「檢測知識」實(shí)驗(yàn)室常用芯片失效分析的方法及手段

一般來說，芯片在研發(fā)、生產(chǎn)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤是不可避免的，就如房缺補(bǔ)漏一樣，哪里出了問題你僅要解決問題，還要思考為什么會出現(xiàn)問題。隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性要求的不斷提高，失效分析工作也顯得越來越重要，社會的發(fā)展就是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程，出現(xiàn)問題不可怕，但頻繁出現(xiàn)同一類問題是非?？膳碌?。本文主要探討的就是如何進(jìn)行有效的芯片失效分析的解決方案以及常見的分析手段。

失效分析是一門發(fā)展中的新興學(xué)科，近年開始從軍工向普通企業(yè)普及。它一般根據(jù)失效模式和現(xiàn)象，通過分析和驗(yàn)證，模擬重現(xiàn)失效的現(xiàn)象，找出失效的原因，挖掘出失效的機(jī)理的活動。失效分析是確定芯片失效機(jī)理的必要手段。失效分析為有效的故障診斷提供了必要的信息。失效分析為設(shè)計(jì)工程師不斷改進(jìn)或者修復(fù)芯片的設(shè)計(jì)，使之與設(shè)計(jì)規(guī)范更加吻合提供必要的反饋信息。 失效分析可以評估不同測試向量的有效性，為生產(chǎn)測試提供必要的補(bǔ)充，為驗(yàn)證測試流程優(yōu)化提供必要的信息基礎(chǔ)。

常用芯片失效分析方法

一：X-RAY檢查

1，X-RAY含義：

X-RAY射線又稱倫琴射線，一種波長很短的電磁輻射，由德國物理學(xué)家倫琴在1895年發(fā)現(xiàn)。一般指電子能量發(fā)生很大變化時(shí)放出的短波輻射，能透過許多普通光不能透過的固態(tài)物質(zhì)。利用可靠性分析室里的X-RAY分析儀，可檢查產(chǎn)品的金絲情況和樹脂體內(nèi)氣孔情況，以及芯片下面導(dǎo)電膠內(nèi)的氣泡，導(dǎo)電膠的分布范圍情況。 

2，X-RAY檢查原則 

不良情況     原因或責(zé)任者  

球脫      組裝  

點(diǎn)脫      如大量點(diǎn)脫是同一只腳，則為組裝不良。如點(diǎn)脫金絲形狀較規(guī)則，則為組裝或包封之前L/F變形，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中震動，上料框架牽拉過大，L/F打在予熱臺上動作大，兩道工序都要檢查。如點(diǎn)脫金絲弧度和旁邊的金絲弧度差不多，則為組裝造成。  

整體沖歪，亂，斷     為包封不良，原因?yàn)榇的２槐M，料餅沾有生粉，予熱不當(dāng)或不均勻，工藝參數(shù)不當(dāng)，洗模異常從而導(dǎo)致模塑料在型腔中流動異常。  

個(gè)別金絲斷     組裝擦斷或產(chǎn)品使用時(shí)金絲熔斷。  

只有局部沖歪     多數(shù)為包封定位時(shí)動作過大，牽拉上料框架時(shí)造成，也有部份為內(nèi)部氣泡造成。  

金絲相碰     弧度正常，小于正常沖歪率時(shí)，為裝片或焊點(diǎn)位置欠妥  

內(nèi)焊腳偏移     多數(shù)為組裝碰到內(nèi)引腳。  

塌絲     多數(shù)為排片時(shí)碰到。  

導(dǎo)電膠分布情況     應(yīng)比芯片面積稍大，且呈基本對稱情形。 

二：超聲清洗

1，清洗僅用來分析電性能有異常的，失效可能與外殼或芯片表面污染有關(guān)的器件。此時(shí)應(yīng)確認(rèn)封裝無泄漏，目的是清除外殼上的污染物。清洗前應(yīng)去除表面上任何雜物，再重測電參數(shù)，如仍失效再進(jìn)行清洗，清洗后現(xiàn)測電參數(shù)，對比清洗前后的電參數(shù)變化。清洗劑應(yīng)選用不損壞外殼的，通常使用丙酮，乙醇，甲苯，清洗后再使用純水清洗，最后用丙酮，無水乙醇等脫水，再烘干。清洗要確保不會帶來由于清洗劑而引起的失效。 

