IC封裝樣品失效分析,微觀分析晶片內部結構.

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一、IC封裝樣品失效分析
FA(Failure Analysis),失效分析不僅有助於提高產品可靠性，而且可以
帶來很高的經濟效益，是IC生產中不可缺少的部分。

按照分析目的或分析手段，FA可分為：
PFA(Physical Failure Analysis),是主要做物理、材料方面的失效分析
EFA(Electrical Failure Analysis),是以電學測試為主的失效分析，

IC封裝樣品失效分析

失效分析的目的：分析失效現象，確定失效原因，提出改善建議，提高產品可靠性。如何做失效分析：先簡單後複雜，先外後內，先無損後有損
IC封裝樣品失效分析1.X-Ray (X射線檢測)
2.C-SAM (超聲波檢測)
3.Microscope (顯微鏡檢測)
4.SEM & EDX(掃描電鏡及能譜檢測）
5. Decapsulation(開帽檢查）
6.Cross-Section (Polish&FIB)
7.EFA(EMMI, OBIRCH， InGaAs)
1、X-Ray (X射線檢測)
X射線是1895年由倫琴發現的，因此也叫倫琴射線。
X射線肉眼不可見，但可是照相底片感光，具有很強的穿透力。
X射線本質上是一種波長很短的電磁波，波長範圍0.01~ 10nm,介於紫外線與γ射線之間。

圖為X射線的產生原理圖：
1.在陰極燈絲1與陽極4之間加直流高壓(上萬伏)，
2.燈絲產生大量熱電子，
3.電子在高壓電場作用下，衝擊陽極上的靶材5，
4.靶材受電子激發產生X射線。
燈絲的材質通常為鎢，靶材的材質有Ti、Cu、Mo等

應用舉例：
2.查看Bump與焊盤的潤溼情況：正常情況下，錫熔化後在表面張力的作用下，與銅焊盤潤溼良好，形狀上會「 塌」 下來。如下圖所示，左圖上的Bump與焊盤潤溼不良，右圖上的Bump與焊盤潤溼良好。
引起潤溼不良的原因通常有：1.回流參數不正確，包括回流溫度，回流時間，助焊劑等；2.Bump表面存在沾汙或氧化

應用舉例：
3.查看Bump內部是否存在空洞、夾雜等缺陷。如下圖所示，左圖上的Bump內部存在大量空洞，右圖上的Bump正常。
造成的空洞的原因主要有：1.鍍液與UBM潤溼不夠，導致夾雜或小氣泡殘留在UBM表面，這方面杯鍍機臺更容易產生空洞；2.鍍液沾汙導致夾雜物殘留在Bump內部。

需要注意的是，X射線檢測存在一個缺陷，通過X射線將立體的缺陷投影到平面上，因此無法確定缺陷的具體位置和大小，有時還會引起誤判，例如下圖所示。此種情況需要從垂直的兩個方向來進行X射線成像。

2.C-SAM (超聲波檢測)
1.何為超聲波
1.1 波可分為電磁波和機械波：
無線電波、可見光、X射線屬於電磁波，具有波動性與粒子性雙重屬性，無需傳播介質；各種聲音、物體的振動及超聲波屬於機械波，只能在一定的介質中傳播。

1.2 將頻率超過20kHz的振動波定義為超聲波。

2.超聲波檢測的原理
超聲波檢測的原理如下圖，超聲波在物體中傳播時，在兩個不同介質的接觸面上會發生反射，通過確認反射波的強度及回波時間來確定物體中的缺陷。

5.Microscope (顯微鏡檢測)
光學顯微鏡是進行失效分析的主要工具之一，優點是操作簡單，圖像彩色透明
光學顯微鏡根據放大倍數可分為立體顯微鏡和金相顯微鏡，兩者結構、成像原理、使用方法相似，通過物鏡+目鏡組合來成像。
立體顯微鏡：放大倍數小(大概5倍到100倍)、但景深大，立體感強金相顯微鏡：放大倍數大(50至1000倍)，但景深小，主要用於觀察平面成像。立體顯微鏡目前JCAP在中測有2臺，植球1臺，FA1臺，共4臺立體顯微鏡

