IC封装样品失效分析概述

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江阴长电先进封装有限公司
1.X-Ray (X射线检测)
X-Ray检测机台
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1.X-Ray (X射线检测)
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IC封装样品失效分析
Cu pad on substrate
Pillar 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
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1.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。 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。
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。
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1.X-Ray (X射线检测)
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。
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3.Microscope (显微镜检测)
金相显微镜
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3.Microscope (显微镜检测)
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： 指仪器能清晰的分辨两个特征点之间的最小距离。
分辨率局限：
d=
0.612λ nsinα
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 。
眼睛分辨本领 放大倍率局限： M= 光学显微镜分辨本领 =
约0.2mm ≈ 1000倍 约2000Å
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5.Decap (开帽检查)
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. 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
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)
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4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）
铱192
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1.何为超声波
2.C-SAM (超声波检测)
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。
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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)
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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)
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3.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。
OM 1000X
SEM 3000X
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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
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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。
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
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4. 超声波检测举例
2.C-SAM (超声波检测)
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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
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扫描电镜机台：
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4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）
扫描电镜的腔体： 电子枪 样品
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1.2 将频率超过20kHz的振动波定义为超声波。
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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。
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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
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1.X-Ray (X射线检测)
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
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4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）
Beetle
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Ant
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4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）
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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
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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
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曝光机台
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4.SEM & EDX (扫描电镜及能谱检测）
应用举例：
1.查看金线的完整性
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应用举例：
1.X-Ray (X射线检测)
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。
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IC封装样品失效分析概述
Angus 2011-12-05
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IC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，
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2.C-SAM (超声波检测)
3. 超声波检测机台及超声波探头
5M-30MHZ
230MHZ，Various focal lengths
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