基于專用芯片H032A的失效分析

張鴻儒　劉剛　王夢輝

摘要：針對專用芯片H032A出現(xiàn)的單通道或者多通道失效和噪聲過大的失效問題進行了分析。通過專用軟件測試、非破壞性檢測和開封及鏡檢等技術手段，確定失效原因由芯片的焊點不實和芯片空洞所致;提出了使用預成型焊片減少芯片在回流焊中因助焊劑高溫裂解產(chǎn)生氣泡造成空洞問題的解決方案。

關鍵詞：失效分析;空洞;回流焊

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0057-02

0 引言

失效分析是一門發(fā)展中的新興學科，近年開始從軍工向普通企業(yè)普及。失效分析為生產(chǎn)測試提供必要的補充，為驗證測試流程優(yōu)化提供必要的信息基礎。[1]

芯片失效分析可以用在后期測試環(huán)節(jié)的損壞、整機研發(fā)設計、存儲、運輸、貼片、加工組裝、客戶端等。分析失效常見方法：外觀檢查，、芯片拆卸、清洗植球， 系統(tǒng)級測試平臺測試， 工程機測試， 必要時進行失效分析， 總結(jié)失效原因、預防及改善方案。[2-3]

1 基于專用芯片H032A產(chǎn)品及其失效分析檢測工具

XX型X-RAY安全檢查系統(tǒng)中的用到的探測器模塊包括64像素硅光電二極管陣列、64像素碘化銫閃爍體陣列和兩塊專用芯片H032A（參圖3）。篩選使用的是XX公司自主開發(fā)的專用軟件Release，如圖1所示，篩選主要依據(jù)三個方面的數(shù)據(jù)：灰度圖、噪聲圖和數(shù)據(jù)采集折線圖。

根據(jù)工裝后X-RAY安全檢查系統(tǒng)芯片失效導致系統(tǒng)故障的原因可分為三類：單/多通道損壞、噪聲過高和一致性差;良品的篩選表見表1。

2 失效檢測方法及原因

2.1 非破壞性失效檢測方法

檢測方法分為外觀檢測和 X-RAY透射。外觀檢測項目如表2所示。

芯片X-RAY檢測是采用X光射線照射到IC芯片表面，在被檢IC芯片無損傷的情況下觀察其內(nèi)部是否有結(jié)構(gòu)斷裂或燒結(jié)等狀況。可以檢查芯片內(nèi)氣泡、邦定線異、空洞等問題。

2.2 破壞性檢測

破壞性檢測分為激光開封檢測和金相顯微鏡檢查。激光開封可精確控制每一層激光掃描能量，每層移除厚度可控制在10～100μm，精準定位開封區(qū)域，暴露引線框架、邦定線、基板，甚至直接開封至晶圓層。通過電動變焦顯微系統(tǒng)，針對超微小尺寸，可實現(xiàn)數(shù)字化定位。部分開封暴露邦定線，完美清除線下樹脂殘留，顯著節(jié)省后續(xù)工藝時間。開封后的探測器模塊實物圖如圖2所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

金相顯微鏡檢測是在開封后進行的?？梢郧逦乜吹酵暾男酒瑑?nèi)部的晶片，實現(xiàn)晶片表面異?，F(xiàn)象的檢查，如鍵合異常、鈍化窗口發(fā)黃、鋁氧化變色、有導電的銀漿外泄等問題。圖4所示，H032A芯片開封后，在（50X）放大，圈出部分可以明顯看出燒痕，可以確定芯片出現(xiàn)的主要問題為芯片空洞導致芯片的散熱不良，最終導致芯片過熱燒毀。

2.3 芯片失效原因

芯片的引線鍵合問題是由引線焊接材料相對穩(wěn)定不足、容易氧化、硬度和屈服度高等引起的。芯片內(nèi)部出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，經(jīng)過對未使用芯片（見圖5）和使用過的芯片（見圖6）進行大量對比發(fā)現(xiàn)，只有使用過的芯片才會出現(xiàn)大量空洞。

芯片焊料燒結(jié)空洞形成機理是助焊劑中的有機物在高溫裂解中產(chǎn)生的氣泡無法及時的散出，導致芯片中出現(xiàn)大量的空洞。[4-6]而芯片的焊料燒結(jié)空洞會導致芯片的散熱不良，最終導致芯片過熱燒毀。

3 解決辦法及改進方案

芯片的引線鍵合問題，通過調(diào)整鍵合機的鍵合壓力和超聲波功率，鍵合時間和鍵合溫度可以達到增強鍵合強度目的。這樣改善焊點不實導致的單/多通道的壞道問題。

芯片焊料燒結(jié)問題改善，主要是選用合適的焊錫膏上，適量的焊錫膏可以達到理想效果有效減少空洞。這里有一個更好的方法可以解決焊點空洞問題，使用預成型焊片。

精準的尺寸、較低溫度的合金焊錫和精準的助焊劑敷量，可以有效的減少焊點空洞。預成型焊片是針對芯片空洞問題的專門解決方法。

參考文獻

[1] 李名莉，焦欣欣.電氣設備的失效分析方法[J].電氣傳動自動化，2015（5）：57-60.

[2] 黃美蓮.關于芯片失效分析方法的討論[J].信息通信，2018（2）：112.

[3] 胡立波，高敏.淺談金線鍵合[J].電子制作，2015（17）：97.

[4] 孫立強.QFN芯片導熱焊點空洞分析[J].電子技術與軟件工程，2014（11）：133.

[5] 施紀紅.BGA焊點失效分析與改善[J].熱加工工藝，2012，41（17）：208-210.

[6] 周舟.低溫軟釬焊用Sn—58Bi預成型焊片的制備及回流焊點的性能研究[D].華南理工大學，2018.

Failure Analysis Based on Special Chip H032A

ZHANG Hong-ru，LIU Gang，WANG Meng-hui

（School of Instrument Science and Opto Electronics Engineering ，Beijing Information Science and Technology University，beijing? 100172）

Abstract：This paper deeply researched the failure problem of single channel， multi-channel and excessive noise. Through special soft testing， non-destructive testing， unsealing and microscopic inspection， the failure causes are determined to be improper solder joints and voids in the chip.? Finally， the paper proposed a solution of using pre-formed solder sheets in order to reduce voids problem which is caused by propellants cracking bubbles generated in the high temperature chip reflow soldering.

Key words：Failure Analysis; Cavity; Reflow