不同路徑上產生不同衰減，進而通過探測衰減程度而呈現物體內部特征圖像［14－15］。

目前主流的X射線成像技術采用實時成像檢驗系統，主要特點是同時具有高分辨率和大動態范圍。另外，隨著微焦點檢測等技術的應用，X射線檢測精度日益提高，例如，YXLON公司生產的Y.CougarSMT型X射線檢測儀精度可達1μm，使其在高密度封裝產品檢測中發揮重要作用。

1.2CT檢測技術

計算機輔助層析成像技術(computedtomography，CT)是X射線成像技術的延伸，通過采集待測物件不同角度的X射線投影信息，利用高性能計算機計算生成斷層圖像和三維(3D)圖像［16］。其中斷層掃描成像可以對待測樣品在XY，YZ，XZ三個方向上選取任意截面進行成像，而不顯示其余無關部分，避免成像干擾。3D成像是利用計算機對選擇性過濾后的結構或材料進行3D重構，有利于分析高密度封裝中的復雜結構。圖1為某集成電路芯片的CT檢測圖，其中圖1(a)～(c)分別為二維(2D)某層截面圖，圖1(d)為3D合成圖。

1.3X射線二維成像與CT技術聯用

X射線在樣品內部沿直線傳播，具有成像準確、分辨率高的優點，然而對于結構復雜的器件，多層結構的投影會發生疊加;殼體較厚的陶瓷或金屬封裝電子元器件還會使細節特征襯度降低，影響分析結果［17］。CT技術成像是由計算機計算重建得來，其分辨率略低于X射線直接投影成像，尤其是在大倍數觀察時，成像質量低于X射線2D成像，如圖2所示，圖2(a)為某器件的多層印刷電路板(PCB)X射線2D放大成像圖，可見圖中金屬線輪廓清晰，分辨率較高，但BGA焊球(圖中黑色圓形陣列)等無關元素也同時被拍攝，圖2(b)為相同部位的CT斷層成像圖，過濾掉BGA焊球等無關成分，但分辨率較低。另外，3D成像還受到濾窗的人工調整、計算誤差、采集干擾等因素影響。聯合使用X射線2D成像、CT斷層成像和CT3D成像技術，利用三者的優勢，對器件的不同部位采用不同分析手段，相同部位利用多種分析方法從不同角度進行檢查，可以極大地提高分析準確性。

1.4研磨制樣技術、X射線、FIB和探針臺聯用

研磨制樣技術是將樣品鑲嵌到樹脂中，經過一系列研磨過程，得到樣品真實截面形貌的技術，屬于有損分析，在元器件失效分析中具有重要作用。聚焦離子束(FIB)設備可以使用高能離子對樣品表面原子進行剝離，以進行微納加工。探針臺是晶圓測試領域的重要設備，探針可分為軟針和硬針，軟針針尖直徑為0.2～1μm，硬針針尖直徑多為5μm到幾百微米;探針座在X，Y，Z三個方向上的線性移動精度可以小于1μm，探針臺具有靈活性高、精度高、信號穩定等優點［18］。

在高密度封裝中，金屬線寬減小，部分缺陷的尺寸也隨之降低，甚至只有幾十微米，這就要求在研磨制樣時做到高精度，并嚴格控制研磨速度，稍小的失誤都有可能造成研磨過量。這時可以在研磨的過程中使用X射線觀測，測量研磨一定時間前后兩次觀察時的研磨長度，以計算該研磨條件下的研磨速度;同時利用X射線測量研磨面至缺陷的剩余距離，結合研磨速度實現精準研磨控制。使用特定的研磨條件對某高密度封裝失效樣品進行30s研磨，研磨前后進行X射線照射得到對比圖，如圖3所示，經測量研磨面距目標位置的距離分別為963和585μm，則研磨距離為378μm，該條件下研磨速度為12.6μm/s，則在該條件下再研磨46s左右可至目標位置。

在研磨至觀測面時，若缺陷尺寸遠小于金屬線寬，則研磨造成的金屬延展的影響不可忽視，這時可以使用FIB設備去除表面延展金屬，露出底層金屬的真實形貌。若研磨得到某電路中間的微斷點，需進行部分電路的電學測試，則可使用探針臺建立精準穩定的電學連接。例如:研磨制樣得到的某鍵合絲斷口(圖4(a))直徑約為35μm，常規的電學連接針無法精準連接，而探針臺的探針硬針針尖直徑可達5μm，并且通過精準定位實現穩定連接，如圖4(b)所示。

2失效分析在高密度封裝失效案例中的應用

2.1CPU失效分析

某批次進口CPU產品發生功能失效，失效率為10－3。該芯片為BGA封裝，共1000多個芯片管腳，868個封裝管腳，Cu鍵合絲，基板采用4層FＲ4印刷電路板。進口商不提供芯片管腳和封裝管腳的對應關系。

將封裝輸入/輸出管腳依次對地管腳進行正反向I-V測試。發現其中7個輸入/輸出管腳的I-V曲線異常，表現為同一管腳在多次測試中會隨機出現開路和正常兩種情況，測試時對芯片的按壓力度影響兩種曲線出現的概率，按壓力度大時多表現為正常，按壓力度小時多表現為開路，初步判斷器件內部存在虛接。

