南京屹立芯創(chuàng)半導(dǎo)體科技有限公司

針對(duì)芯片失效的專利技術(shù)與解決方法

在后摩爾時(shí)代，隨著SOC、SIP等技術(shù)的快速崛起，集成電路向著更小工藝尺寸，更高集成度方向發(fā)展。對(duì)應(yīng)的，在更高集成度、更精工藝尺寸，以及使用更多新材料的情況下，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品新增失效問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越多，為了弄清楚各類異常所導(dǎo)致的失效根本原因，IC失效分析也同樣在行業(yè)內(nèi)扮演著越來(lái)越重要的角色。一塊芯片上集成的器件可達(dá)幾千萬(wàn)，因此進(jìn)行集成電路失效分析必須具備先進(jìn)、準(zhǔn)確的技術(shù)和設(shè)備，并由具有相關(guān)專業(yè)知識(shí)的半導(dǎo)體分析人員開(kāi)展分析工作。

失效分析技術(shù)的作用主要有以下方面：1.通過(guò)相關(guān)分析技術(shù)確定器件怎樣失效，為什么失效，以弄清楚是什么引起的失效和如何可以預(yù)防的過(guò)程。2.確定產(chǎn)品特征及調(diào)查產(chǎn)品質(zhì)量是否符合質(zhì)量規(guī)定、預(yù)期的要求或相關(guān)規(guī)格的過(guò)程。

失效分析技術(shù)所要達(dá)到的目的主要有以下方面：1.正確判斷失效模式，找到失效原因及失效機(jī)理。2.找到有效的糾正與預(yù)防措施，防止同類異常再次發(fā)生。3.針對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品提供包含設(shè)計(jì)修改、過(guò)程工藝更新等改進(jìn)建議，從而降低產(chǎn)品的失效率和提高產(chǎn)品整體性能。4.記錄相關(guān)失效信息，并提供失效分析報(bào)告。5.保存失效的歷史記錄。

通常來(lái)說(shuō)，失效分析的執(zhí)行步驟應(yīng)遵循非破壞分析、半破壞分析及破壞分析的順序。但根據(jù)不同類型的產(chǎn)品、不同機(jī)構(gòu)的分析模式，失效分析往往采用的方式也是有所差距的，此處以某集成電路封裝體分級(jí)失效分析舉例。

1、器件外觀檢查
通常使用體視顯微鏡進(jìn)行外觀確認(rèn)，排除外觀方面明顯可能造成失效的原因。

2、伏安特性檢查
通常使用曲線圖示儀，顯示待檢產(chǎn)品的伏安特性，以此排除電性能方面可能造成失效的原因。

3、X射線檢查
使用X-Ray專用檢測(cè)設(shè)備，確認(rèn)焊接質(zhì)量情況，排除因焊點(diǎn)疲勞等相關(guān)方面可能造成失效的原因。

4、時(shí)域反射儀
通過(guò)測(cè)量反射波的電壓幅度，計(jì)算出阻抗的變化。只要測(cè)量出反射點(diǎn)到信號(hào)輸出點(diǎn)的時(shí)間值，就可以計(jì)算出傳輸路徑中阻抗變化點(diǎn)的位置。從而確認(rèn)失效點(diǎn)發(fā)生的位置（Substrate/Bond/Bump/Die……）

5、超聲掃描顯微鏡檢查
通過(guò)不同模式SCAM的波形生成聲波圖像，排除封裝體內(nèi)部空洞/分層/異物等相關(guān)方面可能造成失效的原因。

6、化學(xué)/激光開(kāi)封及內(nèi)部目視檢查
高分子的樹(shù)脂體在熱的濃硝酸（98%）或濃硫酸作用下，被腐蝕變成易溶于丙酮的低分子化合物，在超聲作用下，低分子化合物被清洗掉，從而露出芯片表層。開(kāi)封后，使用掃描電子顯微鏡或高倍顯微鏡觀察封裝體內(nèi)部狀態(tài)，排除芯片隱裂、IMC斷裂、芯片來(lái)料缺陷（晶圓缺陷）等相關(guān)方面可能造成失效的原因。

7、光發(fā)射電子顯微鏡及液晶分析
光發(fā)射電子顯微鏡利用電子發(fā)射的局部變化來(lái)產(chǎn)生圖像對(duì)比度。激發(fā)通常由紫外線，同步輻射或X射線源產(chǎn)生。通過(guò)收集發(fā)射的二次電子間接測(cè)量系數(shù)在吸收過(guò)程中隨著初級(jí)纖芯空穴的產(chǎn)生而在電子級(jí)聯(lián)中產(chǎn)生的電子。可以看見(jiàn)和捕獲會(huì)發(fā)射光子的動(dòng)態(tài)事件，如閂鎖效應(yīng)等，并同步進(jìn)行晶體管尺度的定位。

液晶分析作為一項(xiàng)互補(bǔ)技術(shù)，在芯片表面涂覆一層液晶，通過(guò)正交偏振光觀察，不同狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)為不同的顏色。向列相液晶為乳白色，偏振光顯微鏡下則為彩虹色。各向同列相為透明色，而偏振光顯微鏡下則為黑色。使液晶從一種液相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N液相的溫度稱為清亮點(diǎn)，當(dāng)缺陷位置發(fā)熱使溫度達(dá)到清亮點(diǎn)以上時(shí)，這個(gè)熱點(diǎn)馬上會(huì)變成黑色。以此排除大的漏電，異常的大電流，短路等方面導(dǎo)致的失效原因。

8、EDX能譜分析
當(dāng)芯片表面或切面存在未知異物時(shí)，可采用EDX能譜分析的方法，由于不同元素發(fā)出的特征X射線具有不同頻率，根據(jù)能量公式E=hν可知，不同元素具有不同的能量。因此，只要檢測(cè)不同光子的波長(zhǎng)，即可確定目標(biāo)位置中的元素種類及對(duì)應(yīng)含量，以此確定異物成分，并分析導(dǎo)致失效的深層原因。

9、其失效分析技術(shù)
Cross section（切片分析）、P-lapping（平磨分析）、Pad cratering test（彈坑測(cè)試）、IMC coverage（金屬間化合物覆蓋比）

對(duì)于倒裝芯片底部填充工藝來(lái)說(shuō)，填充后Void的存在與否是影響產(chǎn)品可靠性的重點(diǎn)之一。且由于填充位置為芯片底部，故在常規(guī)情況下，一般檢驗(yàn)方式無(wú)法直接確認(rèn)是否存在氣泡。為了能夠快速判斷產(chǎn)品是否存在此類異常，即需引入失效分析方法。

一般來(lái)說(shuō)，采用超聲掃描顯微鏡檢查是判斷此類異常最常規(guī)的手段之一。

聲波圖像可以顯示具體的Void位置及大小，但要精確判斷氣泡是否存在連接Bump空間，則需要進(jìn)一步進(jìn)行分析，此類失效分析一般采用的是切片、平磨等處理方式。切片可以縱向察看Bump切面狀態(tài)，平磨則可以分析水平面整體填充狀態(tài)。

審核編輯 黃宇