LDO 失效分析及改善

胡 敏

（樂山無線電股份有限公司，四川樂山 614000）

1 引言

快速增長的移動消費(fèi)電子市場對電源管理類IC需求巨大，以手機(jī)為例，攝像頭、屏下指紋等均需要各種低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LDO）。在IC 封測流程中，焊線是質(zhì)量控制的重要工序之一，其目的是連接IC 芯片和引線框架，實(shí)現(xiàn)IC 電路邏輯功能。區(qū)別于分立器件，IC 芯片需要的光刻板層數(shù)多，導(dǎo)致其引線焊接區(qū)域下面多有電路，不恰當(dāng)?shù)你~線焊接會導(dǎo)致虛焊或焊接區(qū)下電路損傷，引起測試失效或潛在的可靠性問題。文獻(xiàn)[1-7]介紹了銅線焊接及層間電介質(zhì)層（Interlayer Dielectric，ILD）裂紋，但對如何檢測ILD 裂紋、如何系統(tǒng)性避免這類問題沒有說明。本文的目的是針對實(shí)際ILD 失效分析，系統(tǒng)性探討LDO焊接出現(xiàn)的低良率和可靠性問題，以及如何避免、檢測、篩選這類不合格產(chǎn)品。

2 LDO 產(chǎn)品測試失效問題描述

2.1 LDO 靜態(tài)電流失效

LDO 廣泛應(yīng)用于手機(jī)及穿戴電子產(chǎn)品，測試LDO 的靜態(tài)電流，通過靜態(tài)電流判斷LDO 是否失效，失效品讀數(shù)400 μA，良品讀數(shù)小于4.8 μA。對失效品開蓋，去銅球、金屬焊盤，沒有發(fā)現(xiàn)彈坑。彈坑是焊線過程中對芯片硅造成了物理損傷形成的坑，彈坑結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 彈坑

2.2 LDO 靜態(tài)電流測試原理

LDO 測試靜態(tài)電流如圖2 所示，在Vin施加電壓，Vout懸空，測試Vin流入器件的電流為靜態(tài)電流。

圖2 LDO 靜態(tài)電流測試示意圖

3 失效分析

3.1 LDO 芯片結(jié)構(gòu)

IC 芯片的特點(diǎn)是光刻層數(shù)多，普通小型號三極管如40 V、0.2 A NPN 為5 層，普通MOSFET 如60 V、0.1 A、1.8 Ω 為8 層，典型的LDO IC 一般為20 層左右。IC 在狹小的空間內(nèi)聚集了眾多光刻層，故區(qū)別于三極管、MOSFET，IC 在焊盤下面一般有電路層。圖3是LDO 芯片剖面圖，圖中PAD 是焊線的焊盤，材質(zhì)是厚度2.7 μm 的AlCu，與其連接的金屬下面是ILD 層。

ILD 一般是SiO2或者SiN，目的是隔離不同層的金屬，起絕緣作用，同時阻擋水氣，保護(hù)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果Vin焊盤或GND 焊盤下面的ILD 由于焊接的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，圖3 中的Metal1 和Metal 2 兩層金屬將不能很好地絕緣，裂紋越大，絕緣性越差，就會導(dǎo)致2.1 節(jié)中提到的靜態(tài)電流失效。文獻(xiàn)[2-3]均顯示了銅線焊接導(dǎo)致ILD 層失效的現(xiàn)象。

圖3 LDO 芯片剖面圖

3.2 觀察ILD 層裂紋

液晶檢查發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)在焊球附近，根據(jù)以往MOSFET ILD 層觀察經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)后給失效分析工程師試驗(yàn)，開蓋去掉銅球后，再去掉焊盤金屬，成功地發(fā)現(xiàn)了失效品焊盤下ILD 層的裂紋（見圖4）。

圖4 焊盤ILD 層裂紋

4 分析與討論

確定焊接參數(shù)，需確認(rèn)初始球、焊球大小和厚度、拉力及彈坑。建議重新確認(rèn)焊接參數(shù)，優(yōu)化焊接窗口，解決ILD 層裂紋問題。過大的焊接參數(shù)（特別是超聲波能量）會導(dǎo)致芯片焊盤下面的ILD 層產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而影響產(chǎn)品的電特性及可靠性。2020 年金線與銅線的價格差20 倍以上，消費(fèi)類IC 多用銅線焊接。銅線焊接需要含氫氣的保護(hù)氣體以避免氧化，銅線的硬度（FAB Hardness）高于金線，焊接時對芯片焊盤的沖擊力大，這導(dǎo)致銅線的焊接參數(shù)窗口比金線窄。對于確定銅線焊接窗口的研究很多，大多做3～4 個步驟，受設(shè)備、環(huán)境限制，很多關(guān)鍵的步驟被忽略了，導(dǎo)致測試低良率時才顯現(xiàn)出銅線的焊接問題。

總結(jié)確定銅線焊接窗口的合理步驟，依靠該步驟完成新產(chǎn)品焊線參數(shù)窗口的確認(rèn)，避免產(chǎn)品出現(xiàn)ILD裂紋的質(zhì)量風(fēng)險，提高產(chǎn)品可靠性，在產(chǎn)品最終電參數(shù)測試及可靠性篩選方面也總結(jié)出相應(yīng)的建議。