利用X射線2D成像、CT斷層成像和CT3D成像技術共同對失效件進行檢查分析。首先，利用CT獲取平行于芯片表面的斷層圖像，逐層分析，部分金屬線寬過小區域結合X射線2D圖像，確定封裝管腳、金屬引線框架、鍵合絲、芯片管腳的連接對應關系，以便進行后續有損電學檢測分析，如圖5所示，圖中H1，H2，J1，L1，L2，M1，M2為失效管腳名稱，圖5(b)中插圖為3D圖像。

其次，利用CT在平行于芯片方向和垂直于芯片方向的斷面圖上分別檢查金屬布線和通孔有無異常，如圖6所示。經初步檢查，失效管腳對應的封裝金屬布線均無開路、短路的明顯異常。推斷失效點可能位于鍵合絲第一鍵合點或第二鍵合點。

對失效點進行由外側向內側的縱向研磨制樣，第二鍵合點未見異常，第一鍵合點存在異常。得到第一鍵合點失效的截面后，為消除研磨過程中的金屬延展影響，對截面采用FIB切去表面層，露出深層截面的原始形貌，如圖7所示，插圖均為截面金相顯微圖。結果發現，失效管腳的Cu鍵合絲和Al管腳之間存在縫隙，縫隙的最大寬度為959nm，最小寬度為274nm。該縫隙是造成開路虛接失效的原因。

2.2BGA封裝AＲM芯片失效分析

某進口BGA封裝AＲM芯片在使用時出現功能異常，失效率約為6×10－4，芯片為Cu鍵合。解焊芯片后，首先將失效芯片和參考芯片的功能管腳對地管腳進行I-V測試。發現異常管腳I-V曲線與參考件不同，曲線正、負向電流均減小，懷疑由某處電阻增大造成。芯片進行X射線和CT檢查均未見異常，但由于失效現象并非開路失效，X射線檢測精度有可能無法滿足要求，故采用二分法進行電學定位，同樣利用X射線和CT技術聯用確定封裝內部連接關系。

由于其他封裝管腳對相同地端管腳測試表現為正常曲線，故異常點出現在失效管腳－金屬布線－鍵合絲－芯片的區域。如圖8所示(插圖為樣品研磨后B，C，D區域圖像)，圖中A點為失效管腳，B點為激光開槽露出的金屬引線框架，C點為鍵合絲研磨的第一斷口，D點為鍵合絲研磨的第二斷口，E點為地管腳。首先，對鍵合絲和失效管腳之間的金屬引線框架區域進行激光開槽，露出金屬引線框架。利用探針臺測試B點和失效管腳之間的電阻，顯示無異常，而B點至地管腳的I-V曲線為異常。之后，從樣品上表面沿平行于樣品表面的方向向下研磨，磨斷鍵合絲中部，不破壞其余部分，漏出C和D兩點。利用探針臺連接斷點，進行電學測試發現:A和C之間電阻無異常，D和地管腳之間測試為I-V異常。表明異常點處于失效管腳對應鍵合絲的第一鍵合點處，排除第二鍵合點異常。

對芯片進行正面開封，首先使用激光進行初步開封，然后使用弱冷酸進行開封，最大限度地保留Cu鍵合完整。將鍵合絲拔下，鍵合絲在其和Al管腳結合處斷開，得到斷口，使用相同辦法得到對比器件的鍵合絲第一鍵合點斷口。使用掃描電子顯微鏡(SEM)對兩個器件的第一鍵合點典型斷口進行形貌觀察和對比分析，結果如圖9所示，使用SEM設備的能量色散X射線光譜儀(EDX)進行斷口成分分析，結果如圖10所示。

結合圖9和圖10可以發現，失效樣品鍵合絲典型斷口區域形貌和元素特征為:斷口大面積區域為Cu，少部分區域顯示為兩種結合金屬脫離的韌性斷裂形貌，并且有Al殘留。對比件典型斷口處有大面積Al管腳脫離殘留以及阻擋層鈦，未有脫離Al管腳殘留的其余部分均顯示為兩種結合金屬脫離的韌性斷裂形貌，并且有Al成分殘留。對比檢測實驗表明，失效件第一鍵合點Cu鍵合絲和Al管腳之間沒有形成良好的金屬間化合物，導致接觸電阻增大，進而導致失效。

各種失效分析方法在高密度封裝器件失效分析中均有自身的優勢與不足，詳見表1，并且在一定情況下應不單純遵循傳統的方法，可以根據樣品特點進行創新，或將多種方法聯合使用。

3結論

按常規方法使用傳統的失效分析手段對高密度封裝器件進行分析，會遇到結構復雜、線寬尺寸過小等困難，這時應對傳統的失效分析手段進行創新，或者將多種分析方法進行聯合使用，例如本文提到的鍵合絲斷口電學連接測試、X射線測量輔助的高精度研磨方法等，通過實例展示了創新方法在高密度封裝器件失效分析中的應用效果，給出了傳統失效分析方法在高密度封裝器件失效分析中的優勢與不足。

微電子封裝技術是微電子制造技術的延伸，隨著集成電路器件的小型化發展，分立封裝向系統級封裝演變，高密度封裝技術必將持續推進。常規失效分析技術仍需要不斷改進或創新，以解決更高密度封裝的失效問題。