集成電路封裝與測(cè)試第八章：缺陷與失效的分析技術(shù)缺陷與失效的分析技術(shù)缺陷和失效分析在高可靠、高質(zhì)量電子封裝的生產(chǎn)中起著重要的作用。缺陷的鑒別和分析以及后續(xù)這類缺陷的減少或消除，都可以使制造工藝得到很大的改進(jìn)，從而獲得更高質(zhì)量的封裝。此外，有關(guān)失效模式、失效位置和失效機(jī)理的信息也有助于提高封裝的可靠性。為了更高的可靠性，在封裝設(shè)計(jì)過程中就需要指出影響失效模式和機(jī)理的因素。各類失效分析技術(shù)的合理選擇和應(yīng)用，對(duì)于獲取封裝中與缺陷和失效有關(guān)的信息是很重要的。塑料封裝目前占據(jù)了90%左右的市場(chǎng)，這取決于塑料封裝較高的性價(jià)比。而對(duì)于塑料封裝的缺陷和失效，可能是以多種物理形態(tài)表現(xiàn)出來的，并且可能出現(xiàn)在封裝的任何位置，包括外部封裝、內(nèi)部封裝、芯片表面、芯片底面或者界面。為了對(duì)電子器件和封裝進(jìn)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(jìn)行，以確保不丟失相關(guān)的信息。設(shè)計(jì)、裝配和制造等多種技術(shù)需要與其相適應(yīng)的缺陷和失效分析技術(shù)。本章將介紹用于微電子封裝的缺陷和失效分析技術(shù)的基本信息。8.1常見的缺陷和失效分析程序微電子封裝的失效分析技術(shù)大致分為兩種類型：破壞性的和非破壞性的。非破壞性技術(shù)（如目檢、掃描聲學(xué)顯微技術(shù)和X射線檢測(cè)）不會(huì)影響器件的各項(xiàng)功能。它們不會(huì)改變封裝體上的缺陷和失效，也不會(huì)引起新的失效。在非破壞性評(píng)價(jià)之前，是用電學(xué)測(cè)量方法來識(shí)別失效器件的失效模式，而盡管X射線檢測(cè)是非破壞性技術(shù)，但是X射線有可能使有些器件的電學(xué)特性退化，所以必須在電學(xué)評(píng)價(jià)后進(jìn)行。破壞性技術(shù)（如開封）會(huì)物理地、永久地改變封裝，它們會(huì)改變現(xiàn)有的缺陷。因此缺陷和失效的分析技術(shù)的使用順序是非常重要的，非破壞性分析必須在破壞性分析之前進(jìn)行。非破壞性分析技術(shù)受到一定的限制，小于或等于1微米的缺陷用X射線顯微鏡和聲學(xué)顯微鏡基本上檢測(cè)不到，但是用其他技術(shù)，例如電子掃描顯微鏡技術(shù)就可以辨認(rèn)出來，但是這需要開封。電學(xué)測(cè)試對(duì)塑封微電子器件的電學(xué)測(cè)試通常是在非破壞性評(píng)價(jià)（NDE）之前進(jìn)行，包括測(cè)量相關(guān)的電學(xué)參數(shù)。這些參數(shù)能暴露失效模式（例如災(zāi)難性的、功能性的、參數(shù)的、程序的或時(shí)序的）并可用來確定失效部位。電學(xué)測(cè)試一般用于核定待測(cè)系統(tǒng)或元件整體電學(xué)性能是否滿足要求，有時(shí)也對(duì)局部電學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括電壓、電流、阻抗、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、EDM、相應(yīng)時(shí)間等。具體到微電子器件，電學(xué)測(cè)試包括探測(cè)芯片上、芯片與互連之間、芯片與電路板互連之間的短路、開路、參數(shù)漂移、電阻變化或其他不正常的電學(xué)行為。電學(xué)測(cè)試的類型包括集成電路功能和參數(shù)測(cè)試、阻抗、連接性、表面電阻、接觸電阻和電容等。非破壞性評(píng)價(jià)DNE的目的是在不破壞封裝的前提下，識(shí)別并標(biāo)記像裂縫、空洞、分層、引線變形、翹曲、褪色、和軟化這樣的缺陷。DNE第一步是目檢，直接用眼睛或用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。目檢后緊接著其他非破壞性分析技術(shù)，包括掃描聲學(xué)顯微技術(shù)（SAM）、X射線顯微技術(shù)和原子力顯微技術(shù)（AFM）。利用SAM可以在不打開封裝的情況下，識(shí)別分層、空洞和芯片傾斜。X射線顯微技術(shù)可用來識(shí)別像引線變形、空洞和芯片底座偏移等缺陷，但只能在電學(xué)測(cè)試后進(jìn)行。產(chǎn)生了形變的失效，可以用AFM進(jìn)行測(cè)量，利用AFM通過描繪樣本高度和水平探針尖的位置圖，就可以建立器件表面的三維拓?fù)鋱D。封裝的另一種目檢方法是染色滲透試驗(yàn)法。在這個(gè)非破壞性的測(cè)試方法中，整個(gè)封裝會(huì)在真空下浸入染色液中，然后取出來觀察微裂紋、空洞和分層。破壞性評(píng)價(jià)破壞性評(píng)價(jià)是會(huì)破壞部分或全部封裝的密封微電子封裝的缺陷和失效分析方法，它包括塑料密封料的分析測(cè)試、開封、用各種手段對(duì)封裝內(nèi)部進(jìn)行檢查以及選擇性剝層。