分享：基于聲學(xué)顯微C掃描檢測技術(shù)的倒裝集成電路失效分析

集成電路產(chǎn)業(yè)逐步進(jìn)入后摩爾時(shí)代,通過降低半導(dǎo)體器件的特征尺寸來提高其性能的發(fā)展路徑受到了極大的影響,人們開始探索半導(dǎo)體技術(shù)的全段工藝系統(tǒng)級創(chuàng)新[1]。封裝技術(shù)是集成電路產(chǎn)業(yè)中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié),開始受到越來越多的關(guān)注。倒裝芯片封裝是一種先進(jìn)的封裝技術(shù),可以減少芯片互聯(lián)工藝中對引線的限制,有效降低互聯(lián)線引入的信號延遲和寄生效應(yīng),極大提升微電子器件輸入/輸出（I/O）的密度和效率,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類微電子器件的封裝[2-3]。隨著人們對算力需求的不斷提升,超大規(guī)模集成電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中,由于倒裝集成電路結(jié)構(gòu)和工藝的特殊性,此類集成電路常面臨各種潛在的失效風(fēng)險(xiǎn),因此對超大規(guī)模倒裝集成電路的失效分析具有重要意義[4]。 

聲學(xué)掃描技術(shù)是一種方便快捷的表征手段,在微電子器件的失效分析中具有廣泛的應(yīng)用。文章基于倒裝集成電路,研究了聲學(xué)掃描顯微鏡C掃描檢測技術(shù)的換能器頻率、放大器增益和芯片厚度三者間的關(guān)系以及倒裝集成電路常見的失效模式,并為倒裝集成電路的選用標(biāo)準(zhǔn)提出了合理化建議。 

1.   倒裝集成電路與聲學(xué)掃描技術(shù)

1.1   倒裝集成電路

倒裝集成電路典型結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示,從上到下依次為散熱金屬、熱沉、芯片、底充膠和基板；圖1（b）為聲學(xué)掃描顯微鏡結(jié)構(gòu)示意。正面植有凸點(diǎn)焊球的芯片倒扣在基板上,通過焊接工藝將芯片與基板相連[5]。由于芯片與基板的熱膨脹系數(shù)（CTE）相差較大,器件受到熱應(yīng)力時(shí),芯片與基板的連接處可能會出現(xiàn)斷裂,引發(fā)器件功能失效。為了解決熱膨脹系數(shù)不匹配的問題,通常會在芯片和基板之間注入一層底充膠作為緩沖層。研究表明,底充膠可以有效提升焊點(diǎn)熱疲勞壽命,保證器件的可靠性[6]。 

圖  1  倒裝集成電路和聲學(xué)掃描顯微鏡結(jié)構(gòu)示意

底充膠的填充過程主要利用了液體的毛細(xì)現(xiàn)象,在完成焊接的芯片一側(cè)滴注適量含有SiO2顆粒的環(huán)氧樹脂,流動液體在表面張力的作用下,沿著芯片和基板的表面逐漸對二者間的空隙進(jìn)行充分填充,待環(huán)氧樹脂完全固化后在芯片和基板之間形成了底充膠。隨著芯片尺寸的增大,底充膠填充過程中不可避免地會出現(xiàn)空洞和分層,進(jìn)而引起焊點(diǎn)失效,影響倒裝器件的性能,因此,目前對于大規(guī)模倒裝集成電路的失效分析主要圍繞底充膠相關(guān)的缺陷展開。 

1.2   聲學(xué)掃描技術(shù)

聲學(xué)掃描技術(shù)屬于無損檢測技術(shù)的一種,可以實(shí)現(xiàn)器件內(nèi)部微小缺陷的快速無損檢測[7]。聲學(xué)掃描技術(shù)與常用無損檢測技術(shù)的特性對比如表1所示,可見聲學(xué)掃描技術(shù)具有非接觸性、非破壞性、穿透力強(qiáng)以及對微小缺陷的檢測靈敏度高等特點(diǎn),因此文章主要采用聲學(xué)掃描技術(shù)對倒裝集成電路開展失效分析。 

聲學(xué)掃描技術(shù)主要利用不同介質(zhì)的聲阻差異來鑒別材料中可能存在的缺陷,是一種常用的元器件無損檢測手段。其使用聲學(xué)掃描顯微鏡[見圖1（b）]進(jìn)行檢測,檢測時(shí)將去除了散熱銅片的器件浸沒到耦合介質(zhì)中（通常為去離子水）,換能器周期性地發(fā)射和接收超聲波對樣品進(jìn)行掃描。C掃描是聲學(xué)顯微技術(shù)的一種工作模式,該模式需要選擇某段超聲信號作為時(shí)間窗口,探測時(shí)間窗口內(nèi)的聲波信號并對整個(gè)樣品進(jìn)行x-y方向的平面掃描,最后通過信號處理系統(tǒng)形成該平面的二維灰度圖像。聲學(xué)顯微C掃描檢測技術(shù)的成像原理是利用超聲波在不同聲阻材料界面處的反射差異,檢測某一聲學(xué)剖面內(nèi)樣品的聲阻變化,進(jìn)而得到樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的襯度圖。此外,由于相比于其他材料,空氣的聲阻近似為0,故聲學(xué)顯微C掃描檢測技術(shù)對于孔隙類缺陷十分敏感,可以快速檢測出器件中的細(xì)小空洞和裂紋等缺陷,在孔隙類缺陷樣品的檢測和失效分析過程中具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。 

