PMCM器件的失效根因分析

李興鴻，趙俊萍，趙春榮

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

0 引言

常規(guī)的單芯片塑封器件工藝已非常成熟，可靠性指標(biāo)也較高，已廣泛地用于多種工業(yè)場合。與之相比，塑封多芯片組裝（PMCM）器件內(nèi)含多層布線高密度PCB板，PCB板上有很多芯片[1]。PMCM內(nèi)的單芯片面積大，且有上千根內(nèi)部鍵合絲鍵合到PCB板上，鍵合點(diǎn)多，外部管腳也多。各種材料之間的溫度系數(shù)差異很大[2]?？梢娖鋬?nèi)部節(jié)點(diǎn)故障不便觀測，測試覆蓋率有限，故障分析困難。本文是對某PMCM失效件的分析總結(jié)，對推斷失效性質(zhì)有幫助。

1 PMCM器件的質(zhì)量控制過程

為了便于后續(xù)說明，我們先了解PMCM器件的質(zhì)量控制過程。

在PMCM封裝前，要對涉及到的芯片進(jìn)行單芯片評價(jià)，保證單芯片封裝器件的可靠性水平達(dá)到質(zhì)量指標(biāo)。對進(jìn)行PMCM的芯片，一般還要保證其為已知良品芯片（KGD）[3]。

在PMCM器件封裝后，對其功能和參數(shù)要進(jìn)行常溫、低溫和高溫下的三溫測試。對內(nèi)含可編程結(jié)構(gòu)的PMCM，測試前還要先進(jìn)行配置[4]。

篩選通常包括高溫存儲(chǔ)、溫度循環(huán)、電測試、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)老煉、終點(diǎn)電測試等[5]。溫度范圍一般按工業(yè)品范圍設(shè)定。對內(nèi)含可編程結(jié)構(gòu)的PMCM，老煉前還要先進(jìn)行配置。

2 失效模式及分析

2.1 溫度變化范圍較大就失效

某批PMCM樣品，封裝后三溫測試合格，但在外管腳植球回流后全部失效。即使不植球，在回流爐內(nèi)模擬回流過程也失效。

失效模式為連接失效（開路）。失效件超聲掃描顯微觀察表現(xiàn)為器件內(nèi)部有大面積空洞，即有塑封分層。斷面觀察結(jié)果是內(nèi)部封裝材料有大面積分層，鍵合點(diǎn)脫開，如圖1所示。

圖1 失效件局部照片（左為超聲掃描照片，右為剖面顯微照片）

所以器件失效的根本原因是由于塑封封裝材料在溫度梯度應(yīng)力作用下發(fā)生了分層，分層使鍵合點(diǎn)拉脫，失效與塑封的材料和工藝有關(guān)。

2.2 配置失效

改進(jìn)封裝工藝后的某批PMCM樣品，封裝后三溫測試合格，在經(jīng)歷了篩選中的溫度存儲(chǔ)和溫度循環(huán)后，有8%的器件給器件寫程序進(jìn)行配置時(shí)無法寫入程序。

因不能配置，也就無法在ATE上進(jìn)行準(zhǔn)確的測試。在小電壓和小電流下，用探針進(jìn)行管腳組合間的IV特性測試，發(fā)現(xiàn)在小電壓下電源地之間已呈電阻特性。經(jīng)超聲顯微掃描觀察，發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部靠芯片內(nèi)鍵合點(diǎn)處有分層空洞，用X射線檢查未見缺陷。將內(nèi)部芯片逐個(gè)開封后，發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)芯片的電源、地金屬布線上有幾處腐蝕得無金屬了，其他芯片表面正常，但有的內(nèi)壓點(diǎn)脫落。暫定為失效原因是過電應(yīng)力燒毀，這將在第3章再進(jìn)行詳細(xì)的討論。

由于芯片是好芯片，器件封裝后三溫測試合格，配置過程無誤，眾芯片中只有一個(gè)芯片燒毀，失效比例較大，排除誤操作的可能性。而內(nèi)部有分層空洞，就有可能使內(nèi)部鍵合點(diǎn)脫焊。脫焊意味著芯片的某些輸入會(huì)懸空。在管腳懸空狀態(tài)下，由于芯片設(shè)計(jì)時(shí)采用的是電特性對稱設(shè)計(jì)，加電時(shí)，此管腳的電位通過寄生結(jié)構(gòu)（如ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)）的漏電流進(jìn)行充電，很快會(huì)達(dá)到CMOS的轉(zhuǎn)折電壓，從而使相關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的導(dǎo)通電流，進(jìn)而激發(fā)閂鎖效應(yīng)而使芯片燒毀，至芯片的電源地?zé)龜啵ɑ虺矢咦瑁橹?。因此，器件失效的根本原因仍然是塑封分層，也就是封裝問題，封裝材料在溫度循環(huán)應(yīng)力下發(fā)生了分層，使鍵合點(diǎn)拉脫。

