集成電路產業逐步進入后摩爾時代,通過降低半導體器件的特征尺寸來提高其性能的發展路徑受到了極大的影響,人們開始探索半導體技術的全段工藝系統級創新[1]。封裝技術是集成電路產業中極為重要的一個環節,開始受到越來越多的關注。倒裝芯片封裝是一種先進的封裝技術,可以減少芯片互聯工藝中對引線的限制,有效降低互聯線引入的信號延遲和寄生效應,極大提升微電子器件輸入/輸出（I/O）的密度和效率,已經被廣泛應用于各類微電子器件的封裝[2-3]。隨著人們對算力需求的不斷提升,超大規模集成電路已經廣泛應用于各類電子產品中,由于倒裝集成電路結構和工藝的特殊性,此類集成電路常面臨各種潛在的失效風險,因此對超大規模倒裝集成電路的失效分析具有重要意義[4]。 

聲學掃描技術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用。文章基于倒裝集成電路,研究了聲學掃描顯微鏡C掃描檢測技術的換能器頻率、放大器增益和芯片厚度三者間的關系以及倒裝集成電路常見的失效模式,并為倒裝集成電路的選用標準提出了合理化建議。 

1.   倒裝集成電路與聲學掃描技術

1.1   倒裝集成電路

倒裝集成電路典型結構如圖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）為聲學掃描顯微鏡結構示意。正面植有凸點焊球的芯片倒扣在基板上,通過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（CTE）相差較大,器件受到熱應力時,芯片與基板的連接處可能會出現斷裂,引發器件功能失效。為了解決熱膨脹系數不匹配的問題,通常會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掃描顯微鏡結構示意

底充膠的填充過程主要利用了液體的毛細現象,在完成焊接的芯片一側滴注適量含有SiO2顆粒的環氧樹脂,流動液體在表面張力的作用下,沿著芯片和基板的表面逐漸對二者間的空隙進行充分填充,待環氧樹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,底充膠填充過程中不可避免地會出現空洞和分層,進而引起焊點失效,影響倒裝器件的性能,因此,目前對于大規模倒裝集成電路的失效分析主要圍繞底充膠相關的缺陷展開。 

1.2   聲學掃描技術

聲學掃描技術屬于無損檢測技術的一種,可以實現器件內部微小缺陷的快速無損檢測[7]。聲學掃描技術與常用無損檢測技術的特性對比如表1所示,可見聲學掃描技術具有非接觸性、非破壞性、穿透力強以及對微小缺陷的檢測靈敏度高等特點,因此文章主要采用聲學掃描技術對倒裝集成電路開展失效分析。 

聲學掃描技術主要利用不同介質的聲阻差異來鑒別材料中可能存在的缺陷,是一種常用的元器件無損檢測手段。其使用聲學掃描顯微鏡[見圖1（b）]進行檢測,檢測時將去除了散熱銅片的器件浸沒到耦合介質中（通常為去離子水）,換能器周期性地發射和接收超聲波對樣品進行掃描。C掃描是聲學顯微技術的一種工作模式,該模式需要選擇某段超聲信號作為時間窗口,探測時間窗口內的聲波信號并對整個樣品進行x-y方向的平面掃描,最后通過信號處理系統形成該平面的二維灰度圖像。聲學顯微C掃描檢測技術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,檢測某一聲學剖面內樣品的聲阻變化,進而得到樣品內部結構的襯度圖。此外,由于相比于其他材料,空氣的聲阻近似為0,故聲學顯微C掃描檢測技術對于孔隙類缺陷十分敏感,可以快速檢測出器件中的細小空洞和裂紋等缺陷,在孔隙類缺陷樣品的檢測和失效分析過程中具有廣泛的應用前景[8]。 

不同換能器可以產生不同頻率的超聲波,通常超聲波的頻率越高,波長越短,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掃描圖像如圖2所示,其掃描范圍（長×寬,下同）分別為15 mm×15 mm,20 mm×15 mm和20 mm×20 mm,不同掃描頻率對應的放大器增益已在圖中標出。由圖2可以發現,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,需提高放大器的增益來保證成像質量；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縮短,如果器件的待測范圍較大會導致成像不完全,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,在用聲學掃描顯微鏡對元器件進行失效分析時,應選擇合適的換能器頻率以保證成像質量。 

圖  2  不同厚度的芯片在不同頻率換能器下的聲學掃描圖像

2.   倒裝集成電路失效分析

筆者以某型超大規模倒裝集成電路為例,研究了聲學掃描技術在倒裝集成電路失效分析中的應用。 

2.1   底充膠分層

某型倒裝集成電路裝配至電路板后,在板測試時發現其供電引腳VCCINT對地短路,將器件從電路板上拆下后使用Keithley 4 200-SCS型源表對其供電引腳和地線進行測試,不同電壓范圍內器件VCCINT與地的電流-電壓曲線如圖3所示。測試電壓為-1~1 V,步長為0.01 V,限制電流為1 mA,測試結果如圖3（a）所示,可以發現除了在零點附近,供電引腳對地電流大小基本維持在限制電流左右,疑似為短路現象；進一步減小電壓測試范圍至-5~5 mV,步長改為0.1 mV,限制電流為1 mA,測試結果如圖3（b）所示,可以發現器件供電引腳對地電壓在-1.6~1.6 mV間呈現典型的電阻特性,通過計算可得其電阻約為1.6 Ω,表明供電引腳對地呈現短路狀態。 