不同換能器可以產(chǎn)生不同頻率的超聲波,通常超聲波的頻率越高,波長越短,最終得到的圖像分辨率越高。常用的換能器超聲頻率包括30,50,100 MHz,其中30 MHz換能器的焦距為13 mm,軸向分辨率為50 μm,橫向分辨率為16.5 μm；50 MHz換能器的焦距為12 mm,軸向分辨率為30 μm,橫向分辨率為10 μm；100 MHz換能器的焦距為8 mm,軸向分辨率為15 μm,橫向分辨率為5 μm。不同厚度（200,500,800 μm）的芯片在不同頻率換能器下的聲學(xué)掃描圖像如圖2所示,其掃描范圍（長×寬,下同）分別為15 mm×15 mm,20 mm×15 mm和20 mm×20 mm,不同掃描頻率對應(yīng)的放大器增益已在圖中標(biāo)出。由圖2可以發(fā)現(xiàn),隨著換能器頻率的提高,器件聲掃圖像清晰度明顯提升；相同頻率下,芯片厚度增加時(shí),需提高放大器的增益來保證成像質(zhì)量；同一厚度的芯片,隨著頻率的增加,換能器的焦距和景深相應(yīng)縮短,如果器件的待測范圍較大會導(dǎo)致成像不完全,而且高頻聲波傳輸中的衰減程度更大,為了保證圖片成像效果同樣需要提高放大器增益。因此,在用聲學(xué)掃描顯微鏡對元器件進(jìn)行失效分析時(shí),應(yīng)選擇合適的換能器頻率以保證成像質(zhì)量。 

圖  2  不同厚度的芯片在不同頻率換能器下的聲學(xué)掃描圖像

2.   倒裝集成電路失效分析

筆者以某型超大規(guī)模倒裝集成電路為例,研究了聲學(xué)掃描技術(shù)在倒裝集成電路失效分析中的應(yīng)用。 

2.1   底充膠分層

某型倒裝集成電路裝配至電路板后,在板測試時(shí)發(fā)現(xiàn)其供電引腳VCCINT對地短路,將器件從電路板上拆下后使用Keithley 4 200-SCS型源表對其供電引腳和地線進(jìn)行測試,不同電壓范圍內(nèi)器件VCCINT與地的電流-電壓曲線如圖3所示。測試電壓為-1~1 V,步長為0.01 V,限制電流為1 mA,測試結(jié)果如圖3（a）所示,可以發(fā)現(xiàn)除了在零點(diǎn)附近,供電引腳對地電流大小基本維持在限制電流左右,疑似為短路現(xiàn)象；進(jìn)一步減小電壓測試范圍至-5~5 mV,步長改為0.1 mV,限制電流為1 mA,測試結(jié)果如圖3（b）所示,可以發(fā)現(xiàn)器件供電引腳對地電壓在-1.6~1.6 mV間呈現(xiàn)典型的電阻特性,通過計(jì)算可得其電阻約為1.6 Ω,表明供電引腳對地呈現(xiàn)短路狀態(tài)。 

圖  3  不同電壓范圍內(nèi)器件VCCINT與地的電流-電壓曲線

器件外觀、超聲掃描圖像及失效機(jī)理如圖4所示。由器件的背面外觀可以發(fā)現(xiàn)BGA焊球分布均勻,未出現(xiàn)明顯的黏連現(xiàn)象,初步排除外焊點(diǎn)熔融短接造成短路的可能。為了進(jìn)一步確定該器件的失效機(jī)理,首先去除其表面的散熱金屬蓋板。圖4（b）為去除蓋板后器件的正面外觀圖,發(fā)現(xiàn)芯片表面涂有一層灰白色的熱沉。為消除熱沉的影響,使用有機(jī)清洗劑將芯片表面的熱沉去除后再進(jìn)行后續(xù)測試。芯片下的底充膠層缺陷是引起器件功能失效的一個(gè)重要因素[9-10],為了分析器件的失效原因,使用聲學(xué)C掃描技術(shù)進(jìn)行檢測,掃描對象為芯片下的底充膠層,換能器頻率為50 MHz,掃描范圍為20 mm×20 mm,放大器增益為15 dB,得到的掃描圖像如圖4（c）所示,可以發(fā)現(xiàn)底充膠與基板存在明顯的分層。在器件焊接過程中,當(dāng)焊接溫度高于芯片下方凸點(diǎn)焊球的熔點(diǎn)時(shí),焊球會變?yōu)槿廴跔顟B(tài),若底充膠存在分層,熔融態(tài)的焊球會順著分層孔隙漫延,其原理如圖4（d）所示。 

