【学生作业】系统级封装中焊点失效分析方法

 

当系统级封装向着更小、更轻、功能更强大的方向发展时,越来越多的芯片集成到封装体中,对产品的设计、装配过程提出了更高的要求,而日趋复杂的结构也为失效分析带来了更大的难度。...

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介绍
系统级封装(SiP)是将多个具有不同功能的有源芯 片、无源器件、MEMS 器件、光学器件等组装成一个多功能的标准封装体,并形成系统或子系统的封装方式。SiP 产品具有设计灵活、上市周期短、工艺兼容性好、研发成本低等优点,引起了业界制造商以及学术界的高度重视,成为弥补多芯片模块(MCM) 和系统级芯片(SoC)封装的一种理想可行的封装技术。

SiP 产品复杂的结构常常限制了部分分析仪器的应用,如何利用有效分析手段确定失效诱因,对设计工艺、操作方法、加工环境等方面提出纠正措施,就要求充分了解SiP 封装系统内部芯片、互连失效的可能因素。
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SiP 封装焊点失效分析方法
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Sip焊点失效分析流程

失效分析的原则是先调查了解与失效有关的情况(线路、应力、失效现象等),后分析失效元器件;先进 行外部分析,后进行内部分析;先进行非破坏性分析, 后进行破坏性分析,具体失效分析流程如图1 所示。 失效分析流程中最关键的 3 步分别为电测、缺陷定位和物理分析。
图 1 系统级封装(SiP)失效分析流程图
 电测
电子元器件失效分析的电测指对被测系统的连接性、电参数和功能进行测试,以初步确定其失效缺陷。连接性测试用以确定失效模式,比如开路、短路、 漏电以及电阻值变化等。电参数测试主要用于封装系电子元器件失效分析的电测指对被测系统的连接性、电参数和功能进行测试,以初步确定其失效缺陷。连接性测试用以确定失效模式,比如开路、短路、漏电以及电阻值变化等。电参数测试主要用于封装系统具体指标测试,包括指标一致性等。电参数失效的主要表现形式有参数不稳定和数值超出规定范围等。功能测试主要用于集成电路,通过在元器件输入端加载信号,测量输出信号。
缺陷定位
电测之后基本发现了被测器件的缺陷,要采用相关手段进行缺陷或故障定位。首先采用无破坏性的定位手段进行失效器件的缺陷诊断,即先保持封装完 整。3D X-ray 缺陷检测技术、同步热发射(LIT)分析技术和磁显微缺陷定位技术适用于 3D SiP 封装结构的非破坏性缺陷检测及定位。而光发射显微术(PEM)、液晶热点检测技术等都是常用的破坏性缺陷检测技术, 因其需要开封器件。
物理分析
物理分析指的是破坏性的内部分析,包括开封、去层、FIB(聚焦式离子束显微镜)制样等。引起失效的缺陷常常存在于表面和界面,在此情况下电介质和金属连线必须去除。为了确定失效机理通常需要对缺陷位置进行截面分析,FIB 缺陷分析技术是常用的技术。
SiP 焊点失效分析方法

