《集成电路封装与测试》课件-08缺陷与失效的分析技术

集成电路封装与测试第八章：缺陷与失效的分析技术缺陷与失效的分析技术缺陷和失效分析在高可靠、高质量电子封装的生产中起着重要的作用。缺陷的鉴别和分析以及后续这类缺陷的减少或消除，都可以使制造工艺得到很大的改进，从而获得更高质量的封装。此外，有关失效模式、失效位置和失效机理的信息也有助于提高封装的可靠性。为了更高的可靠性，在封装设计过程中就需要指出影响失效模式和机理的因素。各类失效分析技术的合理选择和应用，对于获取封装中与缺陷和失效有关的信息是很重要的。塑料封装目前占据了90%左右的市场，这取决于塑料封装较高的性价比。而对于塑料封装的缺陷和失效，可能是以多种物理形态表现出来的，并且可能出现在封装的任何位置，包括外部封装、内部封装、芯片表面、芯片底面或者界面。为了对电子器件和封装进行有效的失效分析，必须遵循有序的、一步接一步的程序来进行，以确保不丢失相关的信息。设计、装配和制造等多种技术需要与其相适应的缺陷和失效分析技术。本章将介绍用于微电子封装的缺陷和失效分析技术的基本信息。8.1常见的缺陷和失效分析程序微电子封装的失效分析技术大致分为两种类型：破坏性的和非破坏性的。非破坏性技术（如目检、扫描声学显微技术和X射线检测）不会影响器件的各项功能。它们不会改变封装体上的缺陷和失效，也不会引起新的失效。在非破坏性评价之前，是用电学测量方法来识别失效器件的失效模式，而尽管X射线检测是非破坏性技术，但是X射线有可能使有些器件的电学特性退化，所以必须在电学评价后进行。破坏性技术（如开封）会物理地、永久地改变封装，它们会改变现有的缺陷。因此缺陷和失效的分析技术的使用顺序是非常重要的，非破坏性分析必须在破坏性分析之前进行。非破坏性分析技术受到一定的限制，小于或等于1微米的缺陷用X射线显微镜和声学显微镜基本上检测不到，但是用其他技术，例如电子扫描显微镜技术就可以辨认出来，但是这需要开封。电学测试对塑封微电子器件的电学测试通常是在非破坏性评价（NDE）之前进行，包括测量相关的电学参数。这些参数能暴露失效模式（例如灾难性的、功能性的、参数的、程序的或时序的）并可用来确定失效部位。电学测试一般用于核定待测系统或元件整体电学性能是否满足要求，有时也对局部电学参数进行检测，检测项目包括电压、电流、阻抗、电场、磁场、EDM、相应时间等。具体到微电子器件，电学测试包括探测芯片上、芯片与互连之间、芯片与电路板互连之间的短路、开路、参数漂移、电阻变化或其他不正常的电学行为。电学测试的类型包括集成电路功能和参数测试、阻抗、连接性、表面电阻、接触电阻和电容等。非破坏性评价DNE的目的是在不破坏封装的前提下，识别并标记像裂缝、空洞、分层、引线变形、翘曲、褪色、和软化这样的缺陷。DNE第一步是目检，直接用眼睛或用光学显微镜进行观察。目检后紧接着其他非破坏性分析技术，包括扫描声学显微技术（SAM）、X射线显微技术和原子力显微技术（AFM）。利用SAM可以在不打开封装的情况下，识别分层、空洞和芯片倾斜。X射线显微技术可用来识别像引线变形、空洞和芯片底座偏移等缺陷，但只能在电学测试后进行。产生了形变的失效，可以用AFM进行测量，利用AFM通过描绘样本高度和水平探针尖的位置图，就可以建立器件表面的三维拓扑图。封装的另一种目检方法是染色渗透试验法。在这个非破坏性的测试方法中，整个封装会在真空下浸入染色液中，然后取出来观察微裂纹、空洞和分层。破坏性评价破坏性评价是会破坏部分或全部封装的密封微电子封装的缺陷和失效分析方法，它包括塑料密封料的分析测试、开封、用各种手段对封装内部进行检查以及选择性剥层。密封料的分析测试开封内部检查选择性剥层失效定位和确定失效机理模拟测试8.2光学显微技术光学显微技术（OM）在不同等级的封装失效分析中是一个常用的方法，是最基本的检测技术之一。光学显微镜便宜、方便、并且易于使用。由于大多数半导体样品是不透明的，所以使用的显微镜都是金相显微镜，需要通过透镜来反射光线。先进的光学显微镜加上电子摄像头，配上电脑加以图像处理软件，组成了光学电子显微镜。8.2光学显微技术光学显微技术（OM）在不同等级的封装失效分析中是一个常用的方法，是最基本的检测技术之一。光学显微镜便宜、方便、并且易于使用。由于大多数半导体样品是不透明的，所以使用的显微镜都是金相显微镜，需要通过透镜来反射光线。先进的光学显微镜加上电子摄像头，配上电脑加以图像处理软件，组成了光学电子显微镜。8.3扫描声光显微技术在塑料封装的集成电路或其他封装电子器件中，与装配相关的封装缺陷是可靠性问题的一个主要来源。尽管某些应用有相对迫切的需求，典型的缺陷包括模塑料（MC）和引线框架、芯片或芯片底座之间的界面分层；MC裂纹，芯片粘接分层，芯片倾斜和MC中的空洞。这些缺陷都可以利用扫描声光显微技术（SAM）进行无损探测并观察。SAM技术基于超声波在各种材料中的反射和传输特性而成像，基于SAM技术的显微镜称扫描声学显微镜。8.4X射线显微技术用X射线显微镜（XM）进行失效分析的主要优点在于，样品对基本X射线的微分吸收所产生的图像对比度提供了样品的本征信息。