IC封装样品失效分析概述Angus2011-12-05IC封装样品失效分析FA (Failure Analysis),失效分析不仅有助于提高产品可靠性，而且可以带来很高的经济效益，是IC生产中不可缺少的部分。
按照分析目的或分析手段，FA可分为：PFA(Physical Failure Analysis), 是主要做物理、材料方面的失效分析EFA(Electrical Failure Analysis),是以电学测试为主的失效分析，IC封装样品失效分析Cu pad on substratePillar Bump失效分析的目的：分析失效现象，确定失效原因，提出改善建议，提高产品可靠性如何做失效分析：先简单后复杂，先外后内，先无损后有损IC封装样品失效分析1.X-Ray (X射线检测)2.C-SAM (超声波检测)3.Microscope (显微镜检测)4.SEM & EDX(扫描电镜及能谱检测）5. Decapsulation(开帽检查）6.Cross-Section (Polish&FIB)7.EFA(EMMI, OBIRCH，InGaAs)1.X-Ray (X射线检测)X射线是1895年由伦琴发现的，因此也叫伦琴射线。
X射线肉眼不可见，但可是照相底片感光，具有很强的穿透力。
X射线本质上是一种波长很短的电磁波，波长范围0.01~ 10nm,介于紫外线与γ射线之间。
左图为X射线的产生原理图：1.在阴极灯丝1与阳极4之间加直流高压(上万伏)，2.灯丝产生大量热电子，3.电子在高压电场作用下，冲击阳极上的靶材5，4.靶材受电子激发产生X射线。
灯丝的材质通常为钨，靶材的材质有Ti、Cu、Mo等由于1.X 射线具有很强的穿透性以及能够使照相底片感光。
2.X 射线作用在物体上时，存在穿透和吸收两部分，越重的原子或者越致密的结构对X 射线的吸收越显著，而诸如裂纹，空洞，酥松，夹杂等对X 射线基本无吸收，100%穿透.基于以上两点，X 射线检测被广泛使用在工业检测和医学检测领域。
在半导体领域，X 射线通常用来查看封装体内部的缺陷，例如空洞，多余物等，结构查看1.X-Ray (X 射线检测)1.X-Ray (X射线检测) X-Ray检测机台)1.X-Ray (X射线检测应用举例：1.查看金线的完整性1.X-Ray (X射线检测)应用举例：2.查看Bump与焊盘的润湿情况：正常情况下，锡熔化后在表面张力的作用下，与铜焊盘润湿良好，形状上会“塌”下来。
如下图所示，左图上的Bump与焊盘润湿不良，右图上的Bump与焊盘润湿良好。
引起润湿不良的原因通常有：1.回流参数不正确，包括回流温度，回流时间，助焊剂等；2.Bump表面存在沾污或氧化。
应用举例：3.查看Bump 内部是否存在空洞、夹杂等缺陷。
如下图所示，左图上的Bump 内部存在大量空洞，右图上的Bump 正常。
造成的空洞的原因主要有：1.镀液与UBM 润湿不够，导致夹杂或小气泡残留在UBM 表面，这方面杯镀机台更容易产生空洞；2.镀液沾污导致夹杂物残留在Bump 内部。
1.X-Ray (X 射线检测)1.X-Ray (X射线检测)需要注意的是，X射线检测存在一个缺陷，通过X射线将立体的缺陷投影到平面上，因此无法确定缺陷的具体位置和大小，有时还会引起误判，例如下图所示。
此种情况需要从垂直的两个方向来进行X射线成像现在全国共有放射源使用单位12400多家，使用放射源107000枚。
使用过程当中，每年以5％到10％的速度在递增。
铱1921.X-Ray (X 射线检测)射线的伤害：比X-Ray 射线波长更短、穿透能力更强的电磁波是γ射线.不管是X 射线，还是γ射线，都对人体有不同程度的伤害。
目前工业检测中常用的射线既有X 射线，也有γ射线，γ射线源主要为铱192。
2.C-SAM (超声波检测)1.何为超声波1.1 波可分为电磁波和机械波：无线电波、可见光、X射线属于电磁波，具有波动性与粒子性双重属性，无需传播介质；各种声音、物体的振动及超声波属于机械波，只能在一定的介质中传播。
1.2 将频率超过20kHz的振动波定义为超声波。
2.C-SAM (超声波检测)2. 超声波检测的原理超声波检测的原理如下图，超声波在物体中传播时，在两个不同介质的接触面上会发生反射，通过确认反射波的强度及回波时间来确定物体中的缺陷。
2.C-SAM (超声波检测)5M-30MHZ230MHZ ，Various focal lengths3. 超声波检测机台及超声波探头2.C-SAM (超声波检测) 4. 超声波检测举例3.Microscope (显微镜检测)光学显微镜是进行失效分析的主要工具之一，优点是操作简单，图像彩色透明光学显微镜根据放大倍数可分为立体显微镜和金相显微镜，两者结构、成像原理、使用方法相似，通过物镜+目镜组合来成像。
立体显微镜：放大倍数小(大概5倍到100倍)、但景深大，立体感强金相显微镜：放大倍数大(50至1000倍)，但景深小，主要用于观察平面成像3.Microscope (显微镜检测)立体显微镜目前JCAP在中测有2台，植球1台，FA1台，共4台立体显微镜3.Microscope (显微镜检测)金相显微镜普通光学显微镜的局限性: (1)分辨率低及放大倍率不够(2)景深小分辨率局限：由于受到光源波长及衍射性质的限制，普通光学显微镜的理论分辨率约为2000Å。
放大倍率局限：M=眼睛分辨本领光学显微镜分辨本领≈1000倍分辨率：指仪器能清晰的分辨两个特征点之间的最小距离。