普通光學顯微鏡的局限性: (1)解析度低及放大倍率不夠(2)景深小

以下兩張照片是Pillar Bump的結構照片，1000Å厚度的Ti層在金相顯微鏡下只能勉強看見，而掃描電鏡則可以清楚了解Ti層與上下層之間的結合情況。

以下照片為同一晶片在金相顯微鏡與SEM及曝光機臺的對比照片。

6.SEM & EDX (掃描電鏡及能譜檢測）
SEM，全稱Scan Eletronic Microscope，是失效分析中非常重要的手段。
普遍使用的功能：1.樣品表面形貌觀察(二次電子成像)
2.化學成分分析(X射線能譜儀)
掃描電鏡機臺：

掃描電鏡的成像原理：陰極加直流電壓，產生電子束，經電磁透鏡聚焦後形成一束直徑幾十埃到幾千埃的電子束流，以此電子束流在樣品表面進行逐行掃描，電子束轟擊樣品表面，激發出許多信息，分類收集就能得到各種結果。

7.Decap (開帽檢查)
DECAP有化學開封、機械開封和雷射開封，目前最常用的還是化學開封，主要針對塑封料開封, 即開蓋/開帽, 指去除IC封膠, 同時保持晶片功能的完整無損, 保持Die, Bond Pads,Bond Wires或者Bond Bumps乃至Lead-Frame不受損傷, 為下一步晶片失效分析實驗做準備。

8.Cross-Section截面分析
Cross-Section截面分析是晶片失效分析中的重要手段，尤其對通過Bump互聯的片，例如Bump與Pad之間的結合情況只有通過Cross Section的方式才能確定。
Cross-Section分析的基本步驟：
1.晶片準備
2.晶片鑲嵌(便於後續磨拋)
3.樣品砂紙打磨(磨到目標截面)
4.樣品拋光(去除打磨造成的損失層)
5.截面觀察(光學顯微鏡或SEM)★在做樣品的Cross-Section前，首先需要了解樣品: 目標截面在哪兒、如何得到目標截面、目標截面上的形貌分布，不清楚以上信息就著手制樣就極有可能得不到自己想要的結果。
☆最簡單的樣品為單顆晶片，以美新Cobra晶片為例，查看Bump與Pad的
結合情況.

A.Sample Prepare樣品準備
☆如果晶片被塑封料包裹，甚至多顆晶片包裹在一起，首先需要了解塑
封料內的晶片分布，其次需要藉助參照點來判斷目標截面的位置及如何
得到目標截面。
以美新Cobra塑封后的成品晶片為例，如需查看Bump與Pad的結合，需從晶片底部(基板處)向上磨到Bump位置。

☆如果晶片比較大，如下圖所示的山寨機通用的MTK主晶片，需要查看
晶片中心位置的Bump連接情況，如果從一側磨起，需要磨掉6.5mm才能
達到目標截面，浪費人力及材料，此種情況可以選擇— 切割。

☆由於本人沒有切割晶片的經驗，因此以切割其他樣品舉例

切割機

樣品夾，用來固定晶片，方便後續鑲嵌

B.Mounting鑲嵌— 熱鑲
熱鑲嵌的機臺為鑲嵌機，原料為鑲嵌料，即顆粒狀的樹脂。
工作原理：通過加熱加壓，將鑲嵌料融化並包裹樣品，與晶片塑封過程相似

冷鑲用原材料：樹脂、固化劑、脫模劑所有原料均為化學用品，有刺鼻氣味，使用過程需注意安全，戴手套，不能接觸皮膚

冷鑲用治具：鑲嵌模

其他用具：
一次性杯子，因為樹脂固化後無法清洗一次性木棒，用來攪拌樹脂與固化劑，使成分均勻容量貼紙、一次性手套

在一次性杯子中，按照1份固化劑+2~3份樹脂的比例來調配溶液：
1.每個鑲嵌樣品固化後的體積約為13ml,固化前約16ml,考慮其他損失，可以按照每個樣品20ml的量來調配溶液。
2.先倒入固化劑溶液，後倒入樹脂溶液
3.傾斜杯體，用一次性木棒輕輕攪拌溶液，使成分均勻，持續約30S，再靜置約30S

4.在鑲嵌模的底部和側壁塗上脫模劑
5.將樣品夾放置在鑲嵌模底部中間位置，並確認晶片是否存在歪斜
6.將調配好的樹脂溶液沿著木棒緩慢倒入鑲嵌模中，避免將樣品夾衝倒
7.樹脂與固化劑發生反應，發熱，靜置約1H後即可取下鑲嵌樣品

