SEM＆EDS技術(shù)在集成電路失效分析中的應(yīng)用和實(shí)例分析

周金成，李亞斌，李習(xí)周

(天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000)

集成電路失效分析在提高集成電路的可靠性方面有著至關(guān)重要的作用，通過對(duì)集成電路進(jìn)行失效分析可以促進(jìn)企業(yè)糾正設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過程中的問題，實(shí)施控制和改進(jìn)措施，防止和減少同樣的失效模式和失效機(jī)理的重復(fù)出現(xiàn)，預(yù)防同類失效現(xiàn)象再次發(fā)生。失效分析即為判斷失效的模式，查找失效原因，弄清失效機(jī)理，并且預(yù)防類似失效情況再次發(fā)生[1]。我國是集成電路的消費(fèi)大國，集成電路產(chǎn)業(yè)增長迅速（每年增長30%），塑料封裝中的不良問題、失效原因種類繁多，如何采用正確的分析方法，有效確定失效問題的原因，對(duì)于封裝技術(shù)、失效分析技術(shù)的提升具有現(xiàn)實(shí)意義，也是集成電路向高可靠性領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。

SEM(ScanningElectronMicroscope)掃描式電子顯微鏡的制造依據(jù)的是電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征X射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子)、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測(cè)器，使選擇檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。

1 樣品描述

產(chǎn)品為批量生產(chǎn)產(chǎn)品，通常FT（Function Test：功能測(cè)試）良率為99.7%以上，但個(gè)別批次產(chǎn)品良率未達(dá)標(biāo)，主要不良項(xiàng)為S（short）超標(biāo)，不良比例大于0.50%，經(jīng)開短路測(cè)試（開短路測(cè)試的原理，是基于產(chǎn)品本身管腳的ESD防靜電保護(hù)二極管的正向?qū)▔航档脑磉M(jìn)行測(cè)試[2]），發(fā)現(xiàn)短路管腳不固定，沒有任何規(guī)律。經(jīng)確認(rèn)樣品封裝工藝、材料，沒有做任何變化，在FT測(cè)試時(shí)，還是發(fā)現(xiàn)部分樣品失效。因此可以認(rèn)為器件是封裝過程中的缺陷引起，同時(shí)測(cè)試I-V曲線表明，失效器件的不固定管腳有短路現(xiàn)象。

1.1 外觀檢查

在外觀檢查中，主要在45倍顯微鏡下檢查是否有明顯的缺陷，如塑封體是否開裂，管腳是否接觸良好等。對(duì)不良樣品，檢查正反面、前后端面、左右端面，未發(fā)現(xiàn)封裝缺陷及異常，如圖1所示。

圖1 樣品外觀檢查圖

1.2 X-ray（X射線透視）檢查

X-ray透視技術(shù)的原理與醫(yī)用完全相同，此方法主要用于電子器件的內(nèi)引線斷裂、變形等問題的觀察。對(duì)不良樣品進(jìn)行X-ray檢查，如圖2所示，由圖片可以看出樣品焊線完整，焊點(diǎn)與焊盤接觸良好，焊線無變形、斷開和與其它焊線接觸短路的現(xiàn)象，符合壓焊圖規(guī)范。

圖2 樣品X-ray檢查圖

1.3 SAM掃描

C-SAM（C-modeScanningAcousticMicroscope：C型掃描聲學(xué)顯微鏡）利用超聲脈沖探測(cè)樣品內(nèi)部空隙等缺陷，其工作原理是：應(yīng)用超聲波與不同密度材料的反射速率不同的特性來進(jìn)行分析。采用超聲掃描顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行掃描，來檢測(cè)塑封體內(nèi)不同粘接界面的粘接情況。檢測(cè)內(nèi)容包括：塑粉與芯片粘接界面、塑粉與引線框架載體的粘接界面、塑粉與引線框架管腳粘接界面。參考IPC/JEDECJ-STD-035標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)內(nèi)容，判定結(jié)果是否合格，如圖3所示。

圖3 樣品SAM掃描結(jié)果

從圖3中可以看出，在塑封體內(nèi)不同界面聚焦后掃描，均未發(fā)現(xiàn)分層。說明各界面結(jié)合是非常緊密的，排除封裝過程中分層造成的異常。X-ray透視和掃描聲學(xué)顯微鏡等儀器，主要用于封裝缺陷和引線斷裂的失效定位，屬于無損失效分析技術(shù)，具有不必打開封裝的優(yōu)點(diǎn)[3]。

