電 話：+86-755-83867315| [封裝失效分析系列三] pFA: 樣品制備，形貌觀察與成分分析 |
2016-10-20一刀IC封裝設(shè)計 （一）前言 材料學(xué)中將材料之間的結(jié)合面稱為界面，比如有機物與有機物(DAF-EMC)，有機物與無機非金屬(Epoxy-Filler)，有機物與金屬(CuTrace-Core)，金屬與無機非金屬(Al Pad-IMD)，金屬與金屬（Au-AlIMC），無機非金屬與無機非金屬(ILD-Poly)等等。而不同材料體系之間的結(jié)合就意味著不同的界面，也就會帶來諸如污染，分層，腐蝕等材料學(xué)問題。界面通常是材料最薄弱的地方，是半導(dǎo)體器件最容易失效的地方，所以界面是做分析時重點關(guān)注的對象。其實我們做失效分析，尤其是pFA，其目的就是要觀察到失效的現(xiàn)象，推測失效原因(建立失效模型，驗證失效機理)，并反饋相關(guān)工程。與晶圓制造相比，封裝的工藝相對簡單，不過封裝所用的材料體系更繁雜，界面種類也多，因此封裝級別的失效相對復(fù)雜，但只要理清了分析的邏輯，問題也會迎刃而解。 （二）樣品制備 如前篇eFA(鏈接)所述，通過eFA分析已經(jīng)可以大致推測出失效的類型或位置(I-V Curve判斷失效位于基板還是芯片，Thermal獲得熱點即目標(biāo)位置)，接下來就要開始破壞性分析，也就是pFA。 樣品制備是pFA的基礎(chǔ)，一般為磨，拋，開封等。 先說一下砂紙，一定要注意砂紙的編號，歐式的為P開頭，而美式的不帶P。下圖給出了美式與歐式的對應(yīng)關(guān)系，供參考。經(jīng)驗上看，國產(chǎn)的砂紙不耐磨，建議盡量用進(jìn)口的，用不起美國的，用韓國的也行。
接下來介紹磨樣，主要包括平磨和斷面制備。平磨一般用于切線和多層芯片隔離。切線的目的是為了切斷芯片與芯片或芯片與基板之間的電性連接，切線之后再次進(jìn)行電性分析來確定失效位于哪一層。當(dāng)已知失效位于哪層芯片后，就可以用熱硝酸或RIE來開蓋了。 制備一個好的斷面需要耐心和技巧。精細(xì)斷面制備一般要用樹脂鑲嵌之后再磨，而特別小的斷面則要用聚焦離子束(FIB)來制備。較常用的鑲樣樹脂有以下兩種：1. 丙烯酸樹脂，由粉體與液體兩種組分混合后使用，固化速度快，15分鐘就好，缺點是收縮率高，樣品容易變形，填充性也差，鑲好的樣品里容易有氣泡；2. 環(huán)氧樹脂，固化時間較長，常溫固化大于1小時，通常為兩種液體混合，填充性好，收縮率低，形變小，若配合真空鑲樣機使用，基本可以消除氣泡。磨斷面的難點是既要保持樣品的水平，又要保證最終的斷面沒有劃痕且不能被污染。舉例來說，磨一排Solder ball，首先要磨到球的直徑位置，還要盡量做到一排球的斷面都一樣大。錫是一種很軟的材料，要做到?jīng)]有劃痕，是要下一番功夫的。磨斷面用的砂紙，拋光液，拋光布包括轉(zhuǎn)速的選擇都取決于要磨的材料和想要達(dá)到的效果，終拋一定要用拋光布+拋光液。如果只是粗略的看下斷面，可以在樣品上留一層水，在偏振光或暗場下，有些劃痕會被掩蓋，斷面也會相對好看些。做精細(xì)斷面制備，首先要對自己有信心，所謂熟能生巧，磨樣的時候多總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，總歸會越磨越好。(額外介紹一個亞克力樹脂的小應(yīng)用，用直徑很小的細(xì)銅線，沾少許Flux，焊在器件背面的錫球或者焊盤上，然后滴幾滴調(diào)好的亞克力樹脂混合液，把焊點封好，利用引出的銅線可以在沒有測試底座的情況下進(jìn)行電測試，獲得包括I-V Curve，Hotspot等重要信息) 開蓋一般都用熱硝酸與塑封料反應(yīng)，而后用丙酮沖洗，溫度有高有低。