真空鑲嵌機，相對於在空氣中鑲嵌，可以得到更好的鑲嵌質量

小晶片的鑲嵌相對於大晶片要困難得多，小晶片的鑲嵌可以通過樣品夾或者
藉助雙面膠來實現。
下圖所示晶片為美新Cobra，晶片尺寸1.0*0.5*0.3mm

鑲嵌缺陷— 氣泡
樹脂的氣泡主要是在調配過程中產生，解決方法:(1)攪拌過程力度要均勻，幅度不能過大；(2)攪拌後將杯子放在超聲波清洗機裡30S，利用超聲波振動消除氣泡。

鑲嵌缺陷— 樣品不完整
此問題為鑲嵌模漏塗脫模劑，導致樹脂與鑲嵌模粘合在一起，暴力脫模所致

C.Grindingand Polish磨光及拋光

磨光用砂紙
將SiC顆粒通過粘合劑粘附在耐水的紙質材料表面，常用目數來表述砂紙的顆粒度，目數越高，砂紙越細，如180目的砂紙的平均顆粒度為78um, 800目的砂紙平均顆粒度為12um。在樣品磨光時，通常先用粗砂紙，如80或180目，再用細砂紙，如1200或2000目.

拋光劑(拋光磨料)，主要成分為硬質顆粒，如金剛石，氧化鋁等.
磨料顆粒度從0.01微米到數微米不等，適應不同材料和組織的拋光.
正常的拋光過程：先用粗顆粒度的拋光劑進行粗拋光，再用細顆粒度的拋光劑進行精拋光

預磨機

自動拋光機

微型超聲波清洗機，用於試樣拋光後將殘留在縫隙內的磨料或雜質清洗乾淨。
但是對於比較容易產生分層的晶片，最好不要使用超聲波清洗，以免破換試樣

D.FIB切割

FIB(Focused Ion Beam)聚焦離子束，在IC領域有著廣泛的應用，可用來做顯微切割、顯微成像(聚焦離子束顯微鏡)、晶片線路修改等。
離子源是聚焦離子束系統的核心，尖端直徑約5-10um的鎢針上沾附上液態金屬鎵(Ga),在外加強電場的作用下，液態鎵形成一個極小的尖端(泰勒維)，表面的金屬離子場蒸發的方式逸出，產生離子束流。將此離子束通過電磁透鏡進行聚焦，聚焦到樣品表面，離子束轟擊樣品表面，產生二次電子和二次離子，可被收集成像；也可利用物理碰撞實現切割。

FIB切割的示意圖如下所示，通過FIB，可以選擇樣品的切割位置、範圍以及切割深度。
目前新型的FIB顯微鏡，集FIB與SEM一體，能夠產生Dual Beam(離子束+電子束)，離子束切割的同時進行電子束成像，再配以能譜儀或二次離子質譜儀做元素分析。

除了制樣簡單精確外，FIB相對於傳統的Polish，能夠真實還原樣品的截面形貌。

EMMI微光顯微鏡是一種效率極高的失效分錯析工具, 提供高靈敏度非破壞性的故障定位方式，
可偵測和定位非常微弱的發光（可見光及近紅外光）, 由此捕捉各種元件缺陷或異常所產生的漏電流可見光。
EMMI偵測對應故障種類涵蓋ESD, Latch up, I/O Leakage, junction defect, hot electrons , oxide
current leakage等所造成的異常。
EMMI對漏電流的偵測可達微安級別。而LC（液晶熱點偵測Liquid Crystal）對漏電流的捕捉僅達毫安級別。

用雷射束在器件表面掃描，雷射束的部分能量轉化為熱量。如果互連線中存在
缺陷或者空洞，這些區域附近的熱量傳導不同於其他的完整區域，將引起局部溫度變化，從而引起電阻值改變ΔR，如果對互連線施加恆定電壓，則表現為電流變化ΔI= (ΔR/V)I2,通過此關係，將熱引起的電阻變化和電流變化聯繫起來。將電流變化的大小與所成像的像素亮度對應，像素的位置和電流發生變化時雷射掃描到的位置相對應。這樣就可以產生OBIRCH像來定位缺陷。
OBIRCH常用於晶片內部高阻抗及低阻抗分析，線路漏電路徑分析. 利用OBIRCH方法，可以有效地對電路中缺陷定位，如線條中的空洞、通孔下的空洞。通孔底部高阻區等；也能有效的檢測短路或漏電, 是發光顯微技術的有力補充。

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