圖  3  不同電壓范圍內器件VCCINT與地的電流-電壓曲線

器件外觀、超聲掃描圖像及失效機理如圖4所示。由器件的背面外觀可以發現BGA焊球分布均勻,未出現明顯的黏連現象,初步排除外焊點熔融短接造成短路的可能。為了進一步確定該器件的失效機理,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,發現芯片表面涂有一層灰白色的熱沉。為消除熱沉的影響,使用有機清洗劑將芯片表面的熱沉去除后再進行后續測試。芯片下的底充膠層缺陷是引起器件功能失效的一個重要因素[9-10],為了分析器件的失效原因,使用聲學C掃描技術進行檢測,掃描對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,可以發現底充膠與基板存在明顯的分層。在器件焊接過程中,當焊接溫度高于芯片下方凸點焊球的熔點時,焊球會變為熔融狀態,若底充膠存在分層,熔融態的焊球會順著分層孔隙漫延,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理

為了檢測該器件凸點處是否存在異常,通過機械研磨的方式將器件逐層研磨至芯片下凸點焊球的位置,形貌如圖5（a）所示,可見相鄰的凸點焊球間存在明顯的熔融黏連。為了驗證芯片本身是否存在異常,通過化學開封的方法對器件進行開封。芯片形貌如圖5（b）所示,檢查發現芯片表面無明顯的缺陷或過電應力損傷痕跡。綜合上述分析結果可知,芯片下方底充膠存在分層,造成焊接中凸點焊球熔融黏連,導致引腳發生短路。文章使用聲學掃描技術,快速確定了底充膠存在的缺陷,明確了失效分析的方向,極大提升了產品故障排除效率。 

圖  5  芯片凸點焊球重熔微觀形貌與芯片局部形貌

2.2   芯片機械損傷

由于芯片、凸點焊料和基板的熱膨脹系數不同,熱應力引起的芯片機械損傷也是倒裝芯片的常見問題,這類損傷通常表現為芯片內部的裂紋缺陷。某型倒裝集成電路裝配至電路板后,在板測試時發現多路輸入對地開路,將器件拆下使用Keithley 4 200-SCS型源表對其中一組輸入異常電路進行測試,測試電壓為-1~1 V,步長為0.01 V,限制電流為1 mA,測試得到的電流-電壓曲線如圖6（a）所示,可見除了0.1 pA量級的背景噪聲外沒有檢測到明顯的電流,該曲線屬于典型的開路電流-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射線檢測結果和聲學顯微C掃圖像

為了探究引起器件輸入對地開路的原因,將器件的金屬蓋板和熱沉去除,發現其外觀形貌未見明顯異常[見圖6（b）]。使用X射線對器件的結構進行檢測,測試結果如圖6（c）所示,器件的基板及芯片內部結構未見明顯缺陷。大尺寸芯片通常存在較大的應力,應力導致芯片內部出現細微裂紋也是倒裝芯片常見的失效模式,為進一步確定器件的失效機理,使用聲學顯微C掃描技術對其進行檢測分析,聲掃頻率為30 MHz,掃描范圍為30 mm×30 mm,放大器增益為13 dB。聲學顯微C掃描結果如圖6（d）所示,可見芯片內部存在明顯的貫穿裂紋,此裂紋出現在芯片內部且相對較窄,故光學顯微鏡和X射線未能檢測到此裂紋缺陷,但超聲波在不同介質的界面處會發生強烈干涉,聲學掃描技術對孔隙的檢測靈敏度極高,可以探測到芯片內部的細小裂紋。綜合上述測試結果,推斷器件的多路輸入異常是由芯片裂紋引起的,進一步核查發現該器件的焊接溫度偏高,熱失配產生的應力使芯片出現了貫穿裂紋,最終導致器件多路輸入對地開路。后續通過調整器件裝配工藝和焊接溫度,有效杜絕了此類失效的發生。 

3.   結論

選取某型倒裝集成電路為對象,利用聲學顯微C掃描技術對其失效機理進行了深入分析,得出以下結論。 

（1）聲學顯微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,需提高放大器的增益來保證成像質量；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確保圖像質量。 

（2）聲學掃描技術可以無損檢測出倒裝集成電路內部的空洞、分層及裂紋等缺陷,準確快速地定位和分析失效原因；該技術可為倒裝集成電路的質量控制和可靠性評估提供有力的技術支撐。

文章來源——材料與測試網