1.4 DECAP（DECAP：開封）前探針測(cè)試管腳

微探針的作用是測(cè)量內(nèi)部器件上的電參數(shù)值，如工作點(diǎn)電壓、電流、I-V曲線等。微探針檢測(cè)技術(shù)一般是伴隨電路分析配合使用的，兩者的結(jié)合可以較快的確認(rèn)失效器件的問題。對(duì)不良樣品用萬用表進(jìn)行如下探針測(cè)試：I-V曲線顯示管腳33與34短路；如圖4顯示。

圖4 樣品管腳33對(duì)管腳34測(cè)試IV曲線圖

1.5 DECAP分析

對(duì)不良樣品通過化學(xué)腐蝕方法，去除塑粉材料，再經(jīng)過超聲波清洗，觀察芯片焊線情況。通過顯微鏡檢查，發(fā)現(xiàn)樣品芯片表面，焊球焊點(diǎn)、焊線均良好，無異常。其中管腳33與管腳34焊點(diǎn)焊線良好，無焊線、焊球等質(zhì)量缺陷，如圖5所示。

圖5 樣品開封檢查圖片

1.6 腐球分析

對(duì)不良樣品繼續(xù)通過化學(xué)腐蝕的方法，腐蝕掉芯片上焊線、焊球，觀察焊線區(qū)的質(zhì)量情況。通過顯微鏡檢查，各壓焊區(qū)良好，無破損等異常，如圖6所示。

圖6 樣品腐球后檢查圖片

1.7 DECAP后探針測(cè)試芯片

打開封裝塑封體，裸露出芯片，并采用硝酸腐蝕掉焊線，采用機(jī)械探針測(cè)試，在失效Pin對(duì)應(yīng)的PAD上進(jìn)行測(cè)試，配合I-V曲線，發(fā)現(xiàn)曲線不再短路，與良品的I-V曲線重合，證明芯片自身無電性失效，如圖7所示。通過比較好壞芯片的電壓或波形進(jìn)行失效定位，也可對(duì)測(cè)試波形與正常樣品的波形進(jìn)行比較[3]，來確認(rèn)芯片質(zhì)量。

1.8 DECAP后探針測(cè)試管腳

用萬用表及探針測(cè)試確認(rèn)已經(jīng)開封的樣品管腳33、34，萬用表數(shù)據(jù)及I-V曲線顯示管腳33、34仍然短路。因此可以判定，不良現(xiàn)象與焊線、芯片沒有關(guān)系。在集成電路失效分析中，電測(cè)試有著非常重要的作用。合理的對(duì)定位測(cè)試應(yīng)用，可以簡化集成電路失效分析的過程，使分析變得更加準(zhǔn)確[4]。

圖7 樣品管腳33、34對(duì)應(yīng)芯片焊區(qū)測(cè)試的I-V曲線圖

1.9 SEM＆EDS

SEM&EDS(ScanningElectronMicroscope：掃描式電子顯微鏡；EnergyDispersiveSpectrometer:能量散射光譜儀)組合是應(yīng)用最廣的顯微分析儀器，它能快速、同時(shí)對(duì)各種試樣的微區(qū)內(nèi)的所有元素進(jìn)行定性、定量分析。SEM&EDS在定性、定量分析時(shí)，是利用束徑（10～1）μm范圍的高能電子束，激發(fā)出試樣微米范圍的各種信息，進(jìn)行成份、形貌等分析[5]。采用此儀器，來檢測(cè)管腳33、34之間材料成分，發(fā)現(xiàn)管腳33、34之間存在錫（Sn）金屬元素，其它無短路管腳間無金屬元素。作為分析對(duì)比，同時(shí)檢測(cè)良品樣品，管腳33、34之間不存在金屬元素。如圖8、圖9所示。

圖8 不良品管腳33與34之間分析結(jié)果圖

圖9 良品管腳33與34之間分析結(jié)果圖

2 分析結(jié)論

由于集成電路的高集成度，找到失效部位并進(jìn)行該部位的失效機(jī)理分析是一項(xiàng)十分困難的任務(wù)。本文借鑒和參考國內(nèi)外先進(jìn)的失效分析技術(shù)，最終應(yīng)用SEM＆EDS來檢測(cè)管腳之間塑粉材料中的成分，發(fā)現(xiàn)失效品管腳之間存在金屬元素，良品管腳之間不存在金屬元素，確定了失效的真正原因是金屬元素污染滲入在塑粉材料中，造成不相連的管腳導(dǎo)通發(fā)生短路。根據(jù)分析結(jié)果，封裝過程可以有效采取措施，預(yù)防異常問題的再發(fā)生。隨著掃描電子顯微鏡和能量散射光譜儀的不斷改造和升級(jí)，以及電子封裝工程應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，更好的利用SEM＆EDS方法分析集成電路封裝失效中的異常，提高各類電子產(chǎn)品的質(zhì)量，必將成為一種發(fā)展趨勢(shì)[5]。