2，超聲檢測分析 

SAT—即超聲波形顯示檢查。 

超聲波，指頻率超過20KHZ的聲波（人耳聽不見，頻率低于２０HZ的聲波稱為次聲波），它的典型特征：碰到氣體100%反射，在不同物質(zhì)分界面產(chǎn)生反射,和光一樣直線傳播。 

SAT就是利用這些超聲波特征來對產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)行檢測，以確定產(chǎn)品密封性是否符合要求，產(chǎn)品是否有內(nèi)部離層。 

3，超聲判別原則 

芯片表面不可有離層 

鍍銀腳精壓區(qū)域不可有離層 

內(nèi)引腳部分離層相連的面積不可超過膠體正面面積的20%或引腳通過離層相連的腳數(shù)不可超過引腳總數(shù)的1/5　 

芯片四周導(dǎo)電膠造成的離層在做可靠性試驗(yàn)通過或做Bscan時(shí)未超出芯片高度的2/3應(yīng)認(rèn)為正常。 

判斷超聲圖片時(shí)要以波形為準(zhǔn)，要注意對顏色黑白異常區(qū)域的波形檢查  

4，超聲檢查時(shí)應(yīng)注意  

對焦一定要對好，可反復(fù)調(diào)整，直到掃描出來的圖像很“干脆”，不出現(xiàn)那種零零碎碎的紅點(diǎn)。 

注意增益，掃描出來的圖像不能太亮，也不能太暗。 

注意產(chǎn)品不能放反，產(chǎn)品表面不能有任何如印記之類造成的坑坑洼洼，或其它雜質(zhì)，氣泡。 

探頭有高頻和低頻之分，針對不同產(chǎn)品選用不同的探頭（由分析室工作人員調(diào)整）。通常樹脂體厚的產(chǎn)品，采用低頻探頭，否則采用高頻探頭。因頻率高穿透能力差。 

三：開帽/開蓋

1，高分子的樹脂體在熱的濃硝酸（98%）或濃硫酸作用下，被腐去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。 

2，開帽方法： 

取一塊不銹鋼板，上鋪一層薄薄的黃沙（也可不加沙產(chǎn)品直接在鋼板上加熱），放在電爐上加熱，砂溫要達(dá)100-1５0度，將產(chǎn)品放在砂子上，芯片正面方向向上，用吸管吸取少量的發(fā)煙硝酸（濃度>98%）。滴在產(chǎn)品表面，這時(shí)樹脂表面起化學(xué)反應(yīng)，且冒出氣泡，待反應(yīng)稍止再滴，這樣連滴5-10滴后，用鑷子夾住，放入盛有丙酮的燒杯中，在超聲機(jī)中清洗2-5分鐘后，取出再滴，如此反復(fù)，直到露出芯片為止，最后必須以干凈的丙酮反復(fù)清洗確保芯片表面無殘留物。 

將所有產(chǎn)品一次性放入98%的濃硫酸中煮沸。這種方法對于量多且只要看芯片是否破裂的情況較合適。缺點(diǎn)是操作較危險(xiǎn)。要掌握要領(lǐng)。 

3，開帽注意點(diǎn)： 

所有一切操作均應(yīng)在通風(fēng)柜中進(jìn)行，且要戴好防酸手套。 

產(chǎn)品開帽越到最后越要少滴酸，勤清洗，以避免過腐蝕。 

清洗過程中注意鑷子勿碰到金絲和芯片表面，以免擦傷芯片和金絲。 

根據(jù)產(chǎn)品或分析要求有的開帽后要露出芯片下面的導(dǎo)電膠.,或者第二點(diǎn). 

