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封裝失效分析系列二] eFA：直流測試原理，I-V Curve與熱定位方法 原創(chuàng) 2016-08-05 一刀 IC封裝設(shè)計(jì) 封裝有兩個主要目的，一是提供保護(hù)，即防止芯片受到外界傷害，包括外部沖擊，濕氣侵蝕，以及輻射等等。二是提供芯片到基板或者組件到大板的電性連接，通常是通過Wire bond和SMT(BGA，QFN等)來實(shí)現(xiàn)的。
一般封裝缺陷/不良按來源可以分為兩類，芯片相關(guān)和連接相關(guān)。 芯片相關(guān)一般有chip crack，chipout/chipping(崩邊), delamination(分層)，surface damage，F(xiàn)AB不良等。
而連接相關(guān)的不良一般為Wire性(wire-to-wire short(左右/上下)/pad open/stitch open/wire touch chip/Pad crack/bond short等)，PCB相關(guān)(via crack/ball land contamination/stitch contamination/trace short等)，Ball性(double ball, ball missing, ball short等)。通常封裝前道的難度較大，所以缺陷或不良較多，而封裝后道的難度較小，缺陷或不良相應(yīng)的也比較少。下圖給出了封裝缺陷或失效來源的大致比例，根據(jù)所做芯片大小，厚度，疊die層數(shù)，I/O數(shù)量，打線難度等條件變化下圖比例也會有所變化。
Wafer在出廠前通常都會進(jìn)行電測，標(biāo)注出KGD(Known good die)。為了節(jié)約成本，只有KGD才會進(jìn)入封裝流程。而由封裝過程產(chǎn)生的不良要如何進(jìn)行篩選呢？這就要說到Test工程。 封裝并貼好球的顆粒一般會經(jīng)過很多步的測試，有的還會經(jīng)過Burn-in-board這樣的嚴(yán)苛測試，才會被標(biāo)注為好品出廠。這些測試通常包括，直流測試，低溫測試，高溫測試，交流測試等。其中與封裝關(guān)聯(lián)最大的就是直流測試，因?yàn)樗臏y試項(xiàng)目都與外部連接有關(guān)。直流測試項(xiàng)目一般可以分為以下幾類：
一般直流測試都會按不同的Bin來對REJ進(jìn)行分類，其分類的原則與上面給出的直流測試項(xiàng)目基本相同。而初級失效分析的工作就是根據(jù)直流測試的選別結(jié)果，通過外觀檢查，X-ray(主要看線和球)，C-SAM(主要看分層)，磨樣開封，顯微觀察來判斷低收率lot的主要失效模式，通常由技術(shù)員來完成。 高級失效分析通常分兩步，首先為eFA，其次為pFA。 eFA通常為非破壞性的，包括I-V Curve測試，Bitmap，失效定位(Thermal/EMMI/OBIRCH)。 pFA通常為破壞性的，包括wire cutting，isolation，decap，cross-section(FIB)，Delayering等。 首先介紹 I-V Curve。在了解Curve之前，先普及一個小知識，即Curve到底測的是什么。請看下圖。
現(xiàn)代集成電路里面，Pad外圍電路通常都會布置一個ESD防護(hù)電路(On-chip ESD protection circuit)，而I-V Curve測試的，就是ESD防護(hù)電路里面的二極管單元。個人習(xí)慣將短路失效的Curve分為阻性和非阻性兩種類型。也有將阻性稱為Short，而將非阻性稱為Leakage的。通過上圖可以看到，由外部連接，包括Metal Line，Bonding wire, PCB substrate, Solder Ball引起的短路不良，一般都是與ESD保護(hù)二極管并聯(lián)的，所以Curve呈阻性，相當(dāng)于一個電阻與二極管并聯(lián)。而芯片本身或者內(nèi)部電路的不良，如ESD Diode燒毀，F(xiàn)AB不良等，都是二極管本身特性被改變，所以Curve呈非阻性。
通過Curve獲得失效的信息是進(jìn)行高級失效分析的第一步，也是決定失效分析是否可以進(jìn)行以及分析結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵。那么如何判斷Curve的準(zhǔn)確性呢？一般來說，阻性的Curve比較好判斷，而非阻性Curve則很難給出確定答案。這里提供一個簡單的判斷標(biāo)準(zhǔn)，即直流測試的結(jié)果。舉例來說，如果REJ是一個Standby Fail，直流測試的條件是Power pin 1.8V，失效電流 5.5mA。測試Power pin與Ground pin之間的Curve，電壓從-2V到+2V，增幅0.05V，不管Curve最終形態(tài)是阻性還是非阻性的，其在1.8V對應(yīng)的電流應(yīng)該是與5.5mA很接近的值或者略低(接觸電阻)。