吸收的程度却绝育样品内的原子种类和原子数，因此不仅可以显示不同的微结构特征的存在，还可以获得其成分信息。很多种X射线显微镜都可以显示微结构特征：X射线接触显微镜、投影显微镜、反射显微镜和衍射显微镜。8.5X射线荧光光谱显微技术XRF光谱显微技术是一种快速、准确和非破坏性技术，用于确定和坦诚材料组成。它可以用于固体、液体和粉末状的样品，且很少或不需要进行样品制备。使用能量散射光谱系统时，样品也不需要放在真空环境中。XRF分光计可以在两种模式下工作：材料分析模式和厚度测量模式。材料分析模式能进行宽范围的材料分析，由铝到铀，材料组成从0.1%到100%都能被准确探测到。典型的XRF分光计系统包括四个可变成的瞄准仪、机动化控制器。用XRF的100um瞄准尺寸可以对样品上的小区域进行分析。XRF分光计的厚度测量模式能够测量已知材料层的厚度，不论材料是单质金属还是合金的。XRF分光计的穿透深度是根据所使用的材料而变化的，但是能超过50um。8.6电子显微技术电子显微技术的封装伴随着多种电子-样品相互作用的微分析技术的发展。传统的技术包括扫描电子显微技术（SEM）、透射电子显微技术（TEM）、扫描透射电子显微技术（STEM）和与其他分技术（如X射线和声学图像）相结合的电子显微技术。当电子显微镜工作时，提高高压产生电子，其中部分电子束（入射电子束）被用于瞄准样品。如图8-6所示，入射电子束以很多种方式和样品发生相互作用。扫描电子显微技术扫描电镜的优点是：（1）有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；（2）有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；（3）试样制备简单。目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。扫描电子显微技术扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。透射电子显微镜透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope，简称TEM），可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。透射电子显微镜透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成像作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射波的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。相位像：当样品薄至100Å以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。透射电子显微镜TEM系统由以下几部分组成电子枪：发射电子，由阴极、栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速、加压的作用。聚光镜：将电子束聚集，可用已控制照明强度和孔径角。样品室：放置待观察的样品，并装有倾转台，用以改变试样的角度，还有装配加热、冷却等设备。物镜：为放大率很高的短距透镜，作用是放大电子像。物镜是决定透射电子显微镜分辨能力和成像质量的关键。中间镜：为可变倍的弱透镜，作用是对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。透射镜：为高倍的强透镜，用来放大中间像后在荧光屏上成像。此外还有二级真空泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影像。8.7原子力显微技术原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。8.8红外显微技术红外光显微镜是一种利用波长在800nm到20μm范围内的红外光作为像的形成者，用来观察某些不透明物体的显微镜。8.9分析技术的选择针对特殊封装，失效分析者必须决定用哪种缺陷和失效分析技术来探测缺陷和失效模式，错误的运用失效分析技术会影响分析并可能导致错误的分析结论。失效分析的顺序必须是先进行非破坏性分析，在进行破坏性分析。另外，对所分析封装的状态和失效分析设备性能的双重考虑，在很大程度上会影响失效分析技术的选择。（1）与封装或者元器件条件及构成相关的因素包括：历史（工艺、应用、环境）；材料；结构尺寸；几何结构；可能的失效模式；可能的失效位置；8.9分析技术的选择（2）与分析工具性能相关的因素包括：分辨率；穿透率；方法（破坏性的或非破坏性的）；（3）样品准确要求；成本；时间。每一种技术都有其分辨率和穿透率的限制。图8-15所示是各种失效分析技术的横向分辨率和穿透深度的整体比较。X射线显微镜有较好的穿透深度，然后是扫描声学显微镜，1um的横向分辨率是它们的极限。在这些技术中，止呕电子显微