裝配應(yīng)力對芯片可靠性的影響分析

黃煒，吳昊

（中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400060）

引言

半導(dǎo)體器件發(fā)生失效往往伴隨有多種應(yīng)力的綜合影響，其中通常是機械應(yīng)力起到先決和誘導(dǎo)的作用[1]。

隨著器件尺寸的不斷縮小，硅有源區(qū)面積的縮小，機械應(yīng)力對器件的影響越來越顯著，產(chǎn)品在圓片加工、芯片封裝、元器件裝配等過程中均會受到機械應(yīng)力，可能引起芯片可靠性甚至電性能的惡化。且芯片裝配后出現(xiàn)的失效，由于無法完整將芯片從組件上分離，給故障定位帶來一定困難。

本文選取兩種典型半導(dǎo)體芯片裝配過程中機械應(yīng)力導(dǎo)致電性能失效的案例，對機械應(yīng)力引起芯片失效的分析方法進行剖析，并提出芯片裝配過程中注意事項。

1 失效案例1

失效樣品為某款TR組件波控電路芯片，該芯片在裝配后首次上電測試出現(xiàn)多只電性能異常，表現(xiàn)出反轉(zhuǎn)功能異常，且單只故障現(xiàn)象均不一致。同批次芯片在以往裝配過程中未出現(xiàn)過電性能異常。

為定位本次多只芯片裝配后電性能異常故障點，選取1只典型樣品，進行外觀目檢、EMMI定位、微探針測試、IV測試、OBIRCH定位、SEM檢測、FIB等故障定位過程，定位故障點，分析排查故障原因。

首先采用較低放大倍數(shù)（10倍）光學(xué)顯微鏡對其進行外觀檢查，無異常；然后對失效品進行密封、X射線檢測，均合格，表明失效品封裝無缺陷；排除封裝方面問題后；對其進行機械開封，暴露出內(nèi)部芯片。

1.1 內(nèi)部目檢

為觀察開封后內(nèi)部芯片結(jié)構(gòu)是否存在異常，采用較高放大倍數(shù)（100～500倍）光學(xué)顯微鏡對失效芯片進行內(nèi)部目檢，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，檢查結(jié)果如圖1、圖2所示。

1.2 EMMI定位

為檢測故障芯片內(nèi)部故障點，在加電條件下采用微光顯微鏡（(Emission Microscope， EMMI）高靈敏度光傳感器來檢測芯片表面發(fā)出的光子，輸出光發(fā)射圖像，將該圖像與candence中芯片的版圖、線路圖進行對比，確定異常發(fā)光點位置，通過逐一排查，結(jié)合失效模式，推測發(fā)光點原因，判斷發(fā)光點是否故障點，完成故障定位。據(jù)此來達到定位缺陷的目的。

通過對比試驗圖像與芯片版圖結(jié)構(gòu)、線路結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，在正常上電情況下，失效芯片較正常芯片多觀測到1個異常發(fā)光點，如圖3所示，該異常點位于芯片二級鎖存器某中間級。

1.3 微探針I(yè)V測試

結(jié)合線路原理與EMMI試驗結(jié)果，初步定位故障處結(jié)構(gòu)，采用微探針測試該二級鎖存器故障點處對VDD端口IV特性，掃描不同電平下試驗點電流值，與合格產(chǎn)品對比，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)試驗點對VDD存在異常低電阻特性，表明該二級鎖存器處存在漏電通路，無法實現(xiàn)正常電平翻轉(zhuǎn)功能。

1.4 OBIRCH故障定位

激光熱效應(yīng)激勵電阻變化方法(Optical Beam Induced Resistance Change，OBIRCH)是采用激光束加熱芯片，通過檢測試驗點電流變化情況，定位漏電流在芯片上的具體物理位置。為準(zhǔn)確定位該二級鎖存器結(jié)構(gòu)中PMOS、NMOS晶體管故障部位，對其OBIRCH結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)故障點處PMOS器件的柵極與VDD之間存在一個漏電流點，OBIRCH結(jié)果如圖5所示。

1.5 異常漏電流點SEM檢查

考慮光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)級及清晰度的限制，選擇采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)針對OBIRCH異常漏電流點區(qū)域進行檢查，芯片放大至10 000倍可明顯發(fā)現(xiàn)一個鈍化層破損，如圖6所示。