另外，有的情況下要將已開帽產(chǎn)品按排重測。此時(shí)應(yīng)首先放在80倍顯微鏡下觀察芯片上金絲是否斷，塌絲，如無則用刀片刮去管腳上黑膜后送測。 

注意控制開帽溫度不要太高。 

4，分析中常用酸： 

濃硫酸。這里指98%的濃硫酸,它有強(qiáng)烈的脫水性,吸水性和氧化性。開帽時(shí)用來一次性煮大量的產(chǎn)品，這里利用了它的脫水性和強(qiáng)氧化性。 

濃鹽酸。指37%（V/V）的鹽酸，有強(qiáng)烈的揮發(fā)性，氧化性。分析中用來去除芯片上的鋁層。 

發(fā)煙硝酸，指濃度為98%（V/V）的硝酸。用來開帽。有強(qiáng)烈的揮發(fā)性，氧化性，因溶有NO2而呈紅褐色。 

王水，指一體積濃硝酸和三體積濃鹽酸的混合物。分析中用來腐金球，因它腐蝕性很強(qiáng)可腐蝕金。  

四：內(nèi)部目檢: 

1，視產(chǎn)品不同分別放在200倍或500倍金相顯微鏡下或立體顯微下仔細(xì)觀察芯片表面是否有裂縫，斷鋁，擦傷，燒傷，沾污等異常。對于芯片裂縫要從反面開帽以觀察芯片反面有否裝片時(shí)頂針頂壞點(diǎn)，因?yàn)檎骈_帽取下芯片時(shí)易使芯片破裂。反面的導(dǎo)電膠可用硝酸慢慢腐，再用較軟的細(xì)銅絲輕輕刮去。 

2，腐球分析 

將已開帽的產(chǎn)品放在加熱到沸騰的10%—20%的KOH（或NaOH）溶液中或加熱到沸騰的王水（即3：1的濃鹽酸和濃硝酸混合溶液）中。浸泡約3到5分鐘（個(gè)別產(chǎn)品浸泡時(shí)間要求較長，達(dá)10分鐘以上）。在100到200倍顯微鏡下用細(xì)針頭輕輕將金絲從芯片上移開（注意勿碰到芯片），如發(fā)現(xiàn)金球仍牢牢地粘在芯片上，則說明還需再腐球，千萬不要硬拉金絲，以免造成人為的凹坑，造成誤判。 

3，分析過程中要檢查的內(nèi)容 

五：外部目檢

1，內(nèi)容：是否有樹脂體裂縫，管腳間雜物致短路，管腳是否被拉出樹脂體，管腳根部是否露銅，管腳和樹脂體是否被沾污，管腳是否彎曲變形等不良。 

X-RAY  是否有球脫、點(diǎn)脫、整體沖歪，金絲亂，斷、局部沖歪、塌絲、金絲相碰、焊腳偏移、膠體空洞、焊料空洞，焊料覆蓋面積，管腳間是否有雜物導(dǎo)致管腳短路等異常。 

超聲檢測。是否有芯片表面、焊線第二點(diǎn)、膠體與引線框之間等的內(nèi)部離層。 

2，開帽后的內(nèi)部目檢。

（1）用30-50倍立體顯微鏡檢查：鍵合線過長而下塌碰壞芯片；鍵合線尾部過長而引起短路；鍵合線頸部損傷或引線斷裂；鍵合點(diǎn)或鍵合線被腐蝕；鍵合點(diǎn)盡寸或位置不當(dāng)；芯片粘接材料用量不當(dāng)或裂縫；芯片抬起，芯片取向不當(dāng)，芯片裂縫；多余的鍵合線頭或外來顆粒等。

（2）金屬化，薄膜電阻器缺陷在50-200倍顯微鏡下檢查，主要有腐蝕，燒毀，嚴(yán)重的機(jī)械損傷；光刻缺陷，電遷移現(xiàn)象，金屬化層過薄，臺階斷鋁，表面粗糙發(fā)黑，外來物沾污等。

（3）金屬化覆蓋接觸孔不全，氧化層/鈍化層缺陷出現(xiàn)在金屬化條下面或有源區(qū)內(nèi)，鈍化層裂紋或劃傷。  

腐球分析。主要目的是檢查球焊時(shí)采用的工藝是否對壓焊區(qū)造成不良影響如彈坑即壓區(qū)破裂。此時(shí)對其它部位可檢查可忽略。 

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