d=0.612λnsinα约0.2mm约2000Å=3.Microscope (显微镜检测)SEM 3000XOM 1000X3.Microscope (显微镜检测)以下两张照片是Pillar Bump 的结构照片，1000Å厚度的Ti 层在金相显微镜下只能勉强看见而扫描电镜则可以清楚了解Ti 层与上下层之间的结合情况。
3.Microscope (显微镜检测)以下照片为同一芯片在金相显微镜与SEM及曝光机台的对比照片。
显微镜显微镜SEM曝光机台4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）SEM，全称Scan Eletronic Microscope，是失效分析中非常重要的手段。
普遍使用的功能：1.样品表面形貌观察(二次电子成像)2.化学成分分析(X射线能谱仪)4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）扫描电镜机台：扫描电镜的腔体：样品电子枪4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）扫描电镜的成像原理：阴极加直流电压，产生电子束，经电磁透镜聚焦后形成一束直径几十埃到几千埃的电子束流，以此电子束流在样品表面进行逐行扫描，电子束轰击样品表面，激发出许多信息，分类收集就能得到各种结果。
物镜镜头入射可见光源反射可见光源4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）Beetle Ant4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）5.Decap (开帽检查)DECAP 有化学开封、机械开封和激光开封，目前最常用的还是化学开封，主要针对塑封料开封, 即开盖/开帽, 指去除IC 封胶, 同时保持芯片功能的完整无损, 保持Die, Bond Pads, Bond Wires 或者Bond Bumps 乃至Lead-Frame 不受损伤, 为下一步芯片失效分析实验做准备.6. Cross-Section截面分析Cross-Section截面分析是芯片失效分析中的重要手段，尤其对通过Bump互联的片，例如Bump与Pad之间的结合情况只有通过Cross Section的方式才能确定。
Cross-Section分析的基本步骤：1.芯片准备2.芯片镶嵌(便于后续磨抛)3.样品砂纸打磨(磨到目标截面)4.样品抛光(去除打磨造成的损失层)5.截面观察(光学显微镜或SEM)A.Sample Prepare样品准备★在做样品的Cross-Section前，首先需要了解样品:目标截面在哪儿、如何得到目标截面、目标截面上的形貌分布，不清楚以上信息就着手制样就极有可能得不到自己想要的结果。
☆最简单的样品为单颗芯片，以美新Cobra芯片为例，查看Bump与Pad的结合情况.截面B截面AA.Sample Prepare样品准备☆如果芯片被塑封料包裹，甚至多颗芯片包裹在一起，首先需要了解塑封料内的芯片分布，其次需要借助参照点来判断目标截面的位置及如何得到目标截面。
以美新Cobra塑封后的成品芯片为例，如需查看Bump与Pad 的结合，需从芯片底部(基板处)向上磨到Bump位置。
2mmA.Sample Prepare样品准备☆如果芯片比较大，如下图所示的山寨机通用的MTK主芯片，需要查看芯片中心位置的Bump连接情况，如果从一侧磨起，需要磨掉6.5mm才能达到目标截面，浪费人力及材料，此种情况可以选择—切割。
13mm目标截面切割面☆由于本人没有切割芯片的经验，因此以切割其他样品举例A.Sample Prepare 样品准备A.Sample Prepare样品准备切割机A.Sample Prepare样品准备样品夹，用来固定芯片，方便后续镶嵌样品镶嵌料B.Mounting镶嵌—热镶热镶嵌的机台为镶嵌机，原料为镶嵌料，即颗粒状的树脂。
工作原理：通过加热加压，将镶嵌料融化并包裹样品，与芯片塑封过程相似B.Mounting镶嵌-冷镶冷镶用原材料：树脂、固化剂、脱模剂所有原料均为化学用品，有刺鼻气味，使用过程需注意安全，戴手套，不能接触皮肤B.Mounting镶嵌-冷镶冷镶用治具：镶嵌模B.Mounting镶嵌-冷镶其他用具：一次性杯子，因为树脂固化后无法清洗一次性木棒，用来搅拌树脂与固化剂，使成分均匀容量贴纸、一次性手套B.Mounting镶嵌-冷镶在一次性杯子中，按照1份固化剂+2~3份树脂的比例来调配溶液：1.每个镶嵌样品固化后的体积约为13ml,固化前约16ml,考虑其他损失，可以按照每个样品20ml的量来调配溶液。
2.先倒入固化剂溶液，后倒入树脂溶液3.倾斜杯体，用一次性木棒轻轻搅拌溶液，使成分均匀，持续约30S，再静置约30S注入树脂凝固时间约1H 4.在镶嵌模的底部和侧壁涂上脱模剂5.将样品夹放置在镶嵌模底部中间位置，并确认芯片是否存在歪斜6.将调配好的树脂溶液沿着木棒缓慢倒入镶嵌模中，避免将样品夹冲倒7.树脂与固化剂发生反应，发热，静置约1H 后即可取下镶嵌样品B.Mounting 镶嵌-冷镶取出镶嵌样品B.Mounting镶嵌-冷镶真空镶嵌机，相对于在空气中镶嵌，可以得到更好的镶嵌质量B.Mounting镶嵌-冷镶小芯片的镶嵌相对于大芯片要困难得多，小芯片的镶嵌可以通过样品夹或者借助双面胶来实现。