個人習(xí)慣將器件加熱后滴硝酸進(jìn)行Decap，當(dāng)然也可以直接用硝酸煮。做高級FA有一項開蓋技術(shù)是必須要掌握的，那就是Window Decap或者叫PartialDecap，即在器件表面滴開一個小窗口，只露出芯片的某個區(qū)域。Window Decap的技術(shù)要點是在Decap的過程中不能傷到基板與Solderball，保留芯片與基板的連接，開蓋之后還可以進(jìn)行電性分析。 最后簡單介紹一下封裝級別分析不常用到的Delayer技術(shù)。從字面意思理解，Delayer就是剝層，真的要做Delayer的時候，基本就是到Die Level的級別了。由于保密或代工等原因，封測廠很少能拿到Layout，因此封測廠的FA其實只關(guān)注金屬層以及Contact(W)即可，如下圖中虛線往上的部分。
如果eFA可以給出確切的位置信息，包括Bitmap，以及Thermal，EMMI/InGaAs，OBIRCH等的熱點，那么Delayer的成功率會得到很大提升。采用純手拋或者用自動拋光機都可以實現(xiàn)Delayer，重點是要選擇合適的拋光液和拋光布。拋光液可以選擇微米或者納米級的氧化鋁或氧化硅懸濁液，也有廠家推薦使用金剛石懸濁液，而拋光布可以選擇各廠家拋光液對應(yīng)的那款拋光布。Delayer過程最關(guān)鍵是看LappingLoop，不同的顏色代表不同的層，如下圖所示[1]。
Delayer之前首先要確定目標(biāo)位置，根據(jù)芯片上的Pattern或者用LaserMarking點做參照物，逐層剝(拋)下去。手拋很難做到整層的剝出，只要讓Lapping Loop停在想要的那一層即可。其實大部分缺陷都位于金屬層(兩根相鄰的Via之間，上下兩層金屬之間，Via或Metal底部)，所以Delayer只要拋到目標(biāo)金屬層上的SiO2層，通過顯微鏡就能觀察目標(biāo)位置是否存在缺陷。如果不知道缺陷在哪一層，就只能針對熱點位置逐層剝下去。到Contact之后還可以繼續(xù)做VoltageContrast，觀察到異常點之后切FIB[2,3]。 反向工程[4]中用Delayer來復(fù)制版圖，當(dāng)然只是針對一些簡單產(chǎn)品。一般的做法是逐層剝掉如SiNx，Metal，SiO2，Poly，AA等，并逐層拍照，獲得版圖。拍照主要針對金屬層和Via層，而AA層還需要染色后才能區(qū)分出NMOS與PMOS。其實半導(dǎo)體技術(shù)早已經(jīng)發(fā)展到讓你抄無可抄的程度，例如Intel的14nmTri-gate FinFET，剖面結(jié)構(gòu)用TEM可以看的很清楚，但是誰也復(fù)刻不出來。再比如3D NAND，有做到64層的，有做到48層的，有做到32層的，互相之間也都了解彼此的工藝水平，也都會買別人家的產(chǎn)品來做反向工程，都想做更多層，但有些時候就是心有余而力不足。好吧，扯遠(yuǎn)了… （三）形貌觀察 成像一般有兩種模式：一種是采用外置激勵源，如光，電子，離子，超聲等，作用在樣品上之后，收集反饋信號成像；另外一種是利用樣品本身發(fā)出的信號來成像。FA常用的OM，SEM，SAT，X-ray都屬于前者，Thermal和EMMI屬于后者。前者又可分為兩種模式，一種為反射像，一種為透射像。一般來說，反射都比透射清晰(TEM除外)。成像的效果主要與以下三點有關(guān)，襯度，景深和分辨率。關(guān)于顯微成像的原理在網(wǎng)上有很多，在此不再贅述[5]，以下重點介紹顯微成像技術(shù)在失效分析中的應(yīng)用以及不同成像技術(shù)之間的差別。首先談?wù)勅粘７治鲋凶畛Ｓ玫挠^察設(shè)備—光學(xué)顯微鏡。