2.3 器件溫度性能不穩(wěn)

再進(jìn)一步地改進(jìn)PMCM工藝后，器件三溫測試合格，存儲(chǔ)和溫循后三溫測試也合格，但在老煉后三溫測試共出現(xiàn)了14%的失效。具體的情況為：常溫測試合格，低溫測試都失效，高溫測試失效少，再回到常溫仍然都合格。有的樣品在報(bào)錯(cuò)前功能已測完，都是正確的，在測第1個(gè)參數(shù)時(shí)出錯(cuò)，有的樣品是在測第1個(gè)功能時(shí)就報(bào)錯(cuò)。

由于芯片在封裝后的三溫測試中都是正常的，并且每個(gè)芯片都是KGD芯片，如果是芯片問題，則這么多器件回到常溫后還合格的可能性不大。從我們分析過的很多陶封器件來看，高低溫有問題回到常溫還正常的很少。從測試情況來看，即使芯片有問題，但也是光學(xué)非可見缺陷。因此，重點(diǎn)仍然放在與封裝相關(guān)的分析上。

對樣品進(jìn)行超聲顯微掃描分析，發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部一個(gè)芯片靠內(nèi)鍵合點(diǎn)處有明顯的分層空洞。塑封開封后發(fā)現(xiàn)一些鍵合點(diǎn)已脫開。根據(jù)芯片表面其他金屬及鍵合點(diǎn)上未鍵合的金屬還算完整，以及超聲掃描的結(jié)果進(jìn)行綜合的判斷，鍵合點(diǎn)脫離不是塑封開封鉆蝕引起，而是原先就有，也將在第3章討論此問題。

塑封封裝時(shí)，塑封材料覆蓋后芯片、鍵合絲、基板就成為了整體[6]，即使虛接也固定了，若無分層，就不會(huì)影響三溫性能。

因此，只要存在鍵合點(diǎn)分開的現(xiàn)象，器件失效的根本原因仍然是塑封分層，也就是封裝問題。在溫度應(yīng)力作用下，如果虛接的部位接觸上了，則測試結(jié)果正常；如果虛接的部位脫開，則測試報(bào)錯(cuò)。從材料的熱障冷縮來考慮，各部分冷縮時(shí)趨于向各部位的中心聚攏，導(dǎo)致在低溫下容易脫離接觸，所以容易出現(xiàn)低溫下失效多，常溫下恢復(fù)，高溫下失效少的現(xiàn)象。

對于這類溫度變化敏感的器件，能恢復(fù)是暫時(shí)的。我們再進(jìn)行少量的高低溫溫度循環(huán)后則在常溫下也永久失效。再次證明失效是由于塑封材料和工藝造成。

3 塑封開封效果辨析

用酸法開封來判斷鍵合點(diǎn)的拉脫情況容易出現(xiàn)誤判。原因是強(qiáng)氧化性酸對鋁雖有較好的鈍化作用，但仍對鋁有一定的腐蝕作用，對銅有較強(qiáng)的腐蝕作用，實(shí)際操作時(shí)很難精準(zhǔn)地控制，判斷是鉆蝕脫落還是分層脫落很困難。我們從以下幾方面來輔助判斷。

首先，要保證酸的濃度和開封工藝條件正常。實(shí)踐中可以根據(jù)開封其他塑封電路的效果來判斷。在塑封開封后只要其他芯片表面正常，內(nèi)鍵合點(diǎn)表面的金屬有金屬光澤，幾乎無鉆蝕現(xiàn)象，鍵合拉力試驗(yàn)合格，則說明試劑濃度和其他參數(shù)正常。

其次，在用同樣的試劑和程序情況下，如果樣品在塑封酸開封時(shí)局部位置出現(xiàn)腐蝕，大部分位置保持完好，則說明此芯片的局部暴露在強(qiáng)酸下的時(shí)間長而遭腐蝕。過長時(shí)間暴露的原因有：

a）芯片比其他芯片略厚。導(dǎo)致在同樣的包封條件下，其上的塑封材料比其他芯片薄。在同樣的開封條件下，芯片表面暴露在強(qiáng)酸下的時(shí)間就會(huì)長些，容易導(dǎo)致鉆蝕。這種鉆蝕主要發(fā)生在鍵合點(diǎn)上。

b）有些位置先有損傷。過電應(yīng)力會(huì)使芯片表面出現(xiàn)熔融材料堆積，使鈍化層及其上的塑封材料產(chǎn)生裂紋。塑封分層會(huì)使局部產(chǎn)生拉脫空洞。開封時(shí)這些位置容易先進(jìn)入酸，故金屬暴露在強(qiáng)酸下的時(shí)間相對長，金屬容易腐蝕掉。暴露的銅金屬布線更容易被腐蝕。

