FCBAG封装集成电路在失效分析中常用的检测设备与技术

出处：网络整理发布于：2025-08-27 17:03:25

一、非破坏性分析（NDA）

首先在不破坏样品的前提下进行初步检查和定位。

外观检查
- 设备：光学显微镜、立体显微镜、高倍率视频显微镜。
- 技术：检查封装体表面是否有机械损伤、裂纹、爆米花现象、标记异常、焊球氧化、坍塌或缺失等。
X射线检查
- 设备： 2D X-Ray（二维X光检测仪）、3D X-Ray/CT（计算机断层扫描）。
- 技术：
  - 2D X-Ray：快速检查内部结构，如焊球的桥接、虚焊、空洞、裂纹，以及芯片的大致位置和方向。
  - 3D X-Ray/CT：这是FCBAG分析的关键设备。它可以生成高分辨率的三维立体图像，无需开封即可清晰观察到：
    - 焊球内部的空洞和裂纹。
    - 基板内部的走线和通孔缺陷。
    - 芯片与基板之间的凸点连接状态（虽然分辨率可能不足以看清微小凸点细节，但能看分布和大的缺陷）。
    - 分层和裂缝的位置。
声学扫描显微镜
- 设备： C-SAM（C模式扫描声学显微镜）。
- 技术：利用超声波在不同材料界面反射的特性来检测内部缺陷，对分层特别敏感。
- 应用：
  - 检测芯片与底部填充胶（Underfill）之间的分层。
  - 检测底部填充胶与基板之间的分层。
  - 检测基板内部各层之间的分层。
  - 检测塑封料内部的空洞和裂纹。
红外热成像
- 设备：红外热像仪、Lock-in Thermography（锁相热成像）。
- 技术：在芯片通电状态下，通过检测其表面的温度分布来定位热点（Hot Spot），从而定位短路、漏电或过功耗的失效点。
电性测试与故障定位
- 这是失效分析的，目的是将故障缩小到某个具体的网络、晶体管或物理位置。
- 设备与技术：
  - TIVA/OBIRCH：利用激光扫描芯片背面（对于FCBAG，需要先进行样品制备，见下文），通过检测激光引起的电阻或电流变化来定位短路和开路的位置。是定位金属层短路和通孔异常的有效技术之一。
  - EMMI：检测失效部位在通电时产生的微弱光子（如载流子雪崩击穿、热载流子效应），用于定位漏电、栅氧击穿等失效点。
  - LVP：通过激光探测晶体管的开关状态，用于诊断逻辑故障，定位晶体管或门电路的问题。

二、破坏性物理分析（DPA）

在非破坏性分析定位到可疑区域后，需要进行样品制备，以暴露内部结构进行观察。

开封/去层
- 技术：
  - 机械开封：对于FCBAG，通常先研磨抛光（Cross-Section）基板的背面，直到露出芯片的背面硅（Die Backside）。这是进行背面故障定位（如TIVA， OBIRCH）的前提。
  - 化学开封：使用浓硫酸或发烟硝酸从正面溶解塑封料，但FCBAG有基板阻挡，正面开封无法触及芯片，因此化学开封主要用于暴露基板上的焊盘和走线。
  - 等离子刻蚀：可以更地、各向同性地去除有机材料（如聚酰亚胺、环氧树脂），用于精细处理。
截面分析
- 设备：精密研磨台、抛光机、FIB（聚焦离子束）、SEM（扫描电子显微镜）、EDX（能量色散X射线光谱仪）。
- 技术：
  - 机械研磨截面：制作一个穿过特定焊球、凸点或可疑失效点的垂直截面，然后用SEM观察界面IMC（金属间化合物）形态、裂纹路径、空洞、分层等。
  - FIB截面：这是FCBAG分析中不可或缺的纳米级加工和观察工具。可以在特定位置（如OBIRCH定位到的点）制作微小截面，用于：
    - 观察特定通孔或金属线的连接状态。
    - 定位纳米级的栅氧击穿孔。
    - 通过离子束沉积和刻蚀进行电路修改或探针垫制备。
  - EDX分析：配合SEM/FIB使用，对观察点的微小区域进行元素成分分析，用于判断污染、腐蚀、IMC成分异常等。
去除层叠结构
- 技术：通过机械研磨、化学腐蚀或等离子刻蚀，逐层去除芯片的背面硅、金属层、介质层，直到暴露需要观察的特定层面。
- 应用：在从背面完成故障定位后，需要从背面逐层去除硅，直到暴露下层的金属，从而在物理上找到失效点。

三、 FCBAG失效分析典型流程总结

失效确认：用电测设备复现失效现象。
非破坏性分析：
- 外观检查（光学显微镜）。
- 内部结构检查（3D X-Ray）。
- 分层检查（C-SAM）。
- 通电热定位（红外热像仪或Lock-in Thermography）。若失效与热相关，可在此步骤定位。
样品制备（为故障定位做准备）：
- 从封装背面进行机械研磨，将芯片减薄至100-150μm左右，并抛光至镜面，便于激光穿透。
精密电性故障定位：
- 使用 TIVA/OBIRCH 或 EMMI 从芯片背面扫描，定位到失效点的二维坐标（到微米级）。
破坏性物理分析：
- 方案A（截面分析）：如果失效点位于凸点、焊球或基板，则从封装正面或侧面进行机械剖切，制作截面后用SEM/EDX观察。
- 方案B（芯片层次分析）：如果失效点位于芯片内部：
  - 使用 FIB 在定位点直接制作纳米级截面进行分析。
  - 或者，继续从背面研磨芯片，使用精准抛光或FIB技术逐层去除硅和金属层，直到在SEM下直接观察到定位点的物理缺陷（如短路、断路、击穿孔等）。
根因分析：综合所有数据，判断失效模式（如电迁移、应力裂纹、工艺缺陷、ESD/EOS损伤等）并分析失效机理。