对焊点进行失效分析,需采用一些先进的分析测试技术和仪器。不同的失效分析技术有不同的目的和 适用范围,熟悉并熟练运用各种分析技术是失效分析 人员必备的条件。
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实体显微镜、旋转式光学显微镜、金相显微镜可直接用来进行检查分析,是非破坏性的失效分析方法。各种显微镜的使用范围和使用场合各不相同。实体显微镜放大倍数为 10~60 倍,通过目镜直接观察物体,如焊点的润湿及熔融状况,染色实验的焊点断裂状况。可旋转式光学显微镜放大倍数为 50~400 倍,能进行 360°旋转,从物体的侧面观察,并可以通过软件保存观察到的图像。金相显微镜的放大倍率为 50×, 100×,200×,500×,1 000×,能通过软件保存观察到的图像,最主要用于微切片的观察和分析,如焊点的润湿 状况,焊点的 IMC 层厚度的测量,焊点中的气泡状况, 焊点锡裂情形。一般来说,把这 3 种显微镜结合使用可以对焊点的润湿角、失效部位、焊点表面颜色进行失效定位和失效模式初判。
X-ray 检测采用穿透式非破坏性检测原理,即由于物体由不同元素构成以及其密度和厚度存在差异,造成对 X 光的吸收率和透射率不同,待检测物体经 X 射线穿透后,高感光仪器可以将到达感光层的 X 光转换成可见光,并利用 CCD 成像,成为可供分析的 灰阶影像。所有的 X-ray检查系统根据成像空间分为 2D(二维)、3D(三维)检查系统。X 射线透视仪一般用于检测电子元器件及多层印制电路板的内部结构、内引线开路或短路、粘接缺陷、焊点缺陷、封装裂纹、空洞、桥连、立碑等缺陷。在失效分析中,经常用它进行失效定位和失效模式的判定。
金相切片分析是一种破坏性的物理分析方法, 也是检验和分析焊点焊接质量的一种重要方法。金相 试样一般要经过取样、镶嵌、切片、磨制、抛光、腐蚀、观 察的过程。焊点在不同深度水平上切割,可以获得整 个焊点截面上的成分分布。焊点也可以根据需要在任何不同的角度切割,以便暴露特殊焊点的细节。因此, 经过金相切片分析可以获得焊点界面结构信息和观 察焊点的焊接状态。
扫描电子显微镜 ( SEM) 及 X 射线能谱仪 (EDS)随着组装工艺的更新发展,新的材料在组装工 艺中的使用,微结构观察和金属合金分析是考察组装可靠度不可缺少的方法。然而普通的光学显微镜受到景深、分辨率、放大倍数、观察角等条件的限制已经不能满足上述工作的需要,扫描电子显微镜扮演了重要的角色。扫描电子显微镜的基本原理是:由阴极所发射的电子束经阳极加速,由磁透射镜汇聚后形成一束直径为几百纳米的电子束流,这束高能电子束轰击到样品表面上会激发出各种信息,这些激发出来的信息分别经收集、放大,就能从显示屏上得到相应的图像。如最常用作形貌观察的二次电子像(SE),可反映化学成分分布差异的背散射电子像(BS),反映半导体芯片表面电位高低及分布的电压衬度像(VC)等。扫描电子显微镜在失效分析中主要用于失效定位和缺陷分析。 对于焊点的失效分析来说,可以用它进行焊点金相组织观察、金属间化合物与锡须观察、可焊性镀层分析等。此外,扫描电子显微镜都配有 X 射线能谱仪

(EDS),用来将样品发出的特征 X 射线进行化学成分分析。通过 EDS 获得的 X 射线图谱,在评定焊点成分的化学结构时特别有用,此外也可以进行可焊性不良的焊盘与引脚表面污染物的元素分析。
SiP 封装堆叠焊点失效现象

焊点可靠性影响到器件的整体可靠性,焊点失效将造成整个器件失效。SiP 器件倾向于应用复杂的封装结构,如多层裸芯片堆叠封装、封装堆叠(PoP,如图 3 所示)等,这些新型封装不仅增加了大量的焊点,而且对焊点的要求比简单封装更加严格。这些变化无疑都加大了焊点失效的几率,也使得 SiP 器件的焊点检测更有必要。封装堆叠常见的失效模式除了封装体翘曲外,焊点失效也是 PoP 器件的典型失效模式,有焊点开裂、漏焊、空洞、桥连、润湿不良等。
图 2   封装叠层(Package on Package,PoP)
PoP 焊点失效的 3D X-ray 检测
实验采用的样品将两个BGA 封装体垂直堆叠形成两层封装叠层器件,其中顶层封装体含有两片芯 片,底层封装体含有一片芯片,内部结构如图 3所示。在 BGA 焊球的放大照片中,可以清晰地发现 BGA 焊 点存在空洞和焊点假接触(枕头效应)的现象,通过 3D X-ray 可以清晰定位缺陷位置。说明在焊接过程中焊料挥发产生气体存在残留,同时回流不充分也可能导致焊点假接触,从而导致互连失效。
图 3  封装叠层器件的 3D-X ray 照片
金相切片分析
将两层 PoP 样品进行固封、研磨、抛光,通过金相显微镜观察每一排焊点的形貌,并拍照记录。部分焊 点的显微观察如图 4所示。可以发现,BGA 焊点中确实存在空洞和枕头现象,与 X 光照片相符。
图 4 叠层封装金相切片分析照片
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小结
SIP技术可以应用到信息产业的各个领域,但目前研究和应用最具特色的是在无线通信中的物理层电路。商用射频芯片很难以用硅平面工艺实现,使得SoC技术能实现的集成度相对较低,性能难以满足要求。同时由于物理层电路工作频率高,各种匹配与滤波网络含有大量无源器件,SIP的技术优势就在这些方面充分显示出来。目前SIP技术尚属初级阶段,虽有大量产品采用了SIP技术,其封装的技术含量不高,系统的构成与在PCB上的系统集成相似,无非是采用了未经封装的芯片通过COB技术与无源器件组合在一起,系统内的多数无源器件并没有集成到载体内,而是采用SMT分立器件。


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