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嘉峪檢測網 2022-01-21 23:19
封裝的缺陷和失效可能以多種物理形態(tài)表現(xiàn)出來，并且可能出現(xiàn)在封裝的任何位置，包括外部封裝、內部封裝、芯片表面、芯片底面或者界面。為了對電子器件和封裝進行有效的失效分析，必須遵循有序的、一步接一步的程序來進行，以確保不會丟失相關的信息。
設計、裝配和制造等多種技術需要與其相適應的缺陷和失效分析技術。本部分將介紹用于密封微電子封裝的各種缺陷和失效分析技術的基本信息，并重點介紹塑封缺陷和失效的相關技術。
1. 常見的缺陷和失效分析程序
封裝失效分析技術大都可以分為兩類：破壞性的和非破壞性的。非破壞檢測技術，如目檢、掃描聲學顯微技術（SAM）、X射線檢測等等，不會影響到器件的各項性能，也不會改變和引入新的缺陷和失效。
破壞檢測技術，如開封，會物理地、永久地改變封裝，會改變已存在的缺陷或失效的證據(jù)。因此，缺陷與失效分析技術的使用順序至關重要。非破壞性分析技術必須要在破壞性分析之前進行。在非破壞性檢測之前，又常常需要通過電學測試。
① 電學測試
電學測試通常是在NDE之前進行，包括測量所有相關的電學參數(shù)，這些參數(shù)可能會暴露失效的模式，并可用于確定失效的部位。
電學測試包括探測芯片上、芯片與互連之間、芯片與電路板之間的短路、開路、參數(shù)漂移、電阻變化或其他不正常的電學行為。電學測試類型包括集成電路功能和參數(shù)測試、阻抗、連接性、表面電阻、接觸電阻和電容等。
②非破壞性評價（NDE）
NDE的目的是在不破壞封裝的前提下，識別并標記諸如裂縫、空洞、分層、引線變形、翹曲、褪色和軟化這樣的缺陷。
NDE的第一步是目檢，直接用眼睛或光學顯微鏡觀察都可以進行目檢。
目檢之后才是其他的非破壞性分析技術，如SAM、X射線顯微技術和原子力顯微技術（AFM）。SAM可以在不打開封裝的情況下，識別塑封封裝中的分層、空洞和芯片傾斜。X射線顯微技術可以用來識別引線變形、空洞和芯片底座偏移等缺陷，但是可能會改變芯片的電學特性，所以一般都只在電學測試完成之后再進行。
對于封裝翹曲等形變失效，可以用接觸或者非接觸的方法去測量。接觸式的方法如AFM，非接觸的方法如陰影云紋法。
封裝的另外一種目視檢測方法是染色滲透實驗法（MIL-STD-883，方法1034）：將整個封裝在真空下浸入染色液中，然后再取出觀察微裂紋、空洞和分層。
③ 破壞性物理分析
破壞性物理分析是會破壞部分或全部封裝的密封微電子封裝的缺陷和失效的分析方法。包括塑封密封料的分析測試、開封（塑料去除或者打開封裝，Decapsulation）、用各種技術對封裝內部進行檢查以及選擇性剝層。
通過硬度測試和紅外（IR）光譜分析可以揭示塑封料的固化質量，DSC（掃描式量熱儀）和等溫DSC掃描同樣也可用于測量其固化程度。
大多數(shù)的失效分析都需要開封來觀察并定位塑料封裝內部的缺陷。常用的Decapsulation方法包括化學方法（例如硫酸、硝酸腐蝕法）、熱機械法和等離子刻蝕法。去除塑封料的化學試劑或溶劑取決于塑料的種類。一般來說，固化的環(huán)氧較難去除，需要用強酸；而硅樹脂材料可以用氟化物溶劑來去除。
開封之后的內部檢查可以用很多失效分析技術來進行。根據(jù)封裝中失效的可能位置、預期失效點的大小和其他因素來選擇這些技術。用于內部檢查的失效分析技術包括光學顯微技術、電子顯微技術、紅外顯微技術和X射線熒光（XRF）光譜技術。
有些缺陷，如過電應力或者絕緣層上的針孔，都可能導致電路發(fā)生短路。它們可能位于表面下方而不可見，這就需要對半導體器件結構中不同成分的層分別進行去除。通常會采用濕法刻蝕或者干法刻蝕的方法。一般氧化層和金屬化層采用濕法化學刻蝕來去除，氮化物鈍化層采用氟基離子體或氬離子體進行刻蝕。