常見的光學(xué)顯微鏡附件有以下幾個， 1. BF，明場，適合看平面 2. DF，暗場，適合看金屬 3. PL，偏振，適合看有機薄膜 4. DIC，差分，適合看IMC 5. AS，孔徑光闌，可以得到一定的景深，相當(dāng)于小孔成像，孔徑越小，景深越大 6. FS，視場光闌，可以縮小視場，不大常用 BF/DF/PL/DIC可以讓顯微鏡輸出不同的襯度，AS則可以略微改變成像的景深。其中偏振是非常重要的附件，因其有極佳的顏色襯度，特別是對不同種類的有機物可以呈現(xiàn)出不同的顏色，這是明場像，暗場像，甚或是SEM，包括EDX均無法實現(xiàn)的分辨能力。可以這樣說，偏振附件對有機污染以及有機異物的觀察在某些應(yīng)用場合是不可替代的。舉個例子，在偏振光下，PCB基板表面的綠漆是透明的淡綠色，這意味著不必去掉綠漆，就能看到綠漆下面銅布線的缺陷。暗場雖有類似的效果，但其亮度較低且顏色襯度較差，使其遠(yuǎn)沒有達(dá)到偏振的清晰程度。下圖給出了明場像，暗場像和偏振像之間的差別，僅供參考[6]。
光學(xué)顯微鏡(OM)與電子顯微鏡(SEM)的區(qū)別在于，OM不僅有亮度襯度，還有顏色襯度，而SEM只有灰度襯度。但SEM的景深要比高倍顯微鏡的景深大得多，從下圖可以看到OM與SEM在景深上的差別，左邊為OM圖像，右邊為SEM圖像。
景深與放大倍數(shù)是矛盾的，鏡頭倍數(shù)越高，景深越淺，所以低倍顯微鏡的景深遠(yuǎn)大于高倍顯微鏡。在高倍率下調(diào)小孔徑光闌，也能夠獲得一定的景深。下圖很好的詮釋了景深與光圈(AS)之間的關(guān)系，供參考。
當(dāng)然現(xiàn)在有3D顯微鏡，通過在不同焦平面拍照并在高度上進(jìn)行疊加合成，可以在較高倍率下獲得大景深，請見下圖。
成像的分辨率可以參考下面這個公式，
其中R為可分辨的最小間距，也就是分辨率，λ為波長，NA為數(shù)值孔徑。簡單來說，波長越小，分辨率越高。比如，電子的波長遠(yuǎn)小于可見光的波長范圍，因此SEM的分辨率要遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡，同時SEM的背散射探頭還可以提供元素襯度像。再比如，紅外線的波長比可見光要大，所以紅外顯微鏡的分辨率比普通顯微鏡要差一些。同時，紅外只有灰度圖像，沒有顏色襯度，不過某些波段的紅外線在硅中的穿透率大于50%，因此可以穿過硅看到內(nèi)部電路和缺陷。 綜上所述，觀察形貌時不應(yīng)一味地追求高分辨率，選擇能表現(xiàn)出缺陷或失效特征的最佳方法/手段才是最重要的。 （四）異物&污染分析 首先要分清異物和污染的概念。 1. 異物，英文是Foreign Material，即外來的物質(zhì)。異物按材質(zhì)可以分為金屬，無機非金屬和有機異物，按形狀可以分為塊狀，顆粒，粉末，條狀，絲狀等。異物是封測廠較常見的不良，下表給出了封測廠常見異物的成分，形狀及其可能來源。
異物會造成各種不良，如掉落在芯片表面，貼片的時候就可能造成Crack或Surface Damage。有時候Surface Damage很細(xì)微，如果Decap只去除DAF，則在Polymide表面可能會看到一個小洞，而去除Polymide之后，在Chip表面什么都看不到。有時候ESD也會在Polymide表面留下燒傷痕跡，而Decap以后卻什么痕跡也沒有。注意這個ESD Damage不一定在Pad附近，而可能出現(xiàn)在Chip表面任何位置，這也是一種新的放電模式，叫ESDFOS(ESD from outside to surface[7])。硬質(zhì)異物，比如硅碎屑，嵌在Wheel tooth里，會造成Wafer Scratch，粘在劈刀上，會造成臨近的金線劃傷。有時候一根絲狀異物粘在涂Flux的Pin針上，則可能會引起Solder Bridge。 2. 