如果不是或者差別較大，比如1.8V對應(yīng)的電流只有20uA，那說明Curve測試的條件與直流測試的條件有差別，這時可以根據(jù)直流測試項(xiàng)目來選擇增加同時上電的Pin，并反復(fù)進(jìn)行Curve測試，直到對應(yīng)電壓的Curve電流與直流測試失效電流接近為止。更復(fù)雜的情況可能需要多個Pin同時加載，才能獲得準(zhǔn)確的Curve。 在獲得了準(zhǔn)確的Curve之后，接下來就可以進(jìn)行Thermal即熱定位分析了。熱定位，故名思義，是根據(jù)缺陷或失效發(fā)出的熱來達(dá)到定位的目的，從而縮小分析的范圍。一臺好的Thermal失效分析儀可以定位到微米級的缺陷或不良，注意是定位到不是觀察到，觀察還是要靠高倍顯微鏡或者掃描電鏡。一般而言，只有短路失效(包括short/leakage/standby)才有發(fā)熱并被捕捉到的可能性。說一句戲言，不怕你短路，就怕你不熱。 Thermal其實(shí)說簡單也簡單，因?yàn)橹灰狢urve對了，按照Curve的上電模式，一般就可以做出熱點(diǎn)。而定位的范圍視鏡頭而論可大可小，大到可以做到板級不良分析，小到可以看清Pad周邊的電路，應(yīng)用十分廣泛。但Thermal其實(shí)說難也難，比如會有假熱點(diǎn)，熱點(diǎn)會漂移(真的！)，即偏離了真實(shí)失效的位置，以及漏電特別小的情況(漏電流小于100uA)等等。而Thermal對于封裝級別失效分析最大的好處就在于它是非破壞性分析，即可以在開封之前獲得缺陷或失效的位置。當(dāng)然，想要獲得缺陷或失效的準(zhǔn)確位置，需要有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)與技巧。舉個例子，通過疊加Marking圖面與Bonding圖面，根據(jù)Top面的熱點(diǎn)就可以在開封前準(zhǔn)確的知道失效是位于芯片中間還是芯片邊緣，甚或于失效是位于Pad附近，還是wire之間，還是PCB Finger附近，注意這些都對應(yīng)著不同的失效模式。精細(xì)的熱點(diǎn)分析，極大的縮小了缺陷或失效的可疑范圍，也大幅提高了失效分析的效率與準(zhǔn)確性?？梢赃@樣說，Thermal設(shè)備就相當(dāng)于失效分析工程師的眼睛，而是否擁有thermal設(shè)備也是一個封裝級別失效分析實(shí)驗(yàn)室水平高低的標(biāo)志。 就著上面提到過的Standby fail，再來說一說Thermal為什么如此重要。對于一顆芯片而言，它有很多個Power pin，任何一個power pin與它旁邊的ground pin搭到，都有可能導(dǎo)致Standby fail。更不用說還有PCB Substrate里面對應(yīng)的Cu trace，還有Solder ball。就單以線性不良來說，都有Wire-to-wire short，可能是并排的兩根線，也可能是上下層的兩根線，wire touch chip，即線碰到了芯片的邊緣，bond short，即金球與金球碰到一起，pad crack，即打線力道過猛，把pad附近電路擊碎導(dǎo)致短路，F(xiàn)oreign material，即一個金屬異物橫在兩根線之間，這么多種可能性。誠然，這里面很多不良都可以用X-ray觀察到，但對于某些小缺陷比如pad crack，比如ESD damage等不良，X-ray就愛莫能助了。而thermal可以在很短的時間內(nèi)(1-10min)，就定位到缺陷或失效的位置。thermal的方便快捷以至于有些時候我都懶得去做X-ray，在Thermal找到位置之后直接磨或者Decap即能看到缺陷或不良，還能少受點(diǎn)輻射，呵呵。 封裝失效分析案子的難度可以按以下原則來判斷， 1. 分析難度：直流測試REJ<高/低溫測試REJ<交流測試REJ，量產(chǎn)REJ<可靠性失效REJ 2. 樣品數(shù)量越多越好分析，越少越難分析，只有一顆樣品的時候最難 3. 對于短路失效，失效電流越大越好分析，越小越難分析 4. 對于開路失效，失效電阻越大越好分析，越小越難分析 最后，說點(diǎn)我對FA的看法。首先，作為一個失效分析工程師，應(yīng)該抓住每一次做分析的機(jī)會，下手之前勤加思考，分析完成后保持記錄和總結(jié)的習(xí)慣，不斷改進(jìn)自己的分析手法，干一行，愛一行，F(xiàn)A的路才會越走越寬。其次，F(xiàn)A大部分的精力都在尋找失效現(xiàn)象，通過制樣技術(shù)，觀察技術(shù)，定位技術(shù)，結(jié)合不同的分析設(shè)備，最終找到物理失效點(diǎn)。而產(chǎn)線工程師要求的，往往不是失效現(xiàn)象，而是改善的方法。這其中最重要也是最難的一環(huán)，就是如何驗(yàn)證失效模式。這個看似額外的工作，大大提高了FA的含金量與重要性，也使FA的工作變得更有意義。
(eFA就聊這么多，下一次想跟大家分享的是pFA的相關(guān)內(nèi)容，包括樣品制備，形貌觀察，以及成分分析。)
作者：一刀，材料專業(yè)，博士。精通各種失效分析技術(shù)，以及封裝失效分析實(shí)驗(yàn)室的搭建和管理。作者在工程一線從事失效分析多年，專注于封裝級別的失效分析，精通存儲芯片的失效分析與工藝改進(jìn)，尤其對ESD相關(guān)的失效現(xiàn)象分析和定位有獨(dú)到見解。 |