有很多技術可以進行失效定位。確定失效原理和失效機理要全面考慮失效位置、形態(tài)和經歷以及封裝制造和應用條件。
在某些情況下，像大裂紋、空洞或者引線鍵合斷開這些失效都是非常明顯的。然而在某些情況下，直接的失效證據(jù)被失效本身或者后續(xù)的分析手段毀壞了，這時需要通過模擬測試施加和實際失效邏輯性相關的環(huán)境條件或者電學負載手段，來再現(xiàn)已經觀測到的失效。
2. 缺陷和失效分析手段
缺陷和失效分析的手段主要包括：光學顯微技術、掃描聲學顯微技術、X射線顯微技術、X射線熒光光譜顯微技術、電子顯微技術、原子力顯微技術和紅外顯微技術。接下來將分別展開介紹。
①光學顯微技術（OM）
光學顯微技術是最便宜、方便、易于使用的分析檢測手段，在不同等級封裝的失效分析中都非常常用。由于芯片一般不透光，因此通常需要通過透鏡來反射光線。
光學顯微系統(tǒng)的主要參數(shù)包括物鏡倍數(shù)、數(shù)字孔徑、分辨率、景深和場曲率。光學顯微技術主要包括亮場、暗場、相位對比、微分干涉相襯（DIC）、熒光顯微技術和極化光線等。
網上關于明場和暗場的解釋：
明場是靠吸收反射光的強度來確認物體的表面的，一般明場缺陷是暗的，背景是亮的。因為如果沒有缺陷，入射光原路返回，所以是亮色的；如果有缺陷，光被散射了，這是接受到的光很弱，為暗色的。
暗場是靠光的散射原理來工作的，正常情況下入射光斜射到wafer表面，反射的光接收器是接收不到或者很暗，如果這里有缺陷，光會散射，這是接收器就會收到散射光，顯示為亮色，所以暗場一般背景為暗，缺陷為亮。
② 掃描聲學顯微技術（SAM）
SAM技術是基于超聲波在各種材料中的反射和傳輸特性而成像。通過SAM可以無損探測MC裂紋、芯片粘接分層、芯片傾斜和MC空洞等缺陷，它可以滿足從生產批量篩選到實驗室缺陷探測和失效分析的廣泛需求。
SAM主要用兩個顯微鏡來進行：掃描激光聲學顯微鏡（SLAM）和C-模式掃描聲學顯微鏡（C-SAM）。SAM的成像模式有很多種，其中實驗室比較常用的是C模式和T模式（THRU-掃描）。
在定義塑封微電子中缺陷的確切狀態(tài)時，C-SAM非常有用。C-SAM將一個非常短的聲波脈沖引入樣品中，在樣品的表面和內部的某個界面反射形成反射波，聲波返回時間是界面到換能器的距離和聲波在樣品中的速度的函數(shù)。電子門會在特定時間內“開啟”，采集其某一深度界面的反射波而排除其它反射波。用選通的反射波信號亮度來調制一個與換能器位置同步的陰極射線管（CRT）。超聲換能器在樣品上方機械掃描，形成一幅聲學圖像。
在C模式中，聚焦的換能器在被關注的平面區(qū)域上掃描。透鏡聚焦在某個深度，從那個深度產生的反射波被電學選通并顯示，電子門的調整非寬即窄，圖像包含的深度信息會與薄或厚的“片”相吻合。
例如，在塑封微電子中，窄門僅對芯片表面成像，較寬的門可同時對芯片表面、基板周邊和引線框架進行成像。CRT上的灰度標尺圖可以轉換為幅度信息對比增強的偽彩色。
圖像也可以用反射波極性或者相位信息進行顏色編碼：從高聲阻界面反射回來的正反射波以灰色表示，從低聲阻界面反射回來的負反射波則用另一種顏色表示。聲阻$Z$是與聲波傳播有關的材料特性，表示為：
其中，ρ是質量密度，Vsound是聲波在材料中傳播的速度。當聲波入射到兩種材料的邊界時，部分波被反射，部分波被投射；如果界面存在分層，入射波就會被全反射。
③Hot spot 分析
Hot spot即熱點分析，是電子工業(yè)常用的一種分析手段。一般包括EMMI、Obirch和Thermal三種模式。
④其他測試手段
翹曲度測試
SEM/FIB
力學性能測試
來源：Internet
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