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瀏覽:- 發(fā)布日期:2025-04-02 10:48:15【

集成電路產(chǎn)業(yè)逐步進(jìn)入后摩爾時(shí)代,通過(guò)降低半導(dǎo)體器件的特征尺寸來(lái)提高其性能的發(fā)展路徑受到了極大的影響,人們開(kāi)始探索半導(dǎo)體技術(shù)的全段工藝系統(tǒng)級(jí)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(kāi)始受到越來(lái)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(duì)引線的限制,有效降低互聯(lián)線引入的信號(hào)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(duì)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(duì)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(cè)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(jiàn)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。 

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(guò)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(huì)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(wèn)題,通常會(huì)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(guò)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(shù)脂,流動(dòng)液體在表面張力的作用下,沿著芯片和基板的表面逐漸對(duì)二者間的空隙進(jìn)行充分填充,待環(huán)氧樹(shù)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(guò)程中不可避免地會(huì)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(duì)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(kāi)。 

聲學(xué)掃描技術(shù)屬于無(wú)損檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)[7]。聲學(xué)掃描技術(shù)與常用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特性對(duì)比如表1所示,可見(jiàn)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(duì)微小缺陷的檢測(cè)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(duì)倒裝集成電路開(kāi)展失效分析。 

Table  1.  聲學(xué)掃描技術(shù)與常用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特性對(duì)比
項(xiàng)目 技術(shù)類型
聲學(xué)掃描技術(shù) X射線檢測(cè) 渦流檢測(cè) 滲透檢測(cè)
非接觸性 否(需接觸導(dǎo)電材料) 否(需接觸材料表面)
穿透力 強(qiáng)(適用于多層結(jié)構(gòu)) 強(qiáng)(適用于較厚材料) 中等(限于導(dǎo)電材料表面和近表面) 弱(限于表面開(kāi)口缺陷)
微小缺陷檢測(cè) 高靈敏度 高靈敏度(受材料密度差異影響) 中等靈敏度 較低靈敏度(對(duì)內(nèi)部缺陷無(wú)法判定)
實(shí)時(shí)成像
安全性 對(duì)人體無(wú)害 對(duì)人體有電離輻射危害 對(duì)人體無(wú)害 部分材料可能對(duì)人體有害
檢測(cè)速度 快(可自動(dòng)化掃描) 快(受成像速度影響) 快(需專業(yè)人員分析) 快(需人工操作和觀察)

聲學(xué)掃描技術(shù)主要利用不同介質(zhì)的聲阻差異來(lái)鑒別材料中可能存在的缺陷,是一種常用的元器件無(wú)損檢測(cè)手段。其使用聲學(xué)掃描顯微鏡[見(jiàn)圖1(b)]進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)時(shí)將去除了散熱銅片的器件浸沒(méi)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(duì)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(hào)作為時(shí)間窗口,探測(cè)時(shí)間窗口內(nèi)的聲波信號(hào)并對(duì)整個(gè)樣品進(jìn)行x-y方向的平面掃描,最后通過(guò)信號(hào)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(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)對(duì)于孔隙類缺陷十分敏感,可以快速檢測(cè)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(cè)和失效分析過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)×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(duì)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(lái)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(cè)范圍較大會(huì)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(duì)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

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。 

某型倒裝集成電路裝配至電路板后,在板測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)其供電引腳VCCINT對(duì)地短路,將器件從電路板上拆下后使用Keithley 4 200-SCS型源表對(duì)其供電引腳和地線進(jìn)行測(cè)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(cè)試電壓為-1~1 V,步長(zhǎng)為0.01 V,限制電流為1 mA,測(cè)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(duì)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(cè)試范圍至-5~5 mV,步長(zhǎng)改為0.1 mV,限制電流為1 mA,測(cè)試結(jié)果如圖3(b)所示,可以發(fā)現(xiàn)器件供電引腳對(duì)地電壓在-1.6~1.6 mV間呈現(xiàn)典型的電阻特性,通過(guò)計(jì)算可得其電阻約為1.6 Ω,表明供電引腳對(duì)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(cè)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(cè),掃描對(duì)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(guò)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(huì)變?yōu)槿廴跔顟B(tài),若底充膠存在分層,熔融態(tài)的焊球會(huì)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(cè)該器件凸點(diǎn)處是否存在異常,通過(guò)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(jiàn)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(guò)化學(xué)開(kāi)封的方法對(duì)器件進(jìn)行開(kāi)封。芯片形貌如圖5(b)所示,檢查發(fā)現(xiàn)芯片表面無(wú)明顯的缺陷或過(guò)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

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(jiàn)問(wèn)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(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)多路輸入對(duì)地開(kāi)路,將器件拆下使用Keithley 4 200-SCS型源表對(duì)其中一組輸入異常電路進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試電壓為-1~1 V,步長(zhǎng)為0.01 V,限制電流為1 mA,測(cè)試得到的電流-電壓曲線如圖6(a)所示,可見(jiàn)除了0.1 pA量級(jí)的背景噪聲外沒(méi)有檢測(cè)到明顯的電流,該曲線屬于典型的開(kāi)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(cè)結(jié)果和聲學(xué)顯微C掃圖像

為了探究引起器件輸入對(duì)地開(kāi)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(jiàn)明顯異常[見(jiàn)圖6(b)]。使用X射線對(duì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),測(cè)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(jiàn)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(jiàn)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(duì)其進(jìn)行檢測(cè)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(jiàn)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(duì)較窄,故光學(xué)顯微鏡和X射線未能檢測(cè)到此裂紋缺陷,但超聲波在不同介質(zhì)的界面處會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈干涉,聲學(xué)掃描技術(shù)對(duì)孔隙的檢測(cè)靈敏度極高,可以探測(cè)到芯片內(nèi)部的細(xì)小裂紋。綜合上述測(cè)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(duì)地開(kāi)路。后續(xù)通過(guò)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。 

選取某型倒裝集成電路為對(duì)象,利用聲學(xué)顯微C掃描技術(shù)對(duì)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(lái)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(lái)確保圖像質(zhì)量。 

(2)聲學(xué)掃描技術(shù)可以無(wú)損檢測(cè)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(píng)估提供有力的技術(shù)支撐。




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