污染，英文Contamination，通常為有機物，一般為薄薄的一層，有油脂狀的，有表面變色的，有些甚至什么都看不出來。污染會導(dǎo)致分層，外觀不合格，還有工程不良，比如BPT低或打不上線。 封裝失效分析中常用的成分分析設(shè)備有兩個，能譜(EDX)和傅里葉紅外光譜(FT-IR)。能譜一般用于無機物分析，包括金屬，氧化物，陶瓷，玻璃等。做能譜分析時要特別留意某些特征元素，比如鋇Ba(PSR碎屑)，氯Cl(誘發(fā)腐蝕)，氟F(Polymide殘留)等。X-ray Mapping是能譜附帶的一個非常好用的工具，可以將不同元素用顏色區(qū)別標(biāo)出，如下圖。
X-ray Mapping可以將元素分布圖像化，結(jié)果更為直觀且易讀，比較適合做Solder Bridge，BumpExtrusion，金屬異物導(dǎo)致的Wire Short，ConductiveAnodic Filaments(CAF)等金屬化短路的表征。 傅里葉紅外光譜(FT-IR)則比較適合做有機異物或污染物分析。紅外光譜的一個特點是附件眾多，適用于不同狀態(tài)的樣品，液體，固態(tài)，薄膜，粉末等等。紅外光譜為吸收譜，所以一定要穿過樣品并扣除背景之后才能獲得譜圖。采集方式有以下四種，透射，衰減全反射(ATR)，漫反射，鏡面反射(Microscope)。下圖為基于反射模式的顯微紅外光譜儀，通過調(diào)節(jié)如圖的光斑來選區(qū)(ROI, region of interest)，選區(qū)面積較小，特別適用于bonding pad，Ball Land等光亮表面污染的分析。反射模式下樣品越平、底面反光度越高，譜圖質(zhì)量就越好，這也很好理解，因為表面粗糙度越小，光線被散射的越少，被反射的也越多。當(dāng)然顯微紅外還有透射模式，不過不常用。
顯微紅外有一個比較特殊的附件，Tip ATR Crystal，使用時裝在顯微鏡的鏡頭上，如下圖所示。Tip直徑宜選擇小的，可以戳在樣品上，適合做Compound表面、PCB表面等相對較軟的表面有機異物及污染物分析。Tip還可用于FT-IR Mapping，不過分辨率較差，用于分析的意義并不大。
有些情況下污染物較薄，薄到只有幾個納米的程度(淺表面)，F(xiàn)T-IR和EDX都沒法探測到或者說無法分辨出來，這時候可能要用XPS，Auger或者SIMS來分析。鑒于筆者對這幾臺設(shè)備不是很熟悉，以下表述，僅供參考[8]。 XPS，光電子能譜儀，激發(fā)源為X射線，除了元素信息，還可以給出原子價鍵的信息，所以既可以做無機物分析，也可以做有機物分析 AES，俄歇電子能譜，激發(fā)源為電子束，分辨率較高，適合分析導(dǎo)電性良好的樣品，比如金屬表面，但只能給出元素信息 TOF-SIMS，飛行時間二次離子質(zhì)譜儀，激發(fā)源是離子束，除了二次離子信息，還可以分辨有機物的官能團(tuán) XPS/Auger/TOF-SIMS，都可以做Profile，即可以測量污染物的厚度，這是EDX和FT-IR都沒有的功能。不過EDX和FT-IR勝在價格便宜，解譜時也不需要太多材料或化學(xué)的知識背景，故實用性更高。 其實對于污染或異物，客戶較關(guān)心的是會不會重復(fù)出現(xiàn)，是偶發(fā)的還是規(guī)律性的，而工藝工程師關(guān)心的是污染或異物的來源以及如何消除。所以分析異物或污染時除了要給出元素組成，更要考慮其物質(zhì)組成和分子結(jié)構(gòu)。一般來說，異物的分布是隨機的，而污染則有一定集中性。分析污染時要根據(jù)現(xiàn)場的信息，判斷其是否具有某種集中性(某條PCB，Wafer的某一區(qū)域，某一金型，某一lot等)，并爭取給出污染的來源，從而達(dá)到將其徹底消除的目的。異物的影響因素較多，比如某段時間產(chǎn)線施工，由異物引起的不良就會增多。