圖  4  器件外觀、超聲掃描圖像及失效機(jī)理

為了檢測該器件凸點(diǎn)處是否存在異常,通過機(jī)械研磨的方式將器件逐層研磨至芯片下凸點(diǎn)焊球的位置,形貌如圖5（a）所示,可見相鄰的凸點(diǎn)焊球間存在明顯的熔融黏連。為了驗(yàn)證芯片本身是否存在異常,通過化學(xué)開封的方法對器件進(jìn)行開封。芯片形貌如圖5（b）所示,檢查發(fā)現(xiàn)芯片表面無明顯的缺陷或過電應(yīng)力損傷痕跡。綜合上述分析結(jié)果可知,芯片下方底充膠存在分層,造成焊接中凸點(diǎn)焊球熔融黏連,導(dǎo)致引腳發(fā)生短路。文章使用聲學(xué)掃描技術(shù),快速確定了底充膠存在的缺陷,明確了失效分析的方向,極大提升了產(chǎn)品故障排除效率。 

圖  5  芯片凸點(diǎn)焊球重熔微觀形貌與芯片局部形貌

2.2   芯片機(jī)械損傷

由于芯片、凸點(diǎn)焊料和基板的熱膨脹系數(shù)不同,熱應(yīng)力引起的芯片機(jī)械損傷也是倒裝芯片的常見問題,這類損傷通常表現(xiàn)為芯片內(nèi)部的裂紋缺陷。某型倒裝集成電路裝配至電路板后,在板測試時(shí)發(fā)現(xiàn)多路輸入對地開路,將器件拆下使用Keithley 4 200-SCS型源表對其中一組輸入異常電路進(jìn)行測試,測試電壓為-1~1 V,步長為0.01 V,限制電流為1 mA,測試得到的電流-電壓曲線如圖6（a）所示,可見除了0.1 pA量級的背景噪聲外沒有檢測到明顯的電流,該曲線屬于典型的開路電流-電壓特性曲線。 

圖  6  失效器件的電流-電壓曲線、去除熱沉后的形貌圖、X射線檢測結(jié)果和聲學(xué)顯微C掃圖像

為了探究引起器件輸入對地開路的原因,將器件的金屬蓋板和熱沉去除,發(fā)現(xiàn)其外觀形貌未見明顯異常[見圖6（b）]。使用X射線對器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,測試結(jié)果如圖6（c）所示,器件的基板及芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見明顯缺陷。大尺寸芯片通常存在較大的應(yīng)力,應(yīng)力導(dǎo)致芯片內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)微裂紋也是倒裝芯片常見的失效模式,為進(jìn)一步確定器件的失效機(jī)理,使用聲學(xué)顯微C掃描技術(shù)對其進(jìn)行檢測分析,聲掃頻率為30 MHz,掃描范圍為30 mm×30 mm,放大器增益為13 dB。聲學(xué)顯微C掃描結(jié)果如圖6（d）所示,可見芯片內(nèi)部存在明顯的貫穿裂紋,此裂紋出現(xiàn)在芯片內(nèi)部且相對較窄,故光學(xué)顯微鏡和X射線未能檢測到此裂紋缺陷,但超聲波在不同介質(zhì)的界面處會發(fā)生強(qiáng)烈干涉,聲學(xué)掃描技術(shù)對孔隙的檢測靈敏度極高,可以探測到芯片內(nèi)部的細(xì)小裂紋。綜合上述測試結(jié)果,推斷器件的多路輸入異常是由芯片裂紋引起的,進(jìn)一步核查發(fā)現(xiàn)該器件的焊接溫度偏高,熱失配產(chǎn)生的應(yīng)力使芯片出現(xiàn)了貫穿裂紋,最終導(dǎo)致器件多路輸入對地開路。后續(xù)通過調(diào)整器件裝配工藝和焊接溫度,有效杜絕了此類失效的發(fā)生。 

3.   結(jié)論

選取某型倒裝集成電路為對象,利用聲學(xué)顯微C掃描技術(shù)對其失效機(jī)理進(jìn)行了深入分析,得出以下結(jié)論。 

（1）聲學(xué)顯微C掃描圖像清晰度隨著換能器頻率的增加而提升；相同頻率下,芯片厚度增加時(shí),需提高放大器的增益來保證成像質(zhì)量；相同厚度的芯片隨著換能器頻率的增加,同樣需要提高放大器增益來確保圖像質(zhì)量。 

（2）聲學(xué)掃描技術(shù)可以無損檢測出倒裝集成電路內(nèi)部的空洞、分層及裂紋等缺陷,準(zhǔn)確快速地定位和分析失效原因；該技術(shù)可為倒裝集成電路的質(zhì)量控制和可靠性評估提供有力的技術(shù)支撐。

文章來源——材料與測試網(wǎng)