鍵合點(diǎn)極易腐蝕的芯片還可能是銅布線或摻銅較多的布線。PCB板上的鍵合點(diǎn)鍍金層下的銅會(huì)側(cè)向腐蝕，未被鍍金層覆蓋的銅布線更易被腐蝕，結(jié)果會(huì)使金絲連帶焊盤鍍金層翹起，導(dǎo)致很難區(qū)分是否由分層造成，如圖2所示。如果腐蝕時(shí)間控制得好，只有少量的鍵合點(diǎn)翹起，則可判斷是先有分層拉脫。

鍵合點(diǎn)周圍或無鍵合點(diǎn)的空鍵合點(diǎn)表面有金屬光澤，則也可以排除過腐蝕因素；若有內(nèi)鍵合點(diǎn)脫落，則應(yīng)是先用分層拉脫，如圖3所示。

圖2 銅布線上的鍵合點(diǎn)翹起

圖3 內(nèi)鍵合點(diǎn)拉脫翹起

是否先有損傷要根據(jù)ATE的測試結(jié)果、其他電性測試結(jié)果，以及超聲掃描觀察結(jié)果來判斷，用塑封開封結(jié)果來佐證。對于PMCM塑封分層，X射線檢查幾乎無效。也就是塑封開封后不能保證能看到原始形態(tài)，要結(jié)合其他試驗(yàn)來適當(dāng)?shù)赝茢嘣夹螒B(tài)。

在對PMCM失效分析樣品進(jìn)行開封判斷是否有鍵合點(diǎn)脫落時(shí)，如要直觀地判斷，則最好采用對金屬無腐蝕的方法，比如要盡量地用新鮮的強(qiáng)氧化劑，及時(shí)，合理地清洗干燥；但最好用激光或等離子干法開封，能最大限度地保持原貌。斷面制作當(dāng)然也是較為直觀的判斷分層的方法，但反復(fù)定位研磨觀察和尋找脫焊點(diǎn)也是很麻煩的，特別是對常溫測試合格的器件。

普通的塑封器件做破壞性物理分析（DPA）時(shí)，由于器件是好的，很適合用酸法開封。

4 結(jié)論

從以上分析可以看出，器件的開路、燒毀和溫度性能不穩(wěn)等失效模式，初看與封裝工藝沒有關(guān)系，但經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)最根本的原因只有一個(gè)，就是塑封分層。塑封分層使其包裹的鍵合絲出現(xiàn)了開路或似連非連的狀態(tài)，這樣在后續(xù)的加電試驗(yàn)中就有可能出現(xiàn)上述失效模式。

產(chǎn)生PMCM溫度性能不穩(wěn)定問題的原因比較復(fù)雜。即使封裝廠采用與普通塑封相同的材料和工藝，但是，由于PMCM的芯片多，芯片面積大，內(nèi)部高密度多層PCB板的面積大，整個(gè)器件的面積大，溫度梯度造成的應(yīng)力也就很大。這些因素是客觀存在的，用塑封方式很難徹底地解決此問題，只能逐步地優(yōu)化材料、結(jié)構(gòu)和工藝，以達(dá)到規(guī)定的可靠性水平。

另外的替代方法是可以用陶封（CMCM）代替塑封。但陶封成本高、重量大和體積大，機(jī)械應(yīng)力的耐受力有限，要綜合地評價(jià)。

在失效分析中，酸法開封不一定能看到原始形態(tài)。對于塑封分層，可用超聲掃描儀進(jìn)行顯微的觀察，也可以用剖面制作的方法來觀察，還可以用干法開封來觀察。

[1]（美）QUIRK M，SERDA J.半導(dǎo)體制造技術(shù) [M].韓鄭生，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]李興鴻，趙俊萍，趙春榮.集成電路三溫測試數(shù)據(jù)在失效分析中的應(yīng)用 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2013，31（5）： 1-5.

[3]（美）LICARI J J，（美）ENLOW L R.混合微電路技術(shù)手冊：材料、工藝、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn) [M].第二版.朱瑞廉，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4] 《現(xiàn)代集成電路測試技術(shù)》編寫組.現(xiàn)代集成電路測試技術(shù) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]GJB 2438A-2002，混合集成電路通用規(guī)范 [S].

[6]蓋紅星，王靜，王寶友.多芯片組件（MCM）技術(shù) [J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2008（5）：26-29.