與污染相比，異物的分析并不難，但其來源太雜，通常較難改善。異物之于產(chǎn)線就像灰塵之于空氣一樣，只能盡量減少，不能完全消除。而像產(chǎn)線的環(huán)境，潔凈度等級，設(shè)備的擺放，PM的頻率，氣流的設(shè)計，載體(Tray盤，Magazine等)的清洗周期等都會影響到異物占總失效的比例。下圖給出了封裝失效分析中常見失效的比例，收率異常Lot的REJ一般源于工藝不良或者原材料不良，而收率正常Lot的REJ則能反映出產(chǎn)線的整體水平，包括cpk，異物分布，ESD管控水平等等。
（五）結(jié)語與展望
近年來，隨著Flip-chip(倒裝焊)，RDL(再布線，包括WLP)，尤其是基于深硅刻蝕TSV(第四代封裝技術(shù)，硅通孔)與高深寬比MH(MemoryHole, 3D NAND)等技術(shù)的發(fā)展，工藝難度與日俱增，只有不斷的開發(fā)并完善與之相匹配的失效分析和檢測技術(shù)，才能持續(xù)提升這些先進(jìn)工藝(包括晶圓制造與封裝)的良率，降低成本，并最終實現(xiàn)量產(chǎn)。限于篇幅與知識背景，本文未能涵蓋上述工藝的失效分析，但相信隨著WLP，TSV以及3DNAND市場份額的增加，尤其是采用InFO封裝工藝的iPhone7上市以及3DNAND普及之后，在未來一定會吸引更多對于失效分析與檢測技術(shù)的關(guān)注[9]。 [1] http://security.cs.rpi.edu/courses/hwre-spring2014/Lecture6_Deprocessing.pdf [2] http://ir.lib.ncu.edu.tw:88/thesis/view_etd.asp?URN=93394006&fileName=GC93394006.pdf [3]Microelectronics Failure Analysis Desk Reference 6th edition, P269-278 [4] http://security.cs.rpi.edu/courses/hwre-spring2014/ [5] www.olympusmicro.com [6] http://www.eurocircuits.com/blog/177-How-do-we-assure-the-quality-of-your-PCB---part-3 [7] http://www.emc-esd.nl/wp-content/uploads/sites/42/2014/08/1.-ESD-NL-Amsterdam-failuremech2014vy-short-version.pdf [8] http://www.eaglabs.com.tw/analytical-techniques.html [9] https://www.linkedin.com/pulse/failure-analysis-market-worth-71470-million-2020-cagr-veshal-ube 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驗室的搭建和管理。 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)象分析和定位有獨到見解。 來源：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5MzY0NjE1OQ==&mid=2662027894&idx=1&sn=8b39b6203caed67f2e7f41393f07c5a4&chksm=(以上內(nèi)容來自于網(wǎng)友投稿，如侵犯了您的相關(guān)權(quán)利，請點擊舉報通知我們，我們將盡快予以刪除。) |