密封料的分析測(cè)試開封內(nèi)部檢查選擇性剝層失效定位和確定失效機(jī)理模擬測(cè)試8.2光學(xué)顯微技術(shù)光學(xué)顯微技術(shù)（OM）在不同等級(jí)的封裝失效分析中是一個(gè)常用的方法，是最基本的檢測(cè)技術(shù)之一。光學(xué)顯微鏡便宜、方便、并且易于使用。由于大多數(shù)半導(dǎo)體樣品是不透明的，所以使用的顯微鏡都是金相顯微鏡，需要通過透鏡來反射光線。先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡加上電子攝像頭，配上電腦加以圖像處理軟件，組成了光學(xué)電子顯微鏡。8.2光學(xué)顯微技術(shù)光學(xué)顯微技術(shù)（OM）在不同等級(jí)的封裝失效分析中是一個(gè)常用的方法，是最基本的檢測(cè)技術(shù)之一。光學(xué)顯微鏡便宜、方便、并且易于使用。由于大多數(shù)半導(dǎo)體樣品是不透明的，所以使用的顯微鏡都是金相顯微鏡，需要通過透鏡來反射光線。先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡加上電子攝像頭，配上電腦加以圖像處理軟件，組成了光學(xué)電子顯微鏡。8.3掃描聲光顯微技術(shù)在塑料封裝的集成電路或其他封裝電子器件中，與裝配相關(guān)的封裝缺陷是可靠性問題的一個(gè)主要來源。盡管某些應(yīng)用有相對(duì)迫切的需求，典型的缺陷包括模塑料（MC）和引線框架、芯片或芯片底座之間的界面分層；MC裂紋，芯片粘接分層，芯片傾斜和MC中的空洞。這些缺陷都可以利用掃描聲光顯微技術(shù)（SAM）進(jìn)行無損探測(cè)并觀察。SAM技術(shù)基于超聲波在各種材料中的反射和傳輸特性而成像，基于SAM技術(shù)的顯微鏡稱掃描聲學(xué)顯微鏡。8.4X射線顯微技術(shù)用X射線顯微鏡（XM）進(jìn)行失效分析的主要優(yōu)點(diǎn)在于，樣品對(duì)基本X射線的微分吸收所產(chǎn)生的圖像對(duì)比度提供了樣品的本征信息。吸收的程度卻絕育樣品內(nèi)的原子種類和原子數(shù)，因此不僅可以顯示不同的微結(jié)構(gòu)特征的存在，還可以獲得其成分信息。很多種X射線顯微鏡都可以顯示微結(jié)構(gòu)特征：X射線接觸顯微鏡、投影顯微鏡、反射顯微鏡和衍射顯微鏡。8.5X射線熒光光譜顯微技術(shù)XRF光譜顯微技術(shù)是一種快速、準(zhǔn)確和非破壞性技術(shù)，用于確定和坦誠材料組成。它可以用于固體、液體和粉末狀的樣品，且很少或不需要進(jìn)行樣品制備。使用能量散射光譜系統(tǒng)時(shí)，樣品也不需要放在真空環(huán)境中。XRF分光計(jì)可以在兩種模式下工作：材料分析模式和厚度測(cè)量模式。材料分析模式能進(jìn)行寬范圍的材料分析，由鋁到鈾，材料組成從0.1%到100%都能被準(zhǔn)確探測(cè)到。典型的XRF分光計(jì)系統(tǒng)包括四個(gè)可變成的瞄準(zhǔn)儀、機(jī)動(dòng)化控制器。用XRF的100um瞄準(zhǔn)尺寸可以對(duì)樣品上的小區(qū)域進(jìn)行分析。XRF分光計(jì)的厚度測(cè)量模式能夠測(cè)量已知材料層的厚度，不論材料是單質(zhì)金屬還是合金的。XRF分光計(jì)的穿透深度是根據(jù)所使用的材料而變化的，但是能超過50um。8.6電子顯微技術(shù)電子顯微技術(shù)的封裝伴隨著多種電子-樣品相互作用的微分析技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的技術(shù)包括掃描電子顯微技術(shù)（SEM）、透射電子顯微技術(shù)（TEM）、掃描透射電子顯微技術(shù)（STEM）和與其他分技術(shù)（如X射線和聲學(xué)圖像）相結(jié)合的電子顯微技術(shù)。當(dāng)電子顯微鏡工作時(shí)，提高高壓產(chǎn)生電子，其中部分電子束（入射電子束）被用于瞄準(zhǔn)樣品。如圖8-6所示，入射電子束以很多種方式和樣品發(fā)生相互作用。掃描電子顯微技術(shù)掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是：（1）有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；（2）有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；（3）試樣制備簡單。目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析，因此它是當(dāng)今十分有用的科學(xué)研究儀器。掃描電子顯微技術(shù)掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測(cè)器，使選擇檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。