1.6 FIB剖面結(jié)構(gòu)分析

圖1 失效樣品外觀

圖2 失效樣品外觀

圖3 失效樣品EMMI結(jié)果

圖4 故障點對VDD IV特性

鈍化層覆蓋于芯片最表面，為檢測該破損鈍化層縱向深度，判斷其對芯片功能的影響，針對異常漏電流點處的鈍化層破損，采用（聚焦離子束Focused Ion beam，F(xiàn)IB）進行切面分析。切面分析顯示在鈍化層破損周圍產(chǎn)生微裂紋，其中一條微裂紋斜向上延伸到鈍化層頂部，另一條微裂紋斜向下延伸到有源區(qū)，導(dǎo)致PMOS的柵極與VDD產(chǎn)生漏電流，如圖7所示。

1.7 小結(jié)

由故障定位結(jié)果可知，本次故障芯片鈍化層破損產(chǎn)生的微裂紋延伸到有源區(qū)，導(dǎo)致PMOS的柵極與VDD產(chǎn)生漏電流，芯片表現(xiàn)出電性能異常。

2 失效案例2

失效樣品為某款大電流低壓差線性調(diào)整器產(chǎn)品，該產(chǎn)品在圓片電探針測試、封帽前產(chǎn)品電測試均合格，封帽后溫度循環(huán)、恒定加速度試驗后出現(xiàn)大比例電性能失效，且故障現(xiàn)象不一致，大多數(shù)故障產(chǎn)品均表現(xiàn)出靜態(tài)電流增大現(xiàn)象。

該產(chǎn)品采用FPP1010-05管殼封裝，內(nèi)部采用鉛錫銀焊料燒結(jié)，對多只故障產(chǎn)品開帽后進行外部目檢（光學(xué)顯微鏡，放大倍數(shù)100-500倍），發(fā)現(xiàn)芯片表面均存在不同程度的微裂紋，位置隨機[2,3]，選取1只樣品裂紋如圖8所示。

圖5 故障點OBIRCH結(jié)果

該裂紋導(dǎo)致芯片內(nèi)部器件間隔離度下降，電性能上體顯出漏電流增加，其機理與失效案例1相似，但故障現(xiàn)象更為明顯。

3 原因分析

從機械可靠性的角度考慮，影響產(chǎn)品失效的因素可概括為應(yīng)力和強度，其中應(yīng)力是引起產(chǎn)品失效的各種因素的統(tǒng)稱，強度是產(chǎn)品抵抗失效的各種因素的統(tǒng)稱。通常作用于器件的應(yīng)力包括載荷（力、力矩、轉(zhuǎn)矩等）、位移、應(yīng)變、溫度、磨損量、電流、電壓等，而強度即包括承受上述各種形式應(yīng)力的能力[2]。

圖6 異常漏電流點處的鈍化層破洞

圖7 鈍化層破損區(qū)域FIB剖面結(jié)構(gòu)分析

圖8 鈍化層破損區(qū)域

通過對故障芯片經(jīng)歷進行排查，分析導(dǎo)致本次芯片鈍化層破損產(chǎn)生的微裂紋的原因是貼片、燒結(jié)過程中應(yīng)力不匹配導(dǎo)致。貼片、燒結(jié)過程異常機械或溫度應(yīng)力作用于芯片，施加在鈍化層上，甚至延伸至鈍化層下的金屬層，由于金屬層可塑性較鈍化層強，因此金屬層不易產(chǎn)生裂紋，但金屬層的形變將加劇鈍化層產(chǎn)生裂紋。

該種異常的機械應(yīng)力可通過調(diào)整貼片設(shè)備吸頭力、吸頭尺寸、燒結(jié)溫度等參數(shù)進行改善[4]。

4 結(jié)論

由前述兩個失效案例可知，對于機械應(yīng)力引起產(chǎn)品電性能失效，其特點是電性能失效故障現(xiàn)象不一致，同批次加工產(chǎn)品故障比例較高，通常伴隨著靜態(tài)電流（漏電流）增大現(xiàn)象[5,6]，即芯片內(nèi)存在漏電通道。

故障分析首先需定位漏電流點，對于光學(xué)顯微鏡無法直接定位的芯片，結(jié)合EMMI、SEM、OBIRCH等定位手段，定位故障點后，根據(jù)故障形貌，綜合產(chǎn)品經(jīng)歷，分析失效原因，并進行相應(yīng)整改，優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)。