5 確定銅線焊接窗口

5.1 確定銅線焊接參數(shù)窗口的主要工具和方法

受設(shè)備、環(huán)境的限制，很多焊線工程師在確定銅線焊接窗口會省略某些步驟，這里介紹幾個主要工具和方法。

1）通過表面輪廓儀測量去掉銅球后焊盤的輪廓，以三維形式描述銅線焊接力度，圖5 是測量焊盤的形貌。

圖5 輪廓儀測量芯片焊盤形貌

2）普通光學(xué)顯微鏡很難看到細(xì)微裂紋，通過掃描電子顯微鏡（SEM）可以很好地觀察。

3）采用金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）檢查方法，包括化學(xué)配方、溫度控制等。

5.2 銅線焊接參數(shù)確定流程

焊線工程師確定銅線焊線參數(shù)，一般步驟如下。

1）驗(yàn)證初始球（Fab）大小、形狀、顏色，至少3 批次各10 個數(shù)據(jù)，以匹配焊盤大小及預(yù)計的焊球大小；

2）焊球大小及厚度至少測量3 批次各30 個數(shù)據(jù)；

3）測量線的拉力及斷開模式、焊球的推力及推后模式以及線弧高度，至少測量3 批次各30 個數(shù)據(jù)；

4）測量焊盤金屬移位（Pad Metal Displacement），針對所有焊盤測3 批次各2 個產(chǎn)品，測量設(shè)備為表面輪廓儀；

5）通過SEM 觀察焊接頸部及腳部，焊球切面和腳部切面，得到2 個數(shù)據(jù)，各3 個批次；

6）通過彈坑測試3 個批次各50 個數(shù)據(jù)；

7）通過IMC 檢查3 個批次各10 個數(shù)據(jù)；

8）通過鑷子拉線測試50 粒數(shù)據(jù)；

9）檢查彈坑和ILD 層是否破裂。

5.3 觀察ILD 層裂紋的方法和步驟

IDL 層用于IC、MOSFET 等器件，由于芯片種類繁多，制造工藝和所選材料各異，一個方法很難適用于所有的芯片ILD 層。以下方法/步驟被證實(shí)可以觀察IDL 層裂紋。

1）用發(fā)煙硝酸和濃硫酸去掉塑封料；

2）用緩沖氧化物刻蝕液（氫氟酸與水混合，Buffered Oxide Etch,BOE）去除芯片表面鈍化層；

3）發(fā)煙硝酸在室溫下去除銅球；

4）通過光電發(fā)射電子顯微鏡（PEM）或液晶熱點(diǎn)檢測技術(shù)[8]觀察失效點(diǎn)；

5）用鹽酸去掉鋁層；

6）在500 倍以上光學(xué)顯微鏡下觀察焊盤；

7）用王水（Aqua Regia，濃鹽酸HCl 和濃硝酸HNO3按體積比為3∶1 組成的混合物）去掉金屬層；

8）通過SEM 觀察裂紋。

6 測試篩選廢品

6.1 PAT 測試

PAT 是參數(shù)異常測試（Parameter Abnormality Test）或者參數(shù)平均測試（Parameter Averaging Test），目的是從正常分布中篩選掉異常器件，無論其是否滿足規(guī)范，以達(dá)到高質(zhì)量要求，減少客戶投訴。

圖6 黃色區(qū)域是不滿足規(guī)范（SPEC）篩選掉的不合格品，藍(lán)色區(qū)域是滿足規(guī)范但不滿足PAT 被篩選掉的產(chǎn)品。分布在PAT 范圍內(nèi)的產(chǎn)品失效概率被大大降低。

圖6 PAT 測試

PAT 的范圍設(shè)定通過收集歷史樣本數(shù)據(jù)，計算其均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差得出。PAT 上下范圍設(shè)定為均值加減幾個標(biāo)準(zhǔn)差，即均值±A×標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中A 為倍數(shù)，根據(jù)不同要求，做不同設(shè)定：

1）通常一開始A 設(shè)定為6，PAT 范圍是均值±6 個標(biāo)準(zhǔn)偏差，如果樣本分布為正態(tài)分布，那落在PAT 范圍之外的PAT 廢品的比例是總樣本比例的2×10-9，即十億分之二，完全不會影響其正常合格率。

2）當(dāng)一個產(chǎn)品成熟后，如生產(chǎn)2 年，需要收集1000 個以上封裝批次、50 個以上芯片批次來計算PAT 范圍。將A 設(shè)定為4，那落在PAT 范圍之外的PAT 廢品比例是總樣本比例的0.0064%，也幾乎不影響正常合格率。均值±4 個標(biāo)準(zhǔn)偏差是美國汽車電子委員會的要求。

6.2 加速老化失效

銅焊線導(dǎo)致焊盤下電路ILD 層產(chǎn)生裂紋，可考慮加速老化讓裂紋生長，到達(dá)一定程度可在產(chǎn)品終測時被篩選出來，加速老化方法各異，這里列舉2 種，原理是通過熱脹冷縮讓裂紋快速生長：

1）測試前進(jìn)行紅外線回流焊（IR Reflow），模擬客戶上板，溫度高達(dá)260 ℃。

2）塑封后進(jìn)行溫度循環(huán)，溫度范圍-55～150 ℃，循環(huán)50～100 個周期。

7 結(jié)論

LDO 銅線焊接導(dǎo)致的器件失效不僅影響產(chǎn)品良率，更影響產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。對于銅線焊接窗口的確定，需要嚴(yán)格按照科學(xué)的流程和方法，省略部分流程，不正確的焊接會導(dǎo)致質(zhì)量風(fēng)險。

焊線對ILD 層的損傷要考慮在工藝設(shè)定中，本文詳細(xì)列出了對ILD 的觀察方法和步驟，供焊線工程師和失效分析工程師參考。