如對(duì)二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對(duì)x射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope，簡稱TEM），可以看到在光學(xué)顯微鏡下無法看清的小于0.2um的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)稱為亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)。要想看清這些結(jié)構(gòu)，就必須選擇波長更短的光源，以提高顯微鏡的分辨率。1932年Ruska發(fā)明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡，電子束的波長要比可見光和紫外光短得多，并且電子束的波長與發(fā)射電子束的電壓平方根成反比，也就是說電壓越高波長越短。目前TEM的分辨力可達(dá)0.2nm。透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：吸收像：當(dāng)電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時(shí)，主要的成像作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對(duì)電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對(duì)應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時(shí)，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。相位像：當(dāng)樣品薄至100?以下時(shí)，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。透射電子顯微鏡TEM系統(tǒng)由以下幾部分組成電子槍：發(fā)射電子，由陰極、柵極、陽極組成。陰極管發(fā)射的電子通過柵極上的小孔形成射線束，經(jīng)陽極電壓加速后射向聚光鏡，起到對(duì)電子束加速、加壓的作用。聚光鏡：將電子束聚集，可用已控制照明強(qiáng)度和孔徑角。樣品室：放置待觀察的樣品，并裝有傾轉(zhuǎn)臺(tái)，用以改變?cè)嚇拥慕嵌龋€有裝配加熱、冷卻等設(shè)備。物鏡：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像。物鏡是決定透射電子顯微鏡分辨能力和成像質(zhì)量的關(guān)鍵。中間鏡：為可變倍的弱透鏡，作用是對(duì)電子像進(jìn)行二次放大。通過調(diào)節(jié)中間鏡的電流，可選擇物體的像或電子衍射圖來進(jìn)行放大。透射鏡：為高倍的強(qiáng)透鏡，用來放大中間像后在熒光屏上成像。此外還有二級(jí)真空泵來對(duì)樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。8.7原子力顯微技術(shù)原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope，AFM），一種可用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。8.8紅外顯微技術(shù)紅外光顯微鏡是一種利用波長在800nm到20μm范圍內(nèi)的紅外光作為像的形成者，用來觀察某些不透明物體的顯微鏡。8.9分析技術(shù)的選擇針對(duì)特殊封裝，失效分析者必須決定用哪種缺陷和失效分析技術(shù)來探測(cè)缺陷和失效模式，錯(cuò)誤的運(yùn)用失效分析技術(shù)會(huì)影響分析并可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)論。失效分析的順序必須是先進(jìn)行非破壞性分析，在進(jìn)行破壞性分析。另外，對(duì)所分析封裝的狀態(tài)和失效分析設(shè)備性能的雙重考慮，在很大程度上會(huì)影響失效分析技術(shù)的選擇。（1）與封裝或者元器件條件及構(gòu)成相關(guān)的因素包括：歷史（工藝、應(yīng)用、環(huán)境）；材料；結(jié)構(gòu)尺寸；幾何結(jié)構(gòu)；可能的失效模式；可能的失效位置；8.9分析技術(shù)的選擇（2）與分析工具性能相關(guān)的因素包括：分辨率；穿透率；方法（破壞性的或非破壞性的）；（3）樣品準(zhǔn)確要求；成本；時(shí)間。每一種技術(shù)都有其分辨率和穿透率的限制。圖8-15所示是各種失效分析技術(shù)的橫向分辨率和穿透深度的整體比較。X射線顯微鏡有較好的穿透深度，然后是掃描聲學(xué)顯微鏡，1um的橫向分辨率是它們的極限。在這些